李 誠，高 甲，李林芳，趙 宇，高 騰

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河 661100；2.西安雙英科技股份有限公司，陜西 西安 710075）

隨著自動化水平的不斷提高，多芯電纜作為電能和控制信號傳輸?shù)妮d體，在大型設(shè)備領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。通常電纜處于濕熱易腐等復(fù)雜環(huán)境中，同時在對其鋪設(shè)過程中易受外力影響造成線纜自身絕緣損壞，進而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的產(chǎn)生。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，在大型設(shè)備領(lǐng)域中因電纜失效導(dǎo)致系統(tǒng)故障約占20%左右，因此多芯電纜的可靠性對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要的影響。本文針對絕緣電阻檢測的需求，采用微處理器和CAN總線的方式對電纜進行絕緣檢測，具有自動化程度高、通用性強等特點。

1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 系統(tǒng)組成

為了實現(xiàn)對多根電纜同時檢測的功能，本文采用CAN總線的方式實現(xiàn)管理主機與檢測裝置之間數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)分布式檢測裝置的實時檢測。

在分布式檢測系統(tǒng)中，管理主機作為上位機與下位機間通過人機界面進行交互，用戶根據(jù)實際檢測需求通過檢測軟件對被測電纜進行相關(guān)設(shè)置，并將檢測所須信息發(fā)送給分布式檢測裝置，同時在PC界面顯示檢測裝置上傳的檢測結(jié)果。電纜檢測裝置接收主機下發(fā)的檢測命令信息，并根據(jù)指令完成電纜檢測同時將檢測數(shù)據(jù)進行上傳[1]。用戶通過USBCAN轉(zhuǎn)換裝置將PC與檢測裝置進行連接，從而實現(xiàn)CAN通信。分布式電纜檢測裝置間采用公共測量線進行連接，保證不同檢測裝置間可以形成一個檢測回路。

1.2 檢測裝置功能

電纜檢測裝置根據(jù)其功能需求主要由主控單元、處理電路單元、CAN總線接口單元、激勵源單元、通道切換單元和檢測電路單元構(gòu)成。其總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試裝置結(jié)構(gòu)框圖

主控單元。該單元是測試裝置的核心，采用DSP作為CPU，內(nèi)部集成CAN通信模塊，主要用來實現(xiàn)檢測的過程控制和檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、存儲及上傳。

CAN總線接口單元?？偩€上的數(shù)據(jù)信息交互通過該單元來實現(xiàn)，從而完成數(shù)據(jù)收發(fā)。

激勵源單元。該單元為電纜絕緣電阻檢測提供激勵。

通道切換單元。待測電纜通過該單元與測試回路進行連接。

檢測電路單元。通過該單元對模擬量信號進行采樣，并對其進行調(diào)理，為主控單元提供匹配的信號[2]。

2 硬件設(shè)計

2.1 絕緣電阻檢測原理

本文采用電壓電流法對電纜的絕緣電阻進行檢測，如圖2所示。

圖2 電壓電流法原理圖

其中采樣電壓U1與回路電流Ix成正比，如下所示：

式中：R0為限流電阻；Rx為絕緣等效電阻；Rm為采樣電阻。由式（1）和式（2）可知：

由于激勵源、限流電阻和采樣電阻為已知量，因此絕緣電阻值如下所示：

本文采用的絕緣檢測電路如圖3所示。其中待測電纜等效絕緣電阻用R來表示，R1、R2為保護電阻，直流250、500 V為激勵源，R3為采樣電阻，為了防止過電壓對A/D造成損壞，通過二極管D1對其進行保護，接地電感L1可以減小激勵對系統(tǒng)地產(chǎn)生的干擾。

對絕緣電阻進行檢測時，通過上位機對電壓等級、通電時間進行設(shè)置，檢測裝置根據(jù)下發(fā)的指令信息對繼電器S1、S2進行控制，從而將檢測所須的直流激勵源接入電路。待測電纜經(jīng)過通道切換接入回路中后，對系統(tǒng)進行供電并持續(xù)一段時間后再進行采樣。根據(jù)回路中激勵電壓、保護電阻和采樣電阻的可以計算出絕緣電阻R的阻值[3]。

2.2 絕緣激勵源

本文采用250、500 V兩個等級的直流電壓作為電纜絕緣電阻檢測的激勵源。按照國標(biāo)GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗方法》中關(guān)于絕緣電阻試驗的有關(guān)規(guī)定，對電源模塊進行合理選型，并對其外圍電路進行設(shè)計，以保證激勵源滿足絕緣電阻測試需求[4]。

為了降低電源模塊的成本，絕緣電阻檢測激勵源采用兩個相同的250 V電源模塊進行供電，當(dāng)選擇一個模塊供電時，輸出電壓為250 V，2個模塊串聯(lián)使用時可，輸出電壓為500 V，這樣有利于電源模塊的更換和維護。根據(jù)系統(tǒng)要求，絕緣檢測電源應(yīng)滿足以下指標(biāo)：

輸入電壓直流12 V，輸出電壓直流250 V；

輸出電壓紋波小于1%；

具有短路保護和過流保護功能，限流1 mA；

電源輸出可控，過壓、欠壓時可靈活控制電源輸出。

電纜絕緣電阻檢測用直流電源框圖如圖4所示。

2.3 信號處理

檢測電路用來對信號進行處理，其中運算放大器和低通濾波電路的合理搭配可以對信號進行隔離，并提高其抗干擾能力，如圖5所示，其中運放要根據(jù)精度及所處環(huán)境進行選擇。結(jié)合實際檢測所須的精度要求，本文所設(shè)計的絕緣檢測電路選擇輸入阻抗為1.5 TΩ的運放，共模抑制比要求不低于120 dB，運放的選型還要考慮溫漂較低的器件。圖5中低通濾波器由電阻Rj和電容Cj構(gòu)成，輸入信號經(jīng)過濾波電路可以消除干擾信號，保證輸入信號的穩(wěn)定，電路通過電阻R來對電流進行限制，防止過流沖擊，穩(wěn)壓二極管將電壓穩(wěn)定在3 V，起到電壓保護的作用[5]。

3 軟件設(shè)計

3.1 CAN總線通信

CAN總線正常通信前需要對其進行初始化配置，主要包括波特率、通信報文接收濾波方式和濾波控制寄存器的配置。CAN通信可以實現(xiàn)點對點、單點對多點等報文收發(fā)方式，其中CAN通信報文是否進行存儲由報文濾波技術(shù)來決定，報文濾波技術(shù)主要有2種，一種是單濾波模式，另一種是雙濾波模式，本文采用單濾波器模式，通過對驗收碼寄存器和接收屏蔽寄存器的配置可以實現(xiàn)濾波器的控制。當(dāng)通信報文中識別符與驗收碼寄存器的初始設(shè)定值一致時，CAN控制器才會將接收到的報文信息在緩存中進行存儲[6-7]。本文CAN總線通信相關(guān)配置如表1所示。

表1 CAN通信配置表

3.2 DSP程序設(shè)計

DSP程序需要具有CAN總線通信、AD采樣和檢測數(shù)據(jù)處理及存儲控制的功能，同時還需要對實時工作狀態(tài)進行顯示，并能對各功能單元進行協(xié)調(diào)調(diào)度，以滿足絕緣檢測的需求[8]。絕緣電阻檢測程序流程圖如圖6所示。

根據(jù)電纜絕緣檢測原理并結(jié)合實際情況，通過程序?qū)崿F(xiàn)檢測算法，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可以獲得待測電纜的絕緣特性，該裝置可以對電纜絕緣電阻進行準(zhǔn)確測量，并在上位機中顯示檢測結(jié)果，方便用戶檢測。

圖6 程序流程圖

4 功能驗證

為了驗證本文設(shè)計的絕緣電阻檢測裝置的功能及其準(zhǔn)確性，將待測電纜用不同阻值的電阻來等效，絕緣檢測包括250、500 V 2種電壓模式，采用萬用表對電阻阻值進行測量，并將其結(jié)果作為參考值，然后與絕緣檢測裝置的測試結(jié)果進行比較，判斷檢測裝置的檢測精度。

電纜通電時間選擇1 s，分別在250 V和500 V兩種電壓模式下對其進行測試，如表2所示。

由以上測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在250 V和500 V兩種電壓模式下，絕緣電阻的測量誤差均在5%以內(nèi)，驗證了絕緣電阻檢測裝置的功能及其精度。

表2 絕緣電阻測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于多芯電纜應(yīng)用及測試面臨的問題，從絕緣電阻檢測的角度出發(fā)，對電纜絕緣特性以及絕緣檢測進行了研究，分析了多芯電纜絕緣電阻的測試方法，提出了一種基于微處理器+CAN總線的絕緣電阻自動檢測裝置。首先對裝置的整體方案進行研究，然后根據(jù)檢測功能需求對其硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，最后通過試驗驗證了該檢測裝置的可行性和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。該檢測方法具有操作靈活、檢測效率高等特點，采用該檢測裝置既能有效降低檢測強度，又能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有很好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實應(yīng)用價值。