一种滑动式绝缘操作杆绝缘电阻测试仪的研究

包益能 杨俊飞 蒋超俊 严程峰 刘锦雁 李冰涛 邹静

(1.国网浙江松阳县供电公司， 浙江 松阳 323400； 2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

电气设备预防性实验是保障电力系统安全运行和维护工作的重要研究项目[1]，绝缘诊断是检测电气设备绝缘缺陷或故障的重要手段。绝缘操作杆的绝缘性能检测是工作人员在进行带电操作时人身安全的保障。带电作业前，必须对绝缘杆进行绝缘性能测试，只有测试合格之后才可以进行带电作业。

绝缘电阻值能灵敏地反映绝缘状况，能有效地检测设备普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性缺陷[2]。通过绝缘电阻值，可以判断绝缘杆的绝缘性能。目前，绝缘杆的绝缘电阻测量方法主要分为圆环测量电极法和卡槽测量电极法。这两种测量方法均是通过测量电极之间操作杆的绝缘电阻值，来判断环间绝缘操作杆表面绝缘性能是否符合要求。但是工程实践中，绝缘杆表面某一位置发生的绝缘劣化不会引起绝缘操作杆整体绝缘电阻的下降，因而判断结果并不精确。为了使电阻值能够准确反映绝缘杆表面每一处的绝缘性能，采用圆环测量电极法时需要操作人员将绝缘杆沿着环形测量电极的平面法向量方向进行移动。采用卡槽测量电极法时，其中的卡槽约为120°夹角，绝缘杆表面与卡槽的接触面积并未覆盖绝缘杆整个表面，测量中操作人员需要转动绝缘杆实现对绝缘杆准确的绝缘检测。但是操作人员对绝缘杆进行平移或者转动测量，会在测量电极与绝缘操作杆之间产生摩擦损耗，大大减少了绝缘杆及测量电极的使用寿命，同时人为移动绝缘杆，单位次数绝缘杆的水平移动长度以及旋转的角度，均难以形成一套客观的操作标准，最终导致测量的精度与可靠性受到影响。

为了解决以上问题，我们设计了一种滑动式绝缘操作杆绝缘电阻测试仪。应用该测试仪，可通过检测两电极之间的绝缘电阻来判断绝缘杆全表面的绝缘性能，提高绝缘杆绝缘性能检测的效率和精确度。

1 电阻测试仪的测试原理

绝缘电阻是指用绝缘材料隔开的两个导体间的直流电阻，是两导体间的直流电压与泄漏电流之比[3]。根据绝缘电阻的定义，绝缘杆的绝缘电阻是绝缘杆上所加的电压与流经绝缘杆的泄漏电流的比值。

当对绝缘层施加电压后，流经绝缘内部的电流有4种[4]：充电电流，由介质极化而产生，按指数规律随时间变化，一般在数毫秒内接近消失；不可逆吸收电流，因绝缘材料中的电解电导而产生，在数秒内衰减至零；可逆吸收电流，是绝缘材料的位移电流，在施加电压的瞬间达到最大值，然后趋向位移稳定，经数分钟后趋于消失；泄漏电流，是由绝缘材料中的自由离子及混入的导电杂质所产生，与电压施加时间无关，在电场强度不高时符合欧姆定律。

以上4种电流中，只有对应于恒定的泄漏电流的电阻才是体积绝缘电阻。在本设计中，将直流电压加于绝缘操作杆，经过一定时间，极化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻即为绝缘杆的绝缘电阻。两测量电极之间的绝缘电阻，可反映出该段绝缘杆全表面绝缘特性。绝缘电阻测量电路见图1。

图1 绝缘电阻测量电路

令电阻器R2两端的电压为UR2，电容器C2两端电压为UC2；电容器C1是为了防止高频干扰而增加的，其电容值很小，所以在低频测量时容抗值很大，相当于两端开路。电容器C2是导线两端的寄生电容器，由传输电路理论可知，其数值达到皮法级。由于测量是在低频下进行，所以电容器C2的容抗值很大，因此等效于两端开路。采用电路理论结点电压法对绝缘电阻测量电路进行分析，可得式(1)：

(1)

求解式(1)，得到待测绝缘电阻Rx的表达式：

(2)

测量可得UC2，则：

UC2=Ix(R4+Rx)

(3)

式(2)中Ix为绝缘杆漏电流。将式(3)带入式(2)，可得绝缘电阻Rx的表达式：

(4)

若式(4)中，R1=R2=R3=R4=R，同时由绝缘材料的特性可知，漏电流Ix数量级远远小于R并趋近于0，则5IxR≤U0，式(4)可近似处理为：

(5)

2 电阻测试仪的硬件及软件构成

本次设计的滑动式绝缘操作杆绝缘电阻测试仪具有以下功能：

(1) 可以一人单手进行操作；

(2) 通过LCD显示器精确显示测量结果；

(3) 具有低电阻报警功能，报警值可以自主定义，初始值为700 MΩ。

其测试条件为：

(1) 测试电压为2 500 V；

(2) 准确度等级达20.0级；

(3) 环境温度为20 ℃；

(4) 电压为12 V， 3节3.7 V的18650充电电池供电；

(5) 测试电阻范围为200 ～ 2 000 MΩ。

2.1 硬件构成

测试仪功能模块主要包括高压产生模块、电流采集模块、数据处理模块等。 电阻测试仪硬件构成见图2。其中，电池为测试仪供电；稳压电源为控制电路供电；高压发生器产生高压；电极与绝缘杆形成测试负载回路；电流采样把模拟量转换为数字量；单片机通过按键接收工作指令，通过LED和显示器输出状态及测试值，并控制高压发生器工作。

图2 测试仪硬件构成

测试仪的高压产生模块提供测试所需直流电压，其工作流程见图3。其中，单片机可通过二极管输出高电平关断高压产生电路的电源，输出低电平打开高压产生电路的电源；通过电压比较器产生的电压差，自动调整三极管Q1的基极电流；三极管Q1输出的集电极电流输入到Q2的基极，控制三极管Q2的导通时间，从而控制变压器T1的输出高压大小，通过稳压电路实现稳压。

图3 高压产生模块工作流程

测试仪施加在绝缘杆局部的电压，在绝缘杆表面产生泄漏电流。设计如图4所示电流采集模块，可测试绝缘杆的泄漏电流，通过计算模块可得到绝缘杆的绝缘电阻。其中，数模(AD)转换器采用TLC7135AD，是高精度4位CMOS双积分型AD转换器，具有较强的抗干扰能力，面对温度变化时稳定性较高。模拟电流信号输入到AD转换器后，其输出信号为数字信号，最后通过单片机编程计算得到电流信号与电压信号。

图4 电流采集模块

稳压电源模块为测试仪控制模块供电，采用开关式降压稳压电路，将电源输入VDD降到VCC，供单片机和LCD使用。测试仪电源电路如图5所示，采用芯片MP2359及电感、电阻、二极管、电容等外部器件构成完整的降压DCDC转换器。

图5 测试仪电源电路

LED指示与蜂鸣电路是测试仪指示与报警装置，其设计电路如图6所示。其中，U2为串行输入转并行输出IC的74HC595芯片，U2的串行接口接MCU，节省了MCU的IO口数。LS1为有源蜂鸣器，当被测电阻值低于设定电阻值时可蜂鸣报警。借助74HC595芯片将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，完成LED指示和蜂鸣器设计。

图7所示为测试仪显示电路。该电路用于显示数据计算模块计算得到的绝缘电阻，其中P2为YB12232ZB液晶显示器，LCD采用122×32的点阵式液晶，自带汉字字库，界面更友好，节省MCU的ROM资源。

2.2 软件设计

测试仪主程序由硬件初始化部分、数据采集部分、数据计算处理部分等组成。测试仪主程序的总体流程见图8。

(1) 初始化部分。在前端装置上电之后，首先要对系统的硬件电路进行初始化设置，包括硬件电路的IO端口配置，控制字的功能设置，特殊功能寄存器和存储器的分配，电流传感器初始化，以及各种模块初始化等。

图7 测试仪显示电路

(2) 数据采集部分。负责完成各项原始数据的采集。

(3) 数据计算处理部分。负责对采集到的数据进行分析和处理，得到使用者所需的有用参数。

图8 测试仪主程序流程图

系统程序的初始化对整个系统的稳定运行起着至关重要的作用，主要是指硬件初始化(寄存器端口、定时器和模数转换器等配置)。初始化后，接着启动看门狗电路。在数据采集发送过程中，需要进行ADC使能，对采集数据进行转换和打包。在嵌入式系统实际运行过程中，系统可能需要随时调整，故增加了设置功能。

此软件系统可以称为超循环系统，即应用程序是一个无限循环，在循环中调用相应的功能子程序来完成相应的操作，中断服务程序处理异步事件。

3 实验数据分析

对绝缘电阻测试仪的性能进行实验测试。使用实验室的绝缘电阻测试仪测量标称电阻值为300～2 100 MΩ的7个绝缘杆电阻，再用本次设计的滑动式测试仪测量同一电阻，记录2组测试值(见表1)。同时对测试仪报警功能进行测试，当测试仪测得绝缘电阻小于700 MΩ时，测试仪开始报警。

表1 绝缘电阻测试对比结果

根据对比结果，得出以下结论：

(1) 本测试仪的测量结果与实验室测试仪测量结果的偏差在±5%以内，精度较高。

(2) 当绝缘电阻低于700 MΩ时，测试仪蜂鸣器开始报警，精确度较高。

(3) 测试仪测量结果可以反映绝缘杆全表面的绝缘电阻。

4 结 语

针对目前绝缘操作杆绝缘电阻测试方法的不足，设计了一种滑动式绝缘杆绝缘电阻测试仪。该测试仪通过V型槽电极向绝缘杆施加直流电压，可检测绝缘杆全表面绝缘性能，滑动测试仪可测量绝缘杆每个点的绝缘电阻，有效地避免了移动绝缘杆导致的绝缘杆损坏和测量误差。实验对比结果显示，该测试仪能够有效测量绝缘杆绝缘电阻，测量精度与灵敏度较高，可以直观判断绝缘操作杆的绝缘性能，操作简便，测量效率高。

[1] 中华人民共和国电力工业部.电力设备预防性试验规程[S].北京：中国电力出版社, 1997：1-5.

[2] 李健.绝缘电阻测试仪的设计[D].大连：大连理工大学, 2006：1-20.

[3] 雷银照.电磁场[M].北京：高等教育出版社，2010：10-20.

[4] 杨鹏, 郭世明.便携式绝缘电阻测试仪用高压直流电源设计[J].电源技术应用, 2003(10):37-39.