多芯電纜絕緣電阻檢測的設計與實現

李 誠，高 甲，李林芳，趙 宇，高 騰

（1.云南電網有限責任公司紅河供電局，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的載體，在大型設備領域中得到了廣泛的應用。通常電纜處于濕熱易腐等復雜環境中，同時在對其鋪設過程中易受外力影響造成線纜自身絕緣損壞，進而導致系統故障的產生。相關數據統計結果表明，在大型設備領域中因電纜失效導致系統故障約占20%左右，因此多芯電纜的可靠性對系統的穩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 系統總體框圖

1.1 系統組成

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

在分布式檢測系統中，管理主機作為上位機與下位機間通過人機界面進行交互，用戶根據實際檢測需求通過檢測軟件對被測電纜進行相關設置，并將檢測所須信息發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果。電纜檢測裝置接收主機下發的檢測命令信息，并根據指令完成電纜檢測同時將檢測數據進行上傳[1]。用戶通過USBCAN轉換裝置將PC與檢測裝置進行連接，從而實現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成。其總體功能結構如圖1所示。

圖1 測試裝置結構框圖

主控單元。該單元是測試裝置的核心，采用DSP作為CPU，內部集成CAN通信模塊，主要用來實現檢測的過程控制和檢測結果的數據處理、存儲及上傳。

CAN總線接口單元。總線上的數據信息交互通過該單元來實現，從而完成數據收發。

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，并對其進行調理，為主控單元提供匹配的信號[2]。

2 硬件設計

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地產生的干擾。

對絕緣電阻進行檢測時，通過上位機對電壓等級、通電時間進行設置，檢測裝置根據下發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。待測電纜經過通道切換接入回路中后，對系統進行供電并持續一段時間后再進行采樣。根據回路中激勵電壓、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GB/T 3048.5—2007《電線電纜電性能試驗方法》中關于絕緣電阻試驗的有關規定，對電源模塊進行合理選型，并對其外圍電路進行設計，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，當選擇一個模塊供電時，輸出電壓為250 V，2個模塊串聯使用時可，輸出電壓為500 V，這樣有利于電源模塊的更換和維護。根據系統要求，絕緣檢測電源應滿足以下指標：

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，其中運放要根據精度及所處環境進行選擇。結合實際檢測所須的精度要求，本文所設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構成，輸入信號經過濾波電路可以消除干擾信號，保證輸入信號的穩定，電路通過電阻R來對電流進行限制，防止過流沖擊，穩壓二極管將電壓穩定在3 V，起到電壓保護的作用[5]。

3 軟件設計

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通信可以實現點對點、單點對多點等報文收發方式，其中CAN通信報文是否進行存儲由報文濾波技術來決定，報文濾波技術主要有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濾波器的控制。當通信報文中識別符與驗收碼寄存器的初始設定值一致時，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總線通信相關配置如表1所示。

表1 CAN通信配置表

3.2 DSP程序設計

DSP程序需要具有CAN總線通信、AD采樣和檢測數據處理及存儲控制的功能，同時還需要對實時工作狀態進行顯示，并能對各功能單元進行協調調度，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。

根據電纜絕緣檢測原理并結合實際情況，通過程序實現檢測算法，根據檢測數據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確測量，并在上位機中顯示檢測結果，方便用戶檢測。

圖6 程序流程圖

4 功能驗證

為了驗證本文設計的絕緣電阻檢測裝置的功能及其準確性，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，并將其結果作為參考值，然后與絕緣檢測裝置的測試結果進行比較，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。

由以上測試結果可以發現，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，驗證了絕緣電阻檢測裝置的功能及其精度。

表2 絕緣電阻測試結果

5 結束語

本文基于多芯電纜應用及測試面臨的問題，從絕緣電阻檢測的角度出發，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，然后根據檢測功能需求對其硬件結構和軟件結構進行了設計，最后通過試驗驗證了該檢測裝置的可行性和測試結果的準確性。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，又能保證測試結果的準確性，具有很好的應用前景和現實應用價值。