智能化绝缘检测系统的设计

张宁

（商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘476000）

电子设备在运行过程中，由于环境、故障或者误操作等原因，会发生过电压现象。有些设备甚至在其正常工作状态中，包括瞬时的高压脉冲也会发生过电压现象。为保证设备的稳定运行，必须按照高电压试验规范，对这些电子设备和构成电子设备的电子元器件进行绝缘性能评估。

笔者针对电子设备高电压试验的实际需求，结合电力电子技术和计算机控制技术，对智能化电子设备绝缘检测系统进行设计与分析。

1 系统概述

智能化电子设备绝缘检测系统采用ATmega16单片机作为主控芯片。其最小系统包括：1）5 V工作电源；2）电容电感串连构成的带延时硬件复位电路；3）16 M外部有源时钟；4）6线JTAG在线仿真接口。ATmega16单片机强大的运算处理能力和丰富的片上集成功能，使其能满足智能化电子设备绝缘检测系统几乎所有的功能需求。为绝缘检测系统提供算法支持，对整个绝缘检测过程进行监控。

本系统设计的主控模块与系统其他功能模块的连接关系，其中高压直流生成模块沿用开关电源设计思路，采用交－直－交－直方式，最终输出试验所需的直流高电压。该模块包括以下几个子模块：1）PWM 波发生器；2） 光电隔离；3）MOS管驱动；4）半桥逆变电路；5）脉冲变压器；6）倍压整流电路。如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Structure of system

相比于传统电力工程中的高电压试验，针对电子设备及元器件的高电压试验有其自身的特点：1）测试电压相对较低，基本在3 kV以下；2）由于电子设备及元器件本身的高敏感度，测试精度要求更高；3）由于电子设备本身结构的复杂性，对测试设备的智能化要求更高。

2 系统结构及其实现

绝缘检测系统主要的工作流程如图2所示。

通过外接键盘，对绝缘测试的各参数，包括上限电压、击穿电流和升压步长等进行设置。经由键盘扫描程序，将设定值存储于相关寄存器，供主程序调用及处理。

各初始化参数、当前工作状态及试验结果等，经由显示程序，直观地显示于外部LCM，使操作者适时掌握试验状态。系统中PWM波发生器由ATmega16片上自带的两路8位PWM波发生器构成，通过对单片机编程，可以设定其生成的PWM波的频率、脉宽和相位等参数。光电隔离模块将单片机5 V控制信号转换位波形相同的15 V驱动信号，经由专用MOS管驱动芯片，当设定占空比为16%，外界3 V直流逆变源，两路互锁MOS管驱动信号波形如图3所示。

图2 系统流程图Fig.2 Flow chart of system

图3 两路MOS管信号Fig.3 Signal of two MOS

它对逆变电桥进行控制，生成高频脉冲交流源，输入到脉冲变压器原边。变压器原边输入波形如图4所示。

图4 变压器原边输入波形Fig.4 Waveform of transformer primary side input

脉冲变压器副边输出幅值较高的脉冲交流电压，经倍压整流电路整流滤波，可得稳定性很高的直流高压电源。如图5所示。

图5 五倍压整流滤波的输出波形Fig.5 Waveform of the voltage rectifier five timesoutput

传统绝缘测试系统大多采用传感器作为数据采集的前端，使得采样精度受到传感器本身参数的限制，采样误差中不可避免地包含传感器本身的测试误差。

本系统直接采用ADC公司的高性能仪表运算放大器作为采样环节，省去了传感器环节。将待测件与小阻值精密电阻串连，采用ADI公司高性能仪表运算放大器取样精密电阻两端的分压值，输入到ATmega16片上自带的10位精度A/D转换器中，可算得测试回路的漏电流值。进而算出在当前电压值下的绝缘电阻值。主控芯片可依据数据采集模块的输出结果，判断待测件是否已经击穿，并以此作为反馈，构成闭环，提高电源生成模块的稳定性和可控性。

在非破坏性试验中，保护电路主要对待测件起到保护作用；在破坏性试验中，该电路主要对测试系统本身起到保护作用。当绝缘击穿发生时，主控芯片经用采样电路获得反馈，断开低压直流逆变源，使得倍压整流模块失去能量供给，仅由电容存储的能量进行放电。串连于测试回路功率电阻则在测试件绝缘电阻骤减时起到限流的作用，对测试件及系统本身进行保护。

3 结束语

根据上述设计方案，搭建实际绝缘测试系统，对多种电子设备进行绝缘评估试验，具体指标为：

1）主控芯片工作主频16 MHz，逆变电路工作频率32 kHz；

2）输出电压可以在10～100 V和100～2 000 V两个量程之间连续可调；

3）输出电流 0～10 μA；

4）电流采样分辨率 0.5 μA；

升压过程中，系统输出电压变化速率可调，波形平稳。测试过程中，采样频率高，响应时间快。击穿发生时，能迅速触发保护。人机界面友好，自动化程度高。自带通讯接口，与上位机通讯稳定，拓展性好，智能化程度高。

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