Research on a New Type of Withstanding Voltage Testing System

YANG Shengbing, LI Dong, WANG Xiaofei, WANG Yanlin

(Department of Electronic Engineering, Beijing Institude of Machinery,
Beijing 100085, China)

　　Key words: withstanding voltage; test; IPC

　　電器裝置、絕緣材料和絕緣結構的耐壓能力，反映了實際工作狀態下設備的安全性能，是一個對人體安全有著直接影響的電參數。因此，進行耐壓測試是檢驗安全性能的重要技術指標之一。?

　　耐壓測試的基礎理論是：將一個產品暴露在非常惡劣的環境之下，如果產品能夠在這種惡劣的環境之下能維持正常狀況，就可以確定在正常的環境之下工作也一定可以維持正常的狀況。耐壓測試主要達到如下目的：1.檢查絕緣耐受工作電壓或過電壓的能力；2.檢查電氣設備絕緣制造或檢修質量；3.排除因原材料，加工或運輸對絕緣的影響因素；4.檢查絕緣電氣間隙和爬電距離。
　　進行耐壓測試時(如圖1所示)，由高壓發生器產生一設定的高電壓，通過控制開關K的開合，把一個高于正常工作的電壓加在被測設備上進行測試，所加電壓值由高壓發生器兩端的電壓表測定，這個電壓必須持續一段規定的時間，通過觀測回路中電流表的漏電流值的大小來確定被測試件的耐壓能力。如果一個被測設備或零部件在規定的時間內，其漏電電流亦保持在規定的范圍內，就可以確定這個被測設備在正常條件下能安全地運行。
　　不同的產品有不同的技術規格。對一般器具來說，耐壓測試是測試火線與機殼之間的漏電流值。基本規定是：以兩倍于被測物的工作電壓，再加1000V，作為測試的標準電壓。有些產品的測試電壓可能高于兩倍工作電壓加1000V。在IEC61010中規定，在5s內測試電壓逐漸地上升到所要求的試驗電壓值(例如5kV等)，然后保持規定的時間(5s)，同時測得回路的漏電流值，以便確定耐壓測試是否符合測試標準，再在規定的時間(例如5s)內，將試驗電壓逐漸地降至零。［1］?

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　　測試系統由電源、信號采集、調理、A/D轉換、SPWM發生器和計算機等構成。進行耐壓測試時，計算機輸出適當的數字量，得到對應的SPWM波，從而在變壓器高壓側產生一規定的高電壓，該電壓施加在被測試件上。計算機通過電壓、電流傳感器采集試件兩端的電壓和測試回路的電流參數，通過閉環控制技術可以得到測試規定的電壓，再通過軟件就可以測定被測試件的耐壓能力。本文介紹的新型耐壓測試系統符合最新IEC61010標準，采用工業計算機控制技術；實時監測測試過程，軟件界面友好，操作簡單，能方便與其他幾項測試參數組合進行綜合測試。需要說明的是，耐壓測試系統是儀器儀表安全性能綜合測試系統項目的一項指標。主要指標有：耐壓輸出0～5kV，自動升壓(AC)；漏電流0.1～20mA，任意設定(AC)；準確度(1～3)%；測試時間5s(IEC61010規定為5s，但可以根據需要任意設定)。耐壓測試系統圖見圖2。

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　　電壓采樣由與高壓變壓器共繞組的傳感器來實現，電壓傳感器的高壓側在0～5000V之間變化，而采樣低壓輸出側在0～5V之間變化，它們之間具有較好的線性關系；采樣電壓進入信號調理部分之前采用了光隔措施。電流的采樣由串聯在測試回路中的電流互感器來完成。由于漏電流最大設定值在20mA，電流傳感器選用原邊電流是40mA、副邊電流是17mA的電流互感器。調理好的信號經過采集板卡中的多路模擬開關、A/D采集到計算機后，求出均方根值；最后通過試驗對采集信號進行標定后，將相應的函數關系保存在程序中，然后按照測試的需要，通過軟件進行標度變換，求出實際測試的電壓值、電流值、測試時間等。其中標度變換包括放大環節處理、阻值轉換、傳輸比換算以及系統綜合標定等步驟。
2.2計算機接口電路及控制邏輯、控制電平接口
　　數據采集電路采用自行設計的ISA板卡，包括地址譯碼電路、總線接口、A/D轉換、模擬開關等部分；可以完成模擬量的輸入/輸出、數字量的輸入/輸出。
　　系統中，通過數字輸出信號的高低控制交流接觸器的開合，包括耐壓測試儀的啟動、保護、停止，以及通過數字輸出信號的控制來實現電源模塊中的SPWM信號的產生、驅動信號的啟動與封鎖等邏輯控制。另外，系統的操作都是由計算機程序來實現的，而計算機總線的數據采集卡的數字I/O信號邏輯電平不能直接驅動接觸器，因此，在硬件電路上設計了相關的控制電平轉換電路，比如：通過固態繼電器SSR來驅動接?觸器。
2.3電源
　　電源部分采用計算機閉環控制技術。交流電壓U?1(50Hz、220V)經過整流、濾波后產生的直流電壓U?2在(0.9～1.414)［2］倍交流電源電壓值范圍內變化；單相逆變由IGBT構成的H橋來實現，通過控制IGBT的H橋臂的門極觸發脈沖序列得到所需要的交流電壓。該系統設計的脈沖序列采用SPWM波進行控制，計算機輸出適當的數字信號，通過電壓采樣環節構成閉環，輸出基本連續可調的交流電壓；在交流輸出側再加一級濾波環節得到比較理想的正弦波。而控制SPWM波是通過控制調制度m(正弦波幅值和三角波幅值之比)來實現的；改變正弦波的幅值，使調制度m變化(調制度m具有256個可變值)，從而達到控制耐壓測試儀的測試電壓的目的。逆變輸出的交流電壓U3是0.5倍直流側電壓與調制度m的乘積［2］。由于耐壓測試需要較高的電壓，為此，設計了一級升壓變壓環節。通過電壓采樣環節和采用計算機閉環控制技術，將設定的測試高壓U4施加在被測設備上進行測試(圖3)。

　　軟件部分主要完成數據的采集、存儲、分析、輸出、顯示等任務，當然，軟件的實現過程要體現IEC61010中的測試標準。通過程序實現測試電源部分的準確控制。待測試電壓達到測試要求值時，啟動計時開始測試，測試結束后相應的測試指標都顯示在軟件界面上，同時顯示產品是否合格，并產生報警(測試主流程圖見圖4)。無論在升壓還是恒壓過程中，發生被試樣品擊穿現象時則試驗裝置急速降壓至零，并發出聲光報警信號，顯示出試樣的實際擊穿電壓值以及實際擊穿電流大小。此軟件還可以實現測試前自校準、自診斷，自動消除可能的誤差因素或對故障報警等［3］、［4］。?

　　用測試軟件控制升壓變壓器產生高電壓，施加在大負載電阻上，通過電流互感器采集漏電流；在IEC61010標準測試要求下，以不同的高壓進行多次試驗測試，測量數據重復精度高；通過變換不同的大負載電阻，測量數據線性度高；與實際的耐壓測試儀器進行比對試驗，數據一致性較好。測得的漏電流見表1。我們設計的耐壓測試系統通過計算機實現測、控、顯一體化，具有超標報警等功能；軟件界面友好，操作簡單，容易升級。 ?

參考文獻?

［2］陳國呈.PWM變頻調速及軟開關電力變換技術［M］.北京：機械工業出版社，2001.
［3］林衛星.十六位單片機在耐壓測試儀中的應用［J］.工業控制計算機，2002，15(6).
［4］賴壽宏.微型計算機控制技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.