电气安全性能测试耐压测试系统研究

　　为了配合仪器设备电气安全性能检测新国标的制定和实施，设计了符合IEC61010标准的耐压测试系统。测试系统包括程控电源、测试回 路、信号采集、调理电路和单片机数据采集接口电路等部分。试验数据表明系统工作稳定，测试精度高。在0~20mA的测试范围内，测试精度达到± (1.5%mA±0.05mA)。
　　一、引言
　　电气安全性能参数是国家强制性认证的指标之一，也是反映电子产品和设备安全性能重要的参数。2001年，IEC1010标准——《测量、控制及 试验室用电气设备的安全》重新修订为IEC61010。为了更好地与国际接轨，我国将要重新制订符合IEC61010标准的新国家标准。电气安全主要测试 指标包括交/直流耐压、绝缘电阻、泄漏电流、接地电阻等。交/直流耐压试验用于检验产品在实际工作状态下的电气安全性能，是检验设备电气安全性能的重要指 标之一。目前市场上所见的耐压测试仪采用GB4706(等同IEC1010)标准，使用较多的是台式结构的单项测试指标测试仪器，不能满足用户需要多指标 综合测试的需求;而且目前市场上的耐压测试仪多采用的是传统的测试方法，测试精度不高，采用的技术和主要性能指标与国外先进水平有一定的差距，不能完全满 足目前发展的电气安全性能测试工作的需要。因此研究符合最新国际标准的采用先进技术和具有更好性能指标的耐压测试系统具有重要意义。
　　二、耐压测试的原理
　　耐压测试是指对各种电器装置、绝缘材料和绝缘结构的耐受电压能力进行的测试。在不破坏绝缘材料性能的情况下，对绝缘材料或绝缘结构施加高电压的 过程称为耐压试验。一般来讲，耐压测试主要目的是检查绝缘耐受工作电压或过电压的能力，进而检验产品设备的绝缘性能是否符合安全标准。 耐压测试的基本原理：把一个高于正常工作的电压加在被测设备的绝缘体上，并持续一段规定的时间，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产生很小的 漏电流。如果一个被测设备绝缘体在规定的时间内，其漏电电流保持在规定的范围内，就可以确定这个被测设备可以在正常的运行条件下安全运行。进行耐压测试时 (如图1)，技术规格不同被测试品，测量标准也就不同。对一般被测设备，耐压测试是测量火线与机壳之间的漏电流值，基本规定是：以两倍于被测物的工作电压 再加1000V作为测试的标准电压。部分产品的测试电压可能高于这一规定值。按照IEC61010的规定，测试电压必须在5s内逐渐地上升到所要求的试验 电压值(例如5kV等)，保证试验电压值稳定加在被测绝缘体上不少于5s，此时所测回路的漏电流值与标准规定的泄漏电流阈值相比较，就可以判断被测产品的 绝缘性能是否符合标准。测试结束后，试验电压必须在规定的时间内逐渐地降至零[1]。
　　三、耐压测试系统设计
　　测试系统有三大模块：程控电源模块、信号采集调理模块和计算机控制系统。
　　程控电源模块由输出位0V~140V的程控电源和高压变压器构成，在单片机ADCm842控制下程控电源输出电压经变压器升压可以得到设定的输出电压值。
　　信号采集调理模块包括传感器、信号调理电路和过电流保护电路，测试回路漏电流通过传感器进入信号采集和调理电路，在信号采集和调理电路中对漏电流信号进行I/V转换变成满足A/D输入范围的电压信号。过流保护电路在试品或电路故障时启动。
　　单片机ADCm842和计算机构成PC计算机控制系统,控制测试过程电压升降、A/D转换、数据的处理和分析。
　　1、信号采集和调理模块设计 耐压测试需要监测的参数是：变压器输出高电压的值和测试回路的漏电流值。测试系统中所使用的升压变压器二次绕组有0~5000V和0~5V两路电压输 出，当变压器二次绕组高压输出从0V到5000V变化时，变压器二次绕组低压输出从0V到5V之间变化，两路输出之间具有良好的线性关系。测试开始在设定 的升压时间间隔内，变压器二次绕组低压侧输出的电压经隔离变压器和信号调理电路后进入单片机ADCm842，单片机ADCm842中的12位ADC以每秒 42万次转换速度进行高速A/D转换，A/D转换后的数字量传送给计算机并与计算机设定值相比较，直到输出电压符合设定电压值，我们就认为实际输出测试电 压满足了我们设定值的要求。
　　耐压测试系统漏电流的测试范围是0mA ~20mA，测试开始时，被测设备漏电流通过电流互感器，然后经I/V转换电路将采样电流转换成电压在单片机内进行相应的A/D转换和计算，最终得到被测 设备在设定电压条件下的泄漏电流值，通过和安全标准规定的泄漏电流值相比较，就可以检验设备耐压测试是否合格。实际测试时，在 电流互感器二次侧设计了过流 保护电路，当有过流情况出现时，例如被测设备被击穿或者被测设备绝缘缺陷，电源迅速被切断，测试被终止以保护测试系统不被损坏。
　　常规的信号调理部分采用真有效值的模拟运算，泄漏电流信号的有效值和峰值运算都是由硬件电路完成后输入单片机或计算机的。这种信号调理方式最终 只能获得泄漏电流信号的峰值或有效值。这种方法不仅精度不高而且损失了频率信息，不能真实的复现泄漏电流的实际波形。本系统采用了高速的A/D转换将交流 电压值直接采集进计算机，按照用户要求计算出峰值和有效值，并且画出实时的漏电流波形使用户能直观的监测漏电流情况。计算机还可以进行软件校正，去除漂 移、失调造成的误差。按照实际情况还可以采用数字滤波的方式去除高频干扰，这种信号调理方式简化了硬件电路，成本较低，测试精度高，测试稳定性好。由于耐 压测试的试验电压较高，为了保证试验的安全性，在测试过程中要保证测试系统机箱外壳良好的接地。
　　2、程控电源模块的设计 耐压测试程控电源部分的系统框图
　　由于在实际的耐压测试中，对不同产品可能要求施加不同的测试电压，这就要求耐压测试系统输出测试电压是可调的。PWM(Pulse Width Modulation)是控制逆变电源以实现可调电压的输出的主要方法之一。PWM控制的理论基础建立在采样控制理论的一个重要结论上，即：冲量相等而形 状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM波形就是把正弦波用等幅不等宽的脉冲代替，脉冲中点与正弦等分中点重合，且与相对应的正 弦面积相等，各脉冲的宽度按正弦规律变化。SPWM波的产生有很多方法，可以由专用集成芯片或通用电路组合产生，也可以由单片机产生。本系统采用单片机 ATMEGA16L产生SPWM波，利用单片机ATMEGA16L的内部的累加器和比较器通调节占空比在PC4口输出SPWM波。
　　程控电压源采用单向220V工频交流电经过桥式整流获得直流电压，经过滤波后为逆变电路提供稳定的直流电。同时由单片机产生的单相SPWM波经 过非门产生一路和单片机输出相位互补的SPWM波，这两路互补的SPWM波分别经过单稳电路和隔离驱动电路后就可以产生两路相位互补的门级触发脉冲序列可 以控制的通断。最终由IGBT构成的逆变桥输出经低通滤波可得到标准正弦波，正弦电压幅值0V~140V可调。
　　3、计算机控制系统及软件设计 耐压测试以高性能单片机ADCm842为核心组成计算机控制系统。ADCm842内部集成了12位A/D和D/A转换器，具有DMA控制器可完成A/D 转换到RAM的高速转换。ADCm842具有优越的8052内核， 峰值效率每秒可执行20兆指令。ADCm842内部有多大62KB的片内程序闪存;4KB的片内数据闪存，可擦写10万次的2.3KB的片内数据RAM。 测试系统的单片机采用C51编程对测试进行控制和数据的处理，PC计算机主要提供人机交互的界面。这种测试系统应用起来灵活方便。
　　测试控制系统包括对电压源的控制、数据的采集、A/D转换、数据分析、数据输出和显示、数据存储等，同时耐压测试系统软件可实现测试前自检，自 动消除可能的误差因素和对故障报警等功能。通过软件实现对测试电压的准确控制。当测试电压达到测试要求值时，启动测试。软件按照IEC61010中的测试 标准对电压进行控制。计算机采用VC++编程，测试界面直观操作方便。用户可以按照实际测试设置不同的测试时间和泄漏电流阈值，可以监视测试进度并显示测 试结果，如果在测试过程中发生被测样品击穿现象或其它可能的过流现象，测试仪的输出电压能迅速降为零，并发出报警信号。四、试验结果及分析
　　实际测试选用0.5级的ZX117A型可调高压电阻箱作为标准被测件，通过单片机控制输出电压升到设定值，用南京长胜的CS1940型数字高压 表监视电压输出，输出电压的误差不超过±1.5%。使用美国安捷伦的六位半数字万用表A-34401A测量系统漏电流，以漏电流的计算值为标准评价本系统 的测试精度，按照最新国际标准IEC61010，以不同高电压施加在相同电阻上分别进行漏电流测试，测试结果表明，测量数据的重复性较好，漏电流的测试误 差为±(1.5%±0.05mA)。漏电流的测试结果见表1。
　　五、小结 本耐压测试系统符合IEC61010标准，采用计算机控制技术;性能稳定，耐压输出交流500V~5kV可调，测试漏电流范围在0mA~20mA;由工 业计算机控制，测试参数自主设定，软件界面友好，操作简单;试验数据显示系统稳定，测试精度可达±(1.5%±0.05mA)。