莫 楊 上海鐵路局合肥車輛段

1 設(shè)計(jì)原理

在外界激勵(lì)電壓作用下，通過介質(zhì)或絕緣內(nèi)部的電流主要由以下幾部分構(gòu)成：

1.1 電容電流/幾何電流

因介質(zhì)極化而產(chǎn)生，實(shí)際是以導(dǎo)體和外極（絕緣層）作為一對(duì)電極構(gòu)成一個(gè)電器的電容電流，電容電流按指數(shù)規(guī)律隨時(shí)間很快地衰減，一般在數(shù)毫秒時(shí)間內(nèi)接近消失（如圖1所示）。

圖1 絕緣測(cè)試電流變化過程

1.2 吸收電流

這部分電流主要是由于絕緣介質(zhì)內(nèi)部偶極子在電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向極化（或稱之為松弛極化）所產(chǎn)生的電流，它隨著時(shí)間成負(fù)指數(shù)減小，但它比電容電流要慢得多，是一個(gè)絕緣體緩慢極化的過程，取決于絕緣體的結(jié)構(gòu)、不均勻度以及電介質(zhì)的性質(zhì)。

1.3 泄露電流/電導(dǎo)電流

這是由于帶電絕緣介質(zhì)中存在的自由離子和導(dǎo)電雜質(zhì)在電場(chǎng)作用下遷移所產(chǎn)生的。由電介質(zhì)在直流電場(chǎng)中的導(dǎo)電率所決定的，是一個(gè)純阻性電流。在電場(chǎng)強(qiáng)度不太高時(shí)符合歐姆定律，對(duì)應(yīng)的電阻值是絕緣電阻的主要組成部分，是反映絕緣優(yōu)劣的主要方面。因此，絕緣電阻就是指絕緣介質(zhì)上施加的直流電壓U與泄漏電流I之間的比值R＝U/I。

絕緣體具有上述絕緣電阻的特點(diǎn)，反映出了材料的材質(zhì)優(yōu)劣，以及材料隨使用狀態(tài)變化而發(fā)生老化變質(zhì)等現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而為絕緣耐壓檢測(cè)系統(tǒng)的研制提出了理論條件。根據(jù)GB5023.3標(biāo)準(zhǔn)要求，規(guī)定在接通電流1 min時(shí)讀數(shù)，既保證了非泄漏電流大部分已消失，又使測(cè)量時(shí)間有了統(tǒng)一，使數(shù)值具有重復(fù)性和可比性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)系統(tǒng)包含主控機(jī)和250路無(wú)線通斷檢測(cè)器，以及分布式50路無(wú)線通斷檢測(cè)器三種設(shè)備。主控機(jī)組成結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 主控機(jī)的組成結(jié)構(gòu)

2.1 絕緣測(cè)試

絕緣檢測(cè)部分的核心為受控直流高壓模塊，產(chǎn)生用于線纜絕緣測(cè)試的高壓激勵(lì)信號(hào)。性能輸出可調(diào)0～1 000 VDC，電流輸出能力＞10 mA，兼容限流和短路保護(hù)功能。

其中，電源轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生+24 VDC供直流升壓器使用。同時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過程序控制輸出0～5 V數(shù)字電壓信號(hào)，控制直流升壓器輸出0～1 000 VDC。

采用直流升壓器將電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的24 VDC低電壓轉(zhuǎn)換成為1 000 VDC高壓，為絕緣測(cè)試提供激勵(lì)信號(hào)。器件選型：天津海聲集團(tuán)生產(chǎn)的DC高壓模塊。

2.2 耐壓測(cè)試

耐壓測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)，由功放電源（M2-1）、功率放大器(M2-2)和升壓變壓器（M2-3）組成。由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制D/A輸出卡構(gòu)成的程控波形發(fā)生器，通過程序控制輸出幅值可變的50 HzAC信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大，使得輸出電流能力達(dá)到2 A，再經(jīng)過升壓變壓器將電壓從0升至最高2 500 VAC。

其中，子模塊包括：

（1）程控波形發(fā)生器：由研祥集團(tuán)的PC104單板電腦和研祥104-32MF數(shù)據(jù)采集卡的D/A輸出口構(gòu)成。考慮到設(shè)備故障等，為對(duì)板卡D/A輸出口保護(hù)，其輸出的模擬信號(hào)經(jīng)光電耦合器與功放電路的輸入口相連，使其不共地，組成隔離耦合電路。

（2）功放雙極電源（M2-1）：從小余電子園采購(gòu)成品應(yīng)用。經(jīng)主電源空氣開關(guān)，火線和零線兩個(gè)接線端子，由50 W的220 VAC轉(zhuǎn)±18 VDC變壓器、整流橋和濾波電容組成產(chǎn)生±24 VDC雙極電源給功放電路供電。

（3）功率放大器（M2-2）：功放電路使用LM3886TF功放套件（單片可放大至65 W），將頻率 50 Hz峰值范圍為0～±5 V正弦波形信號(hào)放大至有效值為0～25 V AC的信號(hào)，電流輸出能力達(dá)到2 A。

（4）升壓變壓器（M2-3）：把功放輸出的頻率 50 Hz，有效值為 0～25 VAC，電流輸出能力達(dá)到2 A的正弦波形信號(hào)升壓至0～2 500 VAC高壓激勵(lì)，電流輸出能力＞10 mA?？紤]到220 VAC電源電壓波動(dòng)等因素，變壓器原副邊匝數(shù)比留出1倍的余量為1：200；變壓器功率為50 W，可耐壓達(dá)4 000 VDC，此變壓器從南京潘登（變壓器）電氣訂做。

（5）自檢和保護(hù)：由程控波形發(fā)生器配合采樣電路實(shí)現(xiàn)對(duì)交流高壓模塊自檢和保護(hù)。采樣電路簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 采樣電路簡(jiǎn)圖

Rx為線纜電阻，Ro為標(biāo)準(zhǔn)電阻0，R1為標(biāo)準(zhǔn)電阻 1，R2為標(biāo)準(zhǔn)電阻 2，Ri為激勵(lì)內(nèi)阻，Es為激勵(lì)源電壓。測(cè)得Ri內(nèi)阻阻值，適當(dāng)選取R1和R2電阻值（遠(yuǎn)大于線纜電阻最大值10 MΩ，達(dá)到不影響主回路的效果）使R1端電壓峰值在5 V AC內(nèi)并對(duì)其進(jìn)行采樣，在不進(jìn)行絕緣耐壓通斷功能測(cè)試的情況下，據(jù)公式U1＝(R1×Es)/(R1+R2+Ri)可經(jīng)程序計(jì)算出Es的激勵(lì)源電壓值是否達(dá)到要求，完成自檢功能。

若電纜耐壓條件達(dá)不到要求，出現(xiàn)擊穿情況，線纜電阻Rx會(huì)小于其規(guī)定的最小值0.25 MΩ，則在被測(cè)線纜電阻<0.25 MΩ時(shí)，切斷耐壓功能切換繼電器斷開回路。實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

2.3 功能切換和采樣模塊

功能切換模塊根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)來(lái)選擇進(jìn)行絕緣或者耐壓測(cè)試以及選擇需要檢測(cè)的通道。功能切換模塊具體包括：

2.3.1 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

采用干簧式繼電器GRL-1201*52，符合耐壓、絕緣電阻要求并無(wú)漏電流，需要12 VDC驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路采用芯片ULN2003A*8；功能是實(shí)現(xiàn)絕緣測(cè)試和耐壓測(cè)試的轉(zhuǎn)換。

2.3.2 檢測(cè)回路模塊

如圖3所示，主要包括兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R1（3 K）和R2（100 M），將R1兩端的電壓值通過D2和D3接口采樣并發(fā)送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3 通道選擇及電壓采樣模塊

主要包括52個(gè)繼電器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻R0（300Ω），通過B50將外加高壓激勵(lì)加在繼電器一端，另一端通過高壓端子排并成一路輸出至R0一端，另一端并聯(lián)兩個(gè)功能選擇繼電器，然后通過接口輸出至高壓模塊。另外，采樣回路的高壓負(fù)極性端經(jīng)過接口并在R0之后輸出至高壓模塊。

其中R1＝3 KΩ，R2＝100 MΩ，R0＝300 Ω為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Rx為線纜絕緣電阻，電阻值為0.25 MΩ～10 MΩ，檢測(cè)回路分流為主回路的十分之一（注意：Ri為內(nèi)阻，忽略不計(jì)）。

檢測(cè)回路的作用為消除干擾。

當(dāng)沒有檢測(cè)回路時(shí)Rx＝Es×R0/u0-R0；有檢測(cè)回路時(shí)Rx＝u1×R0×(R1+R2)/(R1×u0)-R0，由于Es的波動(dòng)范圍比較大，所以有檢測(cè)回路時(shí)Rx的值比較穩(wěn)定，可以消除由Es波動(dòng)而引起的干擾。

2.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊功能：實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分，對(duì)線纜絕緣耐壓通斷特性的檢測(cè)控制、數(shù)據(jù)采集處理和故障診斷分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)、查閱，接口通訊，人機(jī)交互等。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊組成包括：

（1）研祥PC104主板、40G數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤：研祥PC104主板采用型號(hào)EPIC單板電腦EC4-1712CLDNA，可運(yùn)行XP系統(tǒng)，并附帶相關(guān)接口。性能規(guī)格：處理器：支持ULV Celeron-M 600～1.0 GHz/Pentium-M1.4 G CPU；芯片組：Intel852GM+ICH4；內(nèi)存：板載512MB DDR內(nèi)存；在板視頻：支持VGA、LVDS雙顯；在板LAN：1個(gè)10/100 Mbps以太網(wǎng)控制器；IDE控制器：1個(gè)44 Pin IDE接口，支持2個(gè)IDE設(shè)備；I/O接口：4個(gè)USB2.0接口，1個(gè)并口，1個(gè)PS/2鼠標(biāo)/鍵盤接口，1個(gè)RS-232，1 個(gè) RS-232/422/485，固態(tài)盤接口：1個(gè)CompactFlash接口；看門狗：256級(jí)，可編程秒/分，超時(shí)中斷或系統(tǒng)復(fù)位；硬件監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)CPU溫度、電壓、風(fēng)扇速度；擴(kuò)展總線：PC/104-Plus擴(kuò)展總線；電源：+5V 供電，支持 AT／ATX 電源；可擴(kuò)展工作溫度：-40℃～75℃；相對(duì)濕度：5%～90%，非凝結(jié)；功耗：典型功耗12W（ULV Celeron-M 600 CPU，512內(nèi)

存）。

（2）研祥104-32MF數(shù)據(jù)采集卡：104-32MF 是一款集 AD、DA、DI、DO 于一體的功能超強(qiáng)PC104總線多功能數(shù)據(jù)采集卡，該卡提供了32路單端/16路差分的模擬量輸入通道、8路模擬量輸出通道和24路可編程DIO通道，有16 bit的高分辨率、250 kHz的高采樣率以及集成多功能。

（3）研祥 104-96IO 卡：104-96IO 是一款PC104總線的數(shù)字量卡，為用戶提供了可編程的96個(gè)TTL標(biāo)準(zhǔn)的輸入／輸出數(shù)字信號(hào)通道。適合于多數(shù)字量接口需求的用戶現(xiàn)場(chǎng)。

（4）觸摸顯示屏：觸摸屏顯示器選北京研信通科技有限公司的12.1"嵌入式平板顯示器YXT350-121。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)備在25T DC600 V型車輛上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

3.1 設(shè)備外觀

整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，界面友好，操作簡(jiǎn)單，符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.2 絕緣測(cè)試

試驗(yàn)過程中，采用直流電壓從0 V緩慢增加到1 000 V，并檢測(cè)絕緣電阻的最小值。對(duì)比試驗(yàn)采用搖表對(duì)同一測(cè)試對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，并與本設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 絕緣測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)論：該分布式線纜檢測(cè)系統(tǒng)能夠通過程序自動(dòng)控制，產(chǎn)生0～1 000 V DC之間的激勵(lì)電壓，并正確檢測(cè)出多路線纜之間、線纜對(duì)地之間絕緣電阻，測(cè)試絕緣值精度較高，功能原理上滿足了使用要求。

3.3 耐壓測(cè)試

試驗(yàn)過程中，采用交流電壓從0 V緩慢增加到2 500 VAC（根據(jù)實(shí)際的工況要求，改為 0～1 500 VAC），并檢測(cè)漏電流的最大值。測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 耐壓測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)論：該分布式線纜檢測(cè)系統(tǒng)能夠通過程序自動(dòng)控制，產(chǎn)生0～2 500 VAC之間的激勵(lì)電壓，并正確檢測(cè)出多路線纜之間、線纜對(duì)地之間漏電流，以及判斷出耐壓狀態(tài)，功能原理上滿足了使用要求。

必須指出：

（1）在進(jìn)行絕緣與耐壓測(cè)試時(shí)應(yīng)把車上各回路的具有半導(dǎo)體元器件的在線設(shè)備與配線分離，避免高壓擊穿元器件。

（2）本系統(tǒng)測(cè)得的是各配線的綜合絕緣阻值，是作為快速處理配線絕緣故障的參考。