客车线缆绝缘耐压检测系统研制

莫 杨 上海铁路局合肥车辆段

1 设计原理

在外界激励电压作用下，通过介质或绝缘内部的电流主要由以下几部分构成：

1.1 电容电流/几何电流

因介质极化而产生，实际是以导体和外极（绝缘层）作为一对电极构成一个电器的电容电流，电容电流按指数规律随时间很快地衰减，一般在数毫秒时间内接近消失（如图1所示）。

图1 绝缘测试电流变化过程

1.2 吸收电流

这部分电流主要是由于绝缘介质内部偶极子在电场作用下发生转向极化（或称之为松弛极化）所产生的电流，它随着时间成负指数减小，但它比电容电流要慢得多，是一个绝缘体缓慢极化的过程，取决于绝缘体的结构、不均匀度以及电介质的性质。

1.3 泄露电流/电导电流

这是由于带电绝缘介质中存在的自由离子和导电杂质在电场作用下迁移所产生的。由电介质在直流电场中的导电率所决定的，是一个纯阻性电流。在电场强度不太高时符合欧姆定律，对应的电阻值是绝缘电阻的主要组成部分，是反映绝缘优劣的主要方面。因此，绝缘电阻就是指绝缘介质上施加的直流电压U与泄漏电流I之间的比值R＝U/I。

绝缘体具有上述绝缘电阻的特点，反映出了材料的材质优劣，以及材料随使用状态变化而发生老化变质等现象的产生，从而为绝缘耐压检测系统的研制提出了理论条件。根据GB5023.3标准要求，规定在接通电流1 min时读数，既保证了非泄漏电流大部分已消失，又使测量时间有了统一，使数值具有重复性和可比性。

2 系统实现

检测系统包含主控机和250路无线通断检测器，以及分布式50路无线通断检测器三种设备。主控机组成结构见图2。

图2 主控机的组成结构

2.1 绝缘测试

绝缘检测部分的核心为受控直流高压模块，产生用于线缆绝缘测试的高压激励信号。性能输出可调0～1 000 VDC，电流输出能力＞10 mA，兼容限流和短路保护功能。

其中，电源转换模块产生+24 VDC供直流升压器使用。同时，计算机系统通过程序控制输出0～5 V数字电压信号，控制直流升压器输出0～1 000 VDC。

采用直流升压器将电源转换器产生的24 VDC低电压转换成为1 000 VDC高压，为绝缘测试提供激励信号。器件选型：天津海声集团生产的DC高压模块。

2.2 耐压测试

耐压测试功能实现，由功放电源（M2-1）、功率放大器(M2-2)和升压变压器（M2-3）组成。由计算机系统控制D/A输出卡构成的程控波形发生器，通过程序控制输出幅值可变的50 HzAC信号，经过功率放大器放大，使得输出电流能力达到2 A，再经过升压变压器将电压从0升至最高2 500 VAC。

其中，子模块包括：

（1）程控波形发生器：由研祥集团的PC104单板电脑和研祥104-32MF数据采集卡的D/A输出口构成。考虑到设备故障等，为对板卡D/A输出口保护，其输出的模拟信号经光电耦合器与功放电路的输入口相连，使其不共地，组成隔离耦合电路。

（2）功放双极电源（M2-1）：从小余电子园采购成品应用。经主电源空气开关，火线和零线两个接线端子，由50 W的220 VAC转±18 VDC变压器、整流桥和滤波电容组成产生±24 VDC双极电源给功放电路供电。

（3）功率放大器（M2-2）：功放电路使用LM3886TF功放套件（单片可放大至65 W），将频率 50 Hz峰值范围为0～±5 V正弦波形信号放大至有效值为0～25 V AC的信号，电流输出能力达到2 A。

（4）升压变压器（M2-3）：把功放输出的频率 50 Hz，有效值为 0～25 VAC，电流输出能力达到2 A的正弦波形信号升压至0～2 500 VAC高压激励，电流输出能力＞10 mA。考虑到220 VAC电源电压波动等因素，变压器原副边匝数比留出1倍的余量为1：200；变压器功率为50 W，可耐压达4 000 VDC，此变压器从南京潘登（变压器）电气订做。

（5）自检和保护：由程控波形发生器配合采样电路实现对交流高压模块自检和保护。采样电路简图如图3所示。

图3 采样电路简图

Rx为线缆电阻，Ro为标准电阻0，R1为标准电阻 1，R2为标准电阻 2，Ri为激励内阻，Es为激励源电压。测得Ri内阻阻值，适当选取R1和R2电阻值（远大于线缆电阻最大值10 MΩ，达到不影响主回路的效果）使R1端电压峰值在5 V AC内并对其进行采样，在不进行绝缘耐压通断功能测试的情况下，据公式U1＝(R1×Es)/(R1+R2+Ri)可经程序计算出Es的激励源电压值是否达到要求，完成自检功能。

若电缆耐压条件达不到要求，出现击穿情况，线缆电阻Rx会小于其规定的最小值0.25 MΩ，则在被测线缆电阻<0.25 MΩ时，切断耐压功能切换继电器断开回路。实现保护功能。

2.3 功能切换和采样模块

功能切换模块根据计算机系统的控制信号来选择进行绝缘或者耐压测试以及选择需要检测的通道。功能切换模块具体包括：

2.3.1 继电器驱动模块

采用干簧式继电器GRL-1201*52，符合耐压、绝缘电阻要求并无漏电流，需要12 VDC驱动驱动电路采用芯片ULN2003A*8；功能是实现绝缘测试和耐压测试的转换。

2.3.2 检测回路模块

如图3所示，主要包括两个标准电阻R1（3 K）和R2（100 M），将R1两端的电压值通过D2和D3接口采样并发送至计算机系统进行计算。

2.3.3 通道选择及电压采样模块

主要包括52个继电器和一个标准电阻R0（300Ω），通过B50将外加高压激励加在继电器一端，另一端通过高压端子排并成一路输出至R0一端，另一端并联两个功能选择继电器，然后通过接口输出至高压模块。另外，采样回路的高压负极性端经过接口并在R0之后输出至高压模块。

其中R1＝3 KΩ，R2＝100 MΩ，R0＝300 Ω为标准电阻，Rx为线缆绝缘电阻，电阻值为0.25 MΩ～10 MΩ，检测回路分流为主回路的十分之一（注意：Ri为内阻，忽略不计）。

检测回路的作用为消除干扰。

当没有检测回路时Rx＝Es×R0/u0-R0；有检测回路时Rx＝u1×R0×(R1+R2)/(R1×u0)-R0，由于Es的波动范围比较大，所以有检测回路时Rx的值比较稳定，可以消除由Es波动而引起的干扰。

2.4 计算机系统模块

计算机系统模块功能：实现整个系统的软件部分，对线缆绝缘耐压通断特性的检测控制、数据采集处理和故障诊断分析，实现数据记录、存储、查阅，接口通讯，人机交互等。

计算机系统模块组成包括：

（1）研祥PC104主板、40G数据存储硬盘：研祥PC104主板采用型号EPIC单板电脑EC4-1712CLDNA，可运行XP系统，并附带相关接口。性能规格：处理器：支持ULV Celeron-M 600～1.0 GHz/Pentium-M1.4 G CPU；芯片组：Intel852GM+ICH4；内存：板载512MB DDR内存；在板视频：支持VGA、LVDS双显；在板LAN：1个10/100 Mbps以太网控制器；IDE控制器：1个44 Pin IDE接口，支持2个IDE设备；I/O接口：4个USB2.0接口，1个并口，1个PS/2鼠标/键盘接口，1个RS-232，1 个 RS-232/422/485，固态盘接口：1个CompactFlash接口；看门狗：256级，可编程秒/分，超时中断或系统复位；硬件监测：监测CPU温度、电压、风扇速度；扩展总线：PC/104-Plus扩展总线；电源：+5V 供电，支持 AT／ATX 电源；可扩展工作温度：-40℃～75℃；相对湿度：5%～90%，非凝结；功耗：典型功耗12W（ULV Celeron-M 600 CPU，512内

存）。

（2）研祥104-32MF数据采集卡：104-32MF 是一款集 AD、DA、DI、DO 于一体的功能超强PC104总线多功能数据采集卡，该卡提供了32路单端/16路差分的模拟量输入通道、8路模拟量输出通道和24路可编程DIO通道，有16 bit的高分辨率、250 kHz的高采样率以及集成多功能。

（3）研祥 104-96IO 卡：104-96IO 是一款PC104总线的数字量卡，为用户提供了可编程的96个TTL标准的输入／输出数字信号通道。适合于多数字量接口需求的用户现场。

（4）触摸显示屏：触摸屏显示器选北京研信通科技有限公司的12.1"嵌入式平板显示器YXT350-121。

3 试验结果

本设备在25T DC600 V型车辆上进行了实际测试。

3.1 设备外观

整机结构紧凑，界面友好，操作简单，符合现场使用要求。

3.2 绝缘测试

试验过程中，采用直流电压从0 V缓慢增加到1 000 V，并检测绝缘电阻的最小值。对比试验采用摇表对同一测试对象进行检测，并与本设备的检测结果进行对比。测试结果见表1。

表1 绝缘测试结果

测试结论：该分布式线缆检测系统能够通过程序自动控制，产生0～1 000 V DC之间的激励电压，并正确检测出多路线缆之间、线缆对地之间绝缘电阻，测试绝缘值精度较高，功能原理上满足了使用要求。

3.3 耐压测试

试验过程中，采用交流电压从0 V缓慢增加到2 500 VAC（根据实际的工况要求，改为 0～1 500 VAC），并检测漏电流的最大值。测试结果见表2。

表2 耐压测试结果

测试结论：该分布式线缆检测系统能够通过程序自动控制，产生0～2 500 VAC之间的激励电压，并正确检测出多路线缆之间、线缆对地之间漏电流，以及判断出耐压状态，功能原理上满足了使用要求。

必须指出：

（1）在进行绝缘与耐压测试时应把车上各回路的具有半导体元器件的在线设备与配线分离，避免高压击穿元器件。

（2）本系统测得的是各配线的综合绝缘阻值，是作为快速处理配线绝缘故障的参考。