耐電壓測(cè)試儀器的特性及應(yīng)用

耐電壓測(cè)試儀器的特性及應(yīng)用

摘 要：簡(jiǎn)要介紹安規(guī)耐壓試驗(yàn)及市場(chǎng)流行的耐壓測(cè)試裝置的電路結(jié)構(gòu)、原理、功能及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：耐電壓試驗(yàn)；調(diào)壓器；儀器；應(yīng)用

1 概述

耐電壓測(cè)試儀器(以下簡(jiǎn)稱耐壓測(cè)試儀)常用于電器產(chǎn)品或電子元器件等的絕緣性能試驗(yàn)和參數(shù)測(cè)試，它與絕緣電阻測(cè)試儀器(絕緣電阻表)配合，可非破壞性地檢查被試品的絕緣水平，并與泄漏電流測(cè)試儀器、接地電阻測(cè)試儀器等組成“安規(guī)測(cè)試”四大件，用于家用電器的電氣安全性能測(cè)試，也常用于電機(jī)、電線電纜、電容器等元器件的測(cè)試。由于被試品及其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的多樣性，耐壓測(cè)試儀的產(chǎn)品也是形形色色，交直流耐壓儀、絕緣耐壓測(cè)試儀、程控耐壓測(cè)試儀、自動(dòng)耐壓側(cè)試儀、三合一、四合一、脈沖耐壓測(cè)試儀、電容器耐壓測(cè)試儀……等”令人目不暇接。要科學(xué)地進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，就應(yīng)有針對(duì)性地選用耐壓測(cè)試儀，同時(shí)，耐壓測(cè)試儀在許多情況下又具有“標(biāo)準(zhǔn)”屬性和“計(jì)量”屬性。其“標(biāo)準(zhǔn)”屬性是指儀器是否能夠滿足被試品的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(包括試驗(yàn)方法)，有國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)，也有國(guó)際認(rèn)證組織的標(biāo)準(zhǔn)。滿足標(biāo)準(zhǔn)與否、滿足何種標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量準(zhǔn)確與否，對(duì)被試產(chǎn)品的安全性能、市場(chǎng)范圍有著重要意義，成為不可忽視的考察內(nèi)容。

2 耐電壓試驗(yàn)

耐電壓試驗(yàn)就是對(duì)被試物品施加一個(gè)高于工作或運(yùn)行中可能遇到的過(guò)電壓數(shù)值的交流或直流電壓，并經(jīng)歷一段時(shí)間，以檢查其絕緣水平。直流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓較高時(shí)，也能從一定程度上反映被試品的絕緣性能，但對(duì)保證被試品的安全運(yùn)行是不夠的。因?yàn)樵谥绷麟妷鹤饔孟�，分層介質(zhì)中的電壓分布與電阻成正比，這與在交流電壓作用下分層介質(zhì)中的電壓分布與電容量成反比不同。所以，為了進(jìn)一步暴露被試品的缺陷，檢查被試品的絕緣水平，確定能否安全使用，還應(yīng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。交流耐壓試驗(yàn)?zāi)芨�好地模擬被試品在實(shí)際使用中承受過(guò)電壓的情況，比起直流耐壓來(lái)，往往能更有效地發(fā)現(xiàn)被試品的局部缺陷，如絕緣損傷等。直流耐壓試驗(yàn)可用于交流耐壓試驗(yàn)之前初步檢驗(yàn)絕緣狀況，也用于有極性的被試品，因?yàn)檫@樣的被試品在施加交流過(guò)電壓后會(huì)在電壓極性變換時(shí)呈現(xiàn)很小的阻抗，無(wú)法判斷絕緣性，甚至損壞被試品，如電解電容器、二級(jí)管等。有些被試品在交流電壓下呈現(xiàn)低阻抗或?qū)嶋H總是運(yùn)行在直流狀態(tài)下時(shí)，也用直流進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，如電解電容器等。

由于交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓一般比工作電壓高許多，對(duì)絕緣性能不良的被試品來(lái)說(shuō)，是一種破壞性試驗(yàn)。對(duì)于造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的被試品，進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)前，應(yīng)先進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量、直流泄漏甚至直流耐壓試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)絕緣性能有缺陷，應(yīng)進(jìn)行綜合分析和判斷，才能決定該被試品是否能承受交流耐壓試驗(yàn)的電壓，然后再進(jìn)行試驗(yàn)，以免對(duì)被試品造成破壞和損傷。

3 交流耐壓測(cè)試裝置的類型和特性

3.1 調(diào)壓器升壓型交流耐壓試驗(yàn)裝置

調(diào)壓器升壓型交流耐壓試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)自耦調(diào)壓器調(diào)整，升壓變壓器升壓后輸出，施加在被試品上。當(dāng)S1按下時(shí)，交流接觸器JLC吸合，按照一定的程序調(diào)整調(diào)壓器，使電壓表示值逐步升至試驗(yàn)電壓值，觀察電流表，經(jīng)一定時(shí)間后，電流值仍在允許范圍內(nèi)，可確認(rèn)被試品的耐壓性能符合要求；如電流表示值超出允許范圍，說(shuō)明被試品耐壓不良，按下S2，切斷試驗(yàn)電源；如被試品發(fā)生擊穿，升壓變壓器電流急劇上升，則過(guò)流繼電器動(dòng)作，切斷JLC電源，從而切斷輸入電源，保護(hù)試驗(yàn)裝置不被損壞。 這類耐壓試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，輸出功率大(可達(dá)數(shù)十千瓦)，輸出電壓高(數(shù)十千伏甚至數(shù)百千伏)，但對(duì)被試品有電弧、爬電、閃絡(luò)等絕緣性能方面的潛在隱患不敏感，升壓變壓器常用油浸式，體積大，全套裝置很難形成一體，多為人工操作進(jìn)行控制，不便于對(duì)多個(gè)被試品連續(xù)測(cè)試，多用于電力系統(tǒng)的耐壓試驗(yàn)。

3.2 小型調(diào)壓器升壓型耐壓測(cè)試儀

如圖2所示，這類耐壓測(cè)試儀與前一類的控制部分不同。工頻電網(wǎng)電壓在繼電器J吸合后，經(jīng)自耦調(diào)壓器調(diào)整，升壓變壓器升壓之后輸出，施加在被試品上。當(dāng)按下START時(shí)，繼電器J吸合，按照一定的程序調(diào)整調(diào)壓器，使電壓表示值逐步升至試驗(yàn)電壓值，漏電流由電阻器R3轉(zhuǎn)換為電壓，送到比較器的二個(gè)輸入端之一，與比較器另一端預(yù)先設(shè)置好的對(duì)應(yīng)于某一標(biāo)準(zhǔn)電流I1的基準(zhǔn)電壓值V1進(jìn)行比較，當(dāng)V>V1時(shí)，比較器輸出的電信號(hào)使控制器及時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，切斷高壓輸入電源，從而保護(hù)被試品或試驗(yàn)裝置免遭破壞，并驅(qū)動(dòng)聲、光裝置，送出相應(yīng)警告信號(hào)，提示被試品耐壓試驗(yàn)失敗。如電流I在定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，則控制器在收到定時(shí)結(jié)束信號(hào)時(shí)驅(qū)動(dòng)繼電器J動(dòng)作，切斷高壓輸入電源，自動(dòng)結(jié)束一次試驗(yàn)。電流表可監(jiān)視試驗(yàn)過(guò)程中電流的大小和變化。 這類耐壓試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)較前一類復(fù)雜，抗干擾能力和可靠性取決于控制器的設(shè)計(jì)和電子元件的質(zhì)量，測(cè)試源輸出功率較大，輸出電壓較高(數(shù)十千伏)，輸出電壓設(shè)置必須在電壓輸出的情況下進(jìn)行，在功率范圍內(nèi)，輸出電壓會(huì)隨負(fù)載電流的變化而變化，對(duì)被試品有電弧、爬電、閃絡(luò)等絕緣性能方面的潛在隱患不敏感。漏電流顯示值有時(shí)會(huì)受測(cè)試電壓高低的影響，分辨力不高。升壓變壓器常用干式，全套裝置可形成一體，其體積取決于功率的大小，有自動(dòng)切斷功能，可對(duì)被試品連續(xù)、多次進(jìn)行立即升壓測(cè)試，但對(duì)有分時(shí)分壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)或緩慢升壓標(biāo)準(zhǔn)的被試品，不便于進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)試。多用于早期標(biāo)準(zhǔn)的耐壓試驗(yàn)，又被稱作“傳統(tǒng)機(jī)型”或“常規(guī)機(jī)型”，價(jià)格較低。

3.3 無(wú)調(diào)壓器程控型耐壓測(cè)試儀

由于各種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)不同、流水線大批量測(cè)試及人們對(duì)電器安全性能的認(rèn)識(shí)不斷提高，要求耐壓測(cè)試裝置的功能相應(yīng)提高，調(diào)壓器式的耐壓測(cè)試儀器的功能有限，采用全電子程控技術(shù)和功率電子技術(shù)的新型耐壓測(cè)試儀正在普及。目前，這類耐壓測(cè)試儀器主要分為兩種：一種采用單片機(jī)作為監(jiān)控中心、數(shù)字波形合成技術(shù)＋線性功率放大器作為測(cè)試源；另一種采用單片機(jī)作為監(jiān)控中心、SPWM(正弦脈寬調(diào)制)脈沖發(fā)生器＋I(xiàn)GBT(絕緣柵雙極晶體管)脈沖功率放大器作為測(cè)試源。前者的結(jié)構(gòu)如圖3所示，后者的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 這種耐壓測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，抗干擾能力和可靠性取決于整機(jī)的設(shè)計(jì)和電子元件的質(zhì)量，輸出波形失真小，輸出頻率可變(50Hz/60Hz)，輸出電壓調(diào)整范圍寬、控制精度高，在功率范圍內(nèi)的輸出電壓穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響，測(cè)試源輸出功率一般可達(dá)到500W，超功率輸出時(shí)儀器能自動(dòng)保護(hù)，輸出電壓設(shè)置在無(wú)電壓輸出的情況下進(jìn)行，安全性好，對(duì)被試品有電弧、爬電、閃絡(luò)等絕緣性能方面的潛在隱患的檢測(cè)容易實(shí)現(xiàn)，電壓輸出方式可通過(guò)軟件滿足多種標(biāo)準(zhǔn)要求，如分段升壓、定時(shí)升壓、定速升壓等，能進(jìn)行擊穿點(diǎn)分析，擊穿保護(hù)速度快，漏電流顯示分辨率可達(dá)納安級(jí)，非常適用于高標(biāo)準(zhǔn)的電器或元器件測(cè)試。工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)干擾小，儀器的校準(zhǔn)通過(guò)按鍵或通信接口進(jìn)行，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)完成測(cè)試統(tǒng)計(jì)、分選工作，可對(duì)被試品連續(xù)進(jìn)行測(cè)試，價(jià)格略高。

圖4所示的這種耐壓測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，抗干擾能力和可靠性取決于整機(jī)的設(shè)計(jì)和電子元件的質(zhì)量，輸出波形失真稍大，輸出頻率可變(50Hz/60Hz),輸出電壓精度和輸出電壓調(diào)整范圍較前者低，在功率范圍內(nèi)輸出電壓穩(wěn)定，不受負(fù)載變化的影響，測(cè)試源輸出功率容易達(dá)到數(shù)千瓦，超功率輸出時(shí)儀器能自動(dòng)保護(hù)，輸出電壓設(shè)置在無(wú)電壓輸出的情況下進(jìn)行，安全性好。電壓輸出方式可通過(guò)軟件滿足多種標(biāo)準(zhǔn)要求，擊穿保護(hù)速度快，工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)干擾較大，儀器的校準(zhǔn)通過(guò)按鍵或通信接口進(jìn)行，便于和計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)完成測(cè)試統(tǒng)計(jì)、分選工作，可對(duì)被試品連續(xù)進(jìn)行測(cè)試，價(jià)格略高。

4 交/直流耐壓測(cè)試裝置的類型和特性

無(wú)論何種交/直流耐壓測(cè)試裝置，其直流部分都是在交流測(cè)試裝置的基礎(chǔ)上加裝整流、濾波元件和切換機(jī)構(gòu)組成的。傳統(tǒng)調(diào)壓器型直流耐壓儀的功能指標(biāo)與程控型的功能指標(biāo)的差別很大：前者的漏電流示值分辨力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者，在數(shù)十微安級(jí)甚至更大，后者可達(dá)到納安級(jí)；在測(cè)試容性試品時(shí)，因?yàn)槌潆婋A段的電流較大，經(jīng)常引發(fā)前者誤判斷，甚至無(wú)法測(cè)試；而后者可通過(guò)降低升壓速度或延長(zhǎng)升壓時(shí)間圓滿解決問(wèn)題，當(dāng)完成容性試品測(cè)試后，前者不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放電，安全性差，后者則不然；當(dāng)阻性試品的阻值較小時(shí)，前者的紋波明顯大于后者。

5 常用耐壓測(cè)試裝置的選用

選用耐壓測(cè)試儀，首先應(yīng)符合被試品的標(biāo)準(zhǔn)要求，其次是考慮其擴(kuò)展性能和價(jià)格。另外，還應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：50Hz下的測(cè)試電壓小于5kV，漏電流小于10mA，定時(shí)時(shí)間在60s內(nèi)，可選用常規(guī)調(diào)壓器型5kV/20mA規(guī)格的儀器，否則，應(yīng)選用5kV/12mA的程控機(jī)型；

50Hz下的測(cè)試電壓小于5kV，漏電流小于20mA，定時(shí)時(shí)間在60s以內(nèi)，可選用常規(guī)調(diào)壓器型5kV/20mA規(guī)格的儀器，否則，應(yīng)選用5kV/20mA程控機(jī)型；

50Hz下的測(cè)試電壓小于5kV，漏電流小于100mA，定時(shí)時(shí)間在60s以內(nèi)，可選用常規(guī)調(diào)壓器型5kV/100mA規(guī)格的儀器，否則，應(yīng)選用5kV/100mA程控機(jī)型；

需進(jìn)行直流耐壓試驗(yàn)時(shí)，電壓高于10kV，選用常規(guī)調(diào)壓器型，否則，應(yīng)盡量選用程控機(jī)型；

元器件、小家電、小電器、電動(dòng)工具等應(yīng)選用程控機(jī)型。