趙邦美

貴州航天風華實業(yè)有限公司，中國·貴州 遵義 563000

1 引言

絕緣電阻是電力電子設(shè)備和電氣線路最基本的絕緣指標，它反映了產(chǎn)品承受電擊穿或熱擊穿能力的大小，與絕緣的介質(zhì)損耗以及絕緣材料在工作狀態(tài)下逐步劣化等均存在著極為密切的關(guān)系?？梢酝ㄟ^檢測電氣設(shè)備的絕緣電阻來判斷設(shè)備的絕緣性能。目前對于已經(jīng)在運行的設(shè)備絕緣電阻檢測方法比較欠缺，本次設(shè)計的目的就是解決設(shè)備在帶電的情況下在線測量絕緣電阻。

2 方案設(shè)計與論證

當前絕緣電阻測試的方法主要是“加高壓，測漏流”。主要有串聯(lián)法、并聯(lián)法、電壓比法、電橋法、充放電法。下面具體簡紹串聯(lián)法和并聯(lián)法。

串聯(lián)法測絕緣電阻見圖1。

圖1 串聯(lián)法測量絕緣電阻

由圖1可得：

所以，可以得出RX：

圖中UO為測試電源電壓，RS為電源內(nèi)阻，RX為被測絕緣電阻，R1為限流電阻，R2為測量電阻，Ui為待測電壓RL和CL組成低通濾波輸出。因為UO、R1、R2為已知，所以只要求出RS和Ui就可以計算出要測的絕緣電阻。

并聯(lián)法測絕緣電阻見圖2。

圖2 并聯(lián)法測絕緣電阻

圖中UO為測試電源電壓，RS為電源內(nèi)阻，RX為被測絕緣電阻，R1為限流電阻，R2為測量電阻，Ui為待測電壓RL和RL組成低通濾波輸出。其絕緣電阻值計算公式為：

RS后面的并聯(lián)電阻為：

則可以得出：

其中R1、R2為已知參數(shù)，所以只需要測得Ui和RS就可以求得RX。

串聯(lián)法的特點原理簡單，可靠實用。但對電阻的精度要求過高，只能測量一定上線值的絕緣電阻。并聯(lián)法不適合測量較小值的絕緣電阻。從電路中可以看出當RX越小時，Ui越小，到超過測量的合適范圍時所測得的絕緣電阻值就會有較大的誤差。

這兩種測試方法只適用于線下測量絕緣電阻，都不適合用于在線測量線路的絕緣電阻。綜上分析本次設(shè)計根據(jù)一種智能配電箱對絕緣電阻的要求所設(shè)計（大于200KΩ 為合格，小于200KΩ 為不合格），在串聯(lián)法測量絕緣電阻的原理基礎(chǔ)上進行了一定的改進。

該設(shè)計方案最大的優(yōu)點就是能夠在線檢測絕緣電阻，在設(shè)備運行的過程中可以實時監(jiān)測線路的絕緣性能是否良好，能夠有效的保證設(shè)備的有效運行和人的人身安全。

3 采樣電路設(shè)計

絕緣電阻信號采集電路原理如圖3所示。

圖3 絕緣電阻信號采樣原理圖

采樣電路：用LM158 作為比較器，將采集到的電壓信號一級跟隨后做比較。

隔離電路：用光耦隔離芯片EL357N，將電路前級和后級隔離。

電源電路：采樣電路用隔離電源模塊W2412S-1W 單獨供電。

圖3中被測量電阻兩端RL、RE 兩端的阻值假設(shè)為RX，電源電壓為U1，則被測量兩端等效電壓UX可以表示為：

電阻R4是起到一個限流的作用，因為是在線檢測絕緣電阻，線路上有220V 電壓存在，如果直接測量，220V 會直接把比較器擊穿，所以串一個220KΩ 的電阻來達到保護電路的目的。

C3是一個濾波電容，用來過濾掉交流分量，讓采集到的數(shù)據(jù)更加的準確。先將采集到的直流電壓信號送給比較器LM158 的3 號點先作一次跟隨，使采集的信號更加的穩(wěn)定，然后再輸出給6 號點與5 號點設(shè)置的基準作比較。當6 號點電壓低于5 號點電壓時，7號點有高電平輸出，反之則是低電平。

信號到這里以后就是送給單片機判斷，如果這個時候信號直接送給單片機，因為前端是有高壓220V的存在，如果存在的交流分量沒濾盡或者比較器被擊穿損壞都會影響到單片機，嚴重的話甚至會導致單片機的損壞。用開關(guān)光耦EL357N 作為隔離芯片，物理上使前級和后級隔離從而達到保護單片機的作用。

采樣電路和單片機使用的電源是兩個獨立的電源，因為輸入端已經(jīng)有光耦隔離，可以保證采樣電路與單片機系統(tǒng)完全隔離，這樣就算采樣電路出現(xiàn)故障，也不會影響到單片機的正常運行，兩者互不干擾。

4 試驗測試結(jié)果

通過試驗來證明在各阻值下LM158 的輸出狀態(tài)：

根據(jù)配電箱設(shè)計要求，以190KΩ、200KΩ、210KΩ 三種阻值來做試驗，采集電壓信號值由計算公式（3）可得：

當測量的阻值為190KΩ 時：

當阻值為200K 時：

當阻值為210K 時：

在各絕緣電阻值下LM158比較器各點電壓情況見表1。

表1 LM158 輸入輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)

因為電路中所用的電阻參數(shù)存在誤差，測量工具存在測量誤差，所以實際試驗測量值與理論計算值也存在一定的誤差。

經(jīng)過實驗證明，當RL、RE 兩端電阻＜200KΩ 時（以190KΩ 為例），LM158 比較器6 號點輸入電壓為5.83V，5號點基準電壓為5.95V（基準電壓的設(shè)定值根據(jù)200KΩ 時的電壓值來設(shè)定），7 號點輸出高電平，通過判斷這個高低電平來實現(xiàn)絕緣電阻的測量。

5 結(jié)語

用該方案設(shè)計研制成的絕緣電阻在線檢測電路在某配電箱設(shè)備中進行了實踐運用，在設(shè)備的絕緣電阻檢測中，能夠快速、準確的完成整個測量過程。證明了用此方案設(shè)計的絕緣電阻電路的實用性，所以該電路對現(xiàn)代化電力電子設(shè)備具有較強的使用潛力和推廣價值。