绝缘电阻的现代测量方法

绝缘电阻的一种现代测量方法

作者：王奥飞

学号：201620212

摘要

绝缘电阻测试是电气设备安全要求测试中的一项重要指标，也是有效判断绝缘体是否完整以及绝缘体表面是否被污染的主要参数之一，通过测量电气设备的绝缘电阻值可以及时检测出设备普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性等存在的缺陷。

本文将高频高压开关稳压电源和单片机微控制器引入到绝缘电阻测试系统中，实现测量的自动化、数字化和宽量程，满足电气设备测量中对绝缘电阻测量技术的需要。结合绝缘电阻测量中需要高电压，弱电流等特点，通过分析在绝缘电阻测量中误差的产生原因，决定以单片机作为本系统的核心，使用加压测流法的测量方案。单片机主要完成数据采集和处理经过转换后的数字量信号，并且完成了液晶显示等功能。而加压测流部分采用单端反激式的DC/DC 变换器和多阶倍压整流电路相结合的方式，可根据设定值将交流电和15V 直流供电电压经过变压整流输出四个不同档位的高压源。文中，详细分析了高压电源设计模块的工作原理、电气设计和结构设计中应该注意的问题和相应的解决措施。在随后的电阻分压电路中，将标准分压电阻与被测绝缘电阻进行串联，高压通过标准分压电阻和被测电阻后产生分压信号。信号采集模块对标准电阻上所产生分压信号进行信号采集和A/D 转换。将最后所测量的数字分压信号送至单片机处理，单片机根据分压信号计算出被测电阻的绝缘电阻值并通过LCD 显示。

关键词：绝缘电阻，单端反激式变压器，单片机，测试装置

第一章引言

随着科学技术的不断发展，电力电子设备的绝缘性能在设备正常运行中起到非常重要的作用，减少因为电气设备的绝缘性降低而造成的损失，将会给工农业生产带来最大的经济利益。绝缘电阻被定义为用绝缘材料隔开的两个导体之间，在规定的条件下所呈现的电阻，即加在与绝缘体或试样相接触的两个电极之间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商。绝缘电阻是电气设备、电缆及输电线路的重要技术指标，是保证其正常运行的重要前提。为了避免因绝缘材料由于发热、受潮、机械损伤、污染及老化等原因而造成漏电或短路事故的发生，必须及时和定期地测量电气设备及电力线路的绝缘电阻，以推测其绝缘性能是否满足使用要求，防患于未然。通过对电气设备的绝缘电阻测试，可以对其绝缘性能有个充分了解：

（1）检测绝缘结构体和绝缘材料的特性。通过测量可以检测出某种绝缘材料或是绝缘结构体的绝缘性能，以便在以后的生产过程中正确选材。

（2）对电器产品的绝缘性能进行评估，有效判别出厂家生产的电器产品是否符合绝缘性能的要求。

（3）及时了解电气设备的绝缘性能，尤其是对正在工作使用时期的绝缘设备的检测。通过检测及时的了解其绝缘性能的好坏，避免不必要的事故发生。

（4）绝缘设备耐压性能测试。通常在进行耐压试验之前，都要对被检设备进行一次绝缘电阻测量。只有测量结果符合耐压测试要求的设备才能继续进行耐压试验，否则电气设备在测试时就会产生比较大电流而导致设备被击穿。

由上可知，对于设备的绝缘性能的测试可以有效、直观的反映出其绝缘程度。通过对测量数据的分析，可以发现绝缘物的老化和磨损程度，是否受潮，工作环境是否合适等缺陷。所以，绝缘电阻测试是电气设备安检测试中不可或缺的一项重要的检验项目。

第二章系统总体结构

本系统是将单片机控制和高频高压开关稳压电源有效的结合为一体，实现了绝缘电阻测试的完全自动化和智能化。大大的降低的操作人员的工作量。所要实现的主要功能和性能如下：利用脉冲控制开关稳压电源，实现500V、1000V、2000V 和5000V 四组电压输出档位。并在高压作用时实现过压，欠压和过流保护；标准分压电阻档位间自动切换功能。根据测量时不同被检电阻值的大小，自动实现分压电阻间档位的切换，使分压信号达到测量范围；将测量的有效数据进行现场存储，方便在以后进行数据回查和数据对比；实现系统的人机界面功能，信号采集电路和系统抗干扰处理。不同电压档位之间切换要安全可靠；系统电源电路供电方式为交流220V和直流+15V 两种；被测对象的绝缘电阻值最大为3.3GΩ；测量误差小于5%。

本文所设计的绝缘电阻测试装置采用单片机作为中央控制单元，使用交流220V 和直流+15V两种供电方式。内置高压发生器产生测量所需要电压，然后由采样电路进行信号采集，通过相应的取样电路后进行A/D 转换，最后由单片机进行数据处理，将处理结果现场通过显示器回放。其系统结构如图2-1所示：

图2-1 系统原理结构图

根据本系统的功能特性和作用，可将本系统划分为四大部分：

（1）高频高压开关稳压电源：

由于本系统的工作功率小、测量电压高、外观小等特点，变换器采用的是单端反激式的拓扑结构。四档高压输出分别线性对应着四档基准电压。单片机根据用户需要，在四档基准电压之间进行切换，进而保证高压模块输出与基准电压对应高压直流电流源。对输出的电流、电压信号及时采样，形成电压反馈控制。图2-2 为高频高压开关稳压电源原理框图。

图 2-2 高频高压开关稳压电源原理框图

（2）分压电路：

分压电路由电阻分压电路构成。在高压作用于被测电阻时，为了使分压信号能够满足信号采集电路的采集范围，调整电阻使得模拟分压信号满足采集电路的采集要求。

（3）模拟信号采集与转换电路：

模拟信号采集电路对满足采集要求的分压信号及时进行数据采集，将数据送至转换电路。转换电路运用16 位的A/D 转换器对数据进行模拟/数字转换。转换后送至单片机进行计算处理。

（4）数据处理及模拟开关控制电路：

因为单片机具有工作功率低、执行速度快、抗干扰能力强等优点。所以此部分内容选用的是C8051F020单片机作为主控芯片，主要完成数据处理计算和存储，各软件模块函数的执行流程的控制。

第三章测试装置电路图及程序流程图

高压电源模块是本系统中非常的重要的一部分。在对电气设备进行绝缘电阻测试时，需要对被测电阻作用一个稳定的直流高压电源。因此，高压模块能否根据用户选择产生稳定的高压直流电源，是系统是否能够正常工作的关键所在。本文在高压电源设计模块采用的是单端反激式拓扑结构，这种结构电路构成简单，变压器体积小，功耗低等特点非常适合本系统。

单端反激式变换器是基于脉冲调制信号控制电路周期性导通和断开来工作的。变换器的线圈在一个周期的导通时间段内存储能量，在断开状态时向副边电路释放能量。所以能量在一个周期实现了电场-磁场-电场的转换。从变换器能量转换方式可以得知：适当的调整脉冲调制信号的占空比，从而控制电路的导通时间，就可以有效的控制副边电压输出值的大小。

图 3-1单端反激式变换器电路原理图

作为整个系统的功率输入和能量供给部分，工作电源电路将系统的交流220V或是直流+15V供电电压转换为系统需要的供电电压。图3-2给出系统电源的具体电路形式。为了减少体积，同时考虑到电流较小的因素，用一只单输出绕组的变压器对交流电进行整流变压，然后用三端稳压块7812 得12V 正电压，采用DC-DC模块，将12V电压转换成±12V、±5V 电源给系统各模块供电。当系统用+15V 直流电压供电时，只需将单刀双掷开关将直流电压导通即可。

图 3-2系统电源电路图

倍压整流电路在 1932 年提出，最初在核技术发展领域，为了得到更高的电 压值来模拟人工核反应。图3-3就是倍压电路的电路结构图。在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用此倍压整流电路。在这种倍压整流电路中的每个电容上的电压值都不会超过变压器次级绕组上最大电压输出值 U 的两倍，即 2U 。因此在此倍压整流电路中可以选用耐压级别比较低的电容。

图 3-3倍压整流电路

采用桥式电阻分压电路[8]，在桥式网络中施加测试电压，用电压传感器测量U1与U2的电压，经过调理电路和AD 转换，输入到单片机中计算出电压值。推导得出绝缘电阻Rx 的阻值：

2123123

x U R R R R U R R +=-

图 3-4桥式测量电路

由于试品可能因积累电荷而带电，故设计放电回路如图3-5

图 3-5放电回路

本测量装置主要以单片机作为本系统的核心，单片机主要完成数据采集和处理经过转换后的数字量信号，并且完成了键盘输入、液晶显示等功能。其总线路如图3-6所示。

图3-6绝缘电阻测试装置原理图

开始初始化

闭合K1，打

开定时器，

开始计时

T=15s?

AD0、AD2

采集数据是否

T=60s?AD0、

AD1、AD2

采集数据否

打开K1闭合K2开始

放电

放电结束打开K2

在LCD 屏幕上显示出来

计算体电阻计算吸收比

结束

图3-5 绝缘电阻和吸收比测量流程图

第四章结论

目前在许多电气设备测量工作中都要进行绝缘电阻值的测量，而所使用的测量仪器大多还是传统的兆欧表。这种半机械仪表由于读数和测量范围限制等其他的一些原因，很多时候不能达到高精度、高速率等现代化的测量标准。因此，会在电气设备绝缘电阻测量过程中埋下隐患，不仅得不到所需要的准确测量值，还会对人身安全和被测设备造成安全隐患。如果可以采用本设计的绝缘电阻测试装置，由于其高效率、高精度、易操作和安全性好，不但可以提高测量效率，还能减少安全事故发生的几率。随着工业控制的不断发展，对于电气设备的绝缘强度和电气安全性的要求会越来越高，由此对绝缘电阻测试装置的使用范围会越来越广泛，使用标准也会越来越严格。

参考文献

[1] 刘耀南.邱昌容.电气绝缘测试技术[M].机械工业出版社.1984.

[2] 张瑾编.电路设计与制板Protel 99SE[M].人民邮电出版社. 2009.

[3] 唐颖编.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京大学出版社. 2008.

[4] 傅元，鞠跃.绝缘电阻测试仪的高压电源设计[J].电子元器件应用,2009,11(5) :51-54.

[5] 周理.绝缘电阻测量——吸收比试验,上海第二工业大学学报,2004,No.2:60-65.