电线电缆直流长时绝缘阻抗测试仪的研制

李向男，王会永，邢 力，于钦先，郑海鹏，王 彬，包大勇

(1．山东检验检疫技术中心，山东 青岛 266002;2．青岛欧盛电子科技有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

电线电缆直流长时绝缘阻抗［1］是 IEC 60227-5:2011《额定电压450 V/750 V及以下聚氯乙烯绝缘电缆第5部分:软电缆(软线)》中，针对户内装饰照明回路用软线的新增试验项目。而国内现行有效的检测标准 GB/T 5023．5-2008 等同采用 IEC 60227-5:2003，标准中无直流长时绝缘阻抗的相关要求。因此，研制电线电缆直流长时绝缘阻抗测试仪具有重要的现实意义。

户内装饰照明回路用软线［2］主要用于户内装饰照明设备供电。为防止在长时间工作下的绝缘击穿、绝缘表面破损等可能引起电击和火灾的情况，户内装饰照明设备的回路用线应具备长时间工作下不易发生电击穿的特性。

1 测试方法分析

IEC 60227-5:2011规定的测试方法为:从去掉外护层的电线上取长度为5 m的试样。将电线浸入浓度为10 g/L、温度为(60±5)℃的NaCl溶液，电线两端留在溶液外的长度约为250 mm。将220 V的直流电负极连接到试样的导体上，正极连接到一个浸入溶液的铜电极，测试时间为240 h。测试过程中，绝缘不发生击穿。测试结束后，电线外表面无破损痕迹，绝缘的变色可以忽略。

根据IEC 60060-1:1989《高电压试验技术第1部分:一般定义和技术要求》第4章，对于高压试验结果的评定为:“试样在施加相应规定的试验电压和持续时间内，无任何闪络放电，或者试验回路电流不随时间而增大，则应认为试样通过直流电压试验。如果在试验期间内出现电流急剧增加，甚至直流高压发生器线路的开关跳闸，且试样不可能再次耐受同样的试验电压，则认为试样已击穿。”根据IEC 60227-5:2011对直流长时绝缘阻抗测试方法的描述，本试验的最终结果应按IEC 60060-1:1989第4章的试验结果评定方法进行判定。

电介质理论研究和实际应用表明［3］:绝缘介质的泄漏电流是随温度的变化而变化的，绝缘材料中的杂质离子会随温度的升高加快运动速度，使泄漏电流增大，绝缘性能降低。根据IEC 60227-5:2011第4．5节的规定，户内装饰照明回路用软线在70℃时要求的最小绝缘电阻为0．012 MΩ·km。根据试验方法换算后，符合要求的软线在70℃时的最大允许泄漏电流约为0.25 mA，而直流长时绝缘阻抗的试验温度为60℃。因此，进行直流长时绝缘阻抗试验时，符合要求的软线泄漏电流不会超过0．25 mA。同时，考虑到进行直流长时绝缘阻抗试验时，试样是浸泡在Nacl溶液中，一旦绝缘发生击穿，泄漏电流会成几何倍数迅速激增。因此，本文将泄漏电流的最大限值确定为10 mA。一旦超过该电流，测试仪会报警并切断电源。

2 测试仪的设计与实现

2．1 测试仪的基本原理及构成

电线电缆直流长时绝缘阻抗测试仪主要由测试控制部分和人机交互部分组成，具体构成模块如图1所示。

基于可靠性的考虑，测试仪采用嵌入式单片机控制系统。数字波形发生器产生的正弦波经过二阶有源滤波器产生正弦波，经过高保真的线性功放及高压变换，可输出同样标准的正弦波高压。交流高压经半波整流后输出直流电压。

图1 测试仪主要构成模块示意图Fig．1 Main component module of tester

系统采用测量电路与控制电路一体的嵌入式单片机系统。数模转换模块的主要作用是将数字信号转换为模拟信号。线性功放将模拟信号放大，输出标准的正弦波高压。高压整流模块将交流电压整流为测试用的直流电压。电参数采样模块将采样信号经过运算放大器放大，输送到单片机进行处理;经显示及按键扫描，可编程接口与单片机建立联系，并发出或接收相应指令。

2．2 测试仪的设计与实现

2．2．1 基于STM32单片机的最小系统设计

本文采用的单片机型号为STM32F103VET6。高频的STM32处理器能够确保系统处理信号的时效性和信号输出的快速性［4］。单片机芯片配以必要的外部器件，如供电电源及电源开关、晶振、复位电路、输入输出电 路 等 构 成 最 小 系 统［5-6］。本 文 基 于STM32F103VET6所设计的最小系统为测试控制的核心部分。本文采用8 MB外部晶振，晶振两端连接12 pF电容作为晶振的启动电容，连接8 MB的晶振电容容量为30 pF。

复位电路如图2所示。

图2 复位电路Fig．2 Reset circuit

R39为100 kΩ，连接电阻的选取没有固定的要求。C49为滤波电容，采用104电容，以滤除系统脉冲，保护最小系统的正常工作。

为了实现单片机的正常工作，需要为单片机提供稳定的供电电源。本文使用LM1117线性稳压芯片为单片机提供稳定的+3．3 V电源。通常供电电源都有小幅波动，本文采用大电容来滤除电源波动。

2．2．2 测试仪供电电源

本文电源电路输出 ±12 VDC，采用 LM7812和LM7912三端稳压集成电路实现。LM7812和LM7912适用于各种电源稳压电路，输出稳定性好、外围电路简单、保护功能完善［7］。LM7805稳压集成电路输出+5 V电压，为测试仪可靠供电。

2．2．3 数模转换及信号放大

数模转换模块的主要作用是将数字信号转换为模拟信号。采用DAC0800LCM芯片，把数字信号转换成模拟信号的正弦波。DAC0800芯片［8］不需要程序转换，只需按查找表方法查找数据，周期性赋值，容错率高，经过二阶有源滤波器可产生正弦波，输入到线性功放。

功率放大器［9］是输出信号幅度与输入信号幅度成正比的放大器，可以将输入信号放大到需要功率电平。本文采用线性放大型功放电路，解决了困扰自耦调节及脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)功放的问题，实现了智能化控制、无触点升压、输出波形失真度小、无尖峰毛刺，较大地提高了测试的可信度。

2．2．4 直流耐压高压输出及采样电路

数字波形发生器产生的正弦波经过线性功放输出到升压器的初级，经过升压器的高压变换输出正弦波高压。正弦波高压经整流滤波后输出直流高压。

在高压输出端进行耐压采样，采样电路如图3所示。

图3 采样电路Fig．3 Sampling circuit

高压输出的HVOUT经过R63和R60到地，在2个电阻之间VF为耐压电压的采样点。在回路端RET选取AF为采样点，经过采样电阻R64进行绝缘阻抗采样。采样信号经过运算放大器，输送到单片机进行处理。

2．2．5 继电器控制板

继电器控制板用于切换多路直流耐压，可以满足多路同时测量的要求。选择STC15F2K60S2单片机来控制继电器工作。STC15F2K60S2单片机［10］是增强型8051单片机。与传统51型单片机相比，该单片机内核速度提升7～12倍，内部RAM达到2 KB;新增一个16位自动重载定时器，可实现时钟输出;串口波特率设置也更加灵活，每个通用I/O口驱动能力均可达到20 mA。该单片机还具有宽电压，不怕电源抖动，内部集成高可靠复位电路和高精度R/C时钟电路，并且拥有超低功耗。

本文使用了2个达林顿晶体管阵列ULN2004来控制6组12个继电器驱动。其中所用到的+24 V电压变压器经整流桥后滤波得到，+5 V电压由78M05三端稳压器电路输出。在单片机TXD和RXD两端口，分别增加光耦进行电路隔离，使电信号单向传输，抗干扰能力强。

2．2．6 其他功能及电路设计

按键电路采用74HC573锁存器连接10 kΩ电阻检测按键情况。当按键按下后，输出电平是低电平0;当按键抬起后，输出电压是高电平3．3 V。每一路按键都用一个电容来消除按键抖动，使按键电路更加稳定。同时，使用三极管5551作为开关，用于控制合格、不合格指示灯和报警器。

显示器选用1602M-02-3V3(蓝膜)型LCD液晶显示器。该LCD液晶显示器具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点［11］。单片机控制LCD液晶显示电路经过2个74HC573锁存器，分别控制LCD液晶的控制端和数据传输。

存储电路主要用于存储各种测试的设定值。采用24C04存储芯片。24C04是Atmel公司的一款I2C串行EEPROM［12］。与传统的EEPROM相比，24C04具有使用寿命长、读写速度快的优点。

本文设计开发的测试仪具有遥控功能。遥控电路主要用于安全测试，可由测试人员远距离控制测试的启停。

3 试验测试

直流长时绝缘阻抗测试仪经校准合格后，对户内装饰照明用软线(型号为60227 IEC43，1×0．75 mm2)进行了测试。试样长度为5 m。试样制备时，未损坏绝缘。将试样置于水浴箱内。水浴箱内盛有浓度为10 g/L、温度为60℃的NaCl溶液。试样两端留在溶液外的长度为250 mm。将220 V的直流电的负极连接到试样的导体上，正极连接到浸入溶液的铜电极上，通过测试仪施加220 V直流电压，测试时间为240 h。在规定的电压下和持续时间内，测试仪工作正常;试样无任何闪络放电，泄漏电流稳定，测试仪未报警。由此证明，试验通过。

4 结束语

本文研制了电线电缆直流长时绝缘阻抗测试仪。该测试仪采用嵌入式单片机控制，数字波形发生器产生的正弦波经过二阶有源滤波器产生标准正弦波，经过高保真的线性功放及高压变换，输出同样标准的正弦波高压，交流高压经半波整流后输出直流电压。测试仪具有体积小、结构简单、测量精度高的特点，以及遥控启停和多路测试的功能。采用测试仪，对户内装饰照明用软线进行了试验测试。测试结果表明，该测试仪能满足相关标准要求，可有效测试电线电缆长时直流阻抗。