艺术节电气设备交流耐压自动化试验装置的设计论文

电气设备交流耐压自动化试验装置的设计张远征1，王庆2，刘磊3，李文朋4（1.河南工程学院，451191；2.河南工程学院，451191；3.河南工程学院，451191；4河南工程学院，451191）摘要：耐压试验是指对各种电气装置、电气仪表、绝缘材料承受电压能力进行的测试；在不破坏绝缘材料性能的情况下，对绝缘材料施加高电压，进而发现绝缘材料的缺陷，检验产品设备的绝缘性能是否符合相关安全标准。耐压试验分为直流、交流耐压试验两种方式。直流耐压试验是在被试品加直流高压，其优点是能有效地发现绝缘受潮，脏污等整体缺陷与局部缺陷。同时，直流电压下绝缘基本上不产生介质损失，因此，直流耐压试验对绝缘材料的破坏性小，但，由于在直流高压下，被试品各部分电压按电阻分布，不能准确反应实际情况。交流耐压试验被试设备电压的2.5倍及以上进行,从介质损失的热击穿观点出发,可以有效地发现局部游离性缺陷及绝缘老化的弱点。由于在交变电压下主要按电容分压，故能够有效地暴露设备绝缘缺陷，更符合电气设备绝缘的实际运行情况。因此，工频交流耐压试验，在电气设备绝缘的各项试验中，是一项具有决定意义的试验，也是判断电气设备能否投入运行的鉴定性试验，研制交流耐压试验装置成为电气工程师一项重要工关键词：耐压试验；高电压；绝缘缺陷；交流耐压第1章绪论耐压试验是指对各种电气装置、电气仪表、绝缘材料耐压能力的测试；在不破坏绝缘材料性能的前提下，对绝缘材料施加高电压，进而检测绝缘材料的缺陷，检验设备的绝缘性能并判断其是否符合相关安全标准，是判断电气设备能否投入运行的鉴定性试验。检测漏电流的大小，观察其是否在安全的规定范围内就是一项很重要的指标。电气设备发生漏电对我们的生活有着非常重要的影响,漏电保护器的出现对保护人和设备是一种非常重要且有效的方式,漏电保护的主要分级为:总电路保护、分支电路保护、末端电路保护;分级保护的核心是使各级保护器在不同的范围中有效的进行相互配合,保护电路的正常运行,当末端电路发生漏电事故的时候既可实现漏电保护,使人身安全得到保障又不会使分支电路或总电路发生保护动作,保证了整个电网的安全。1.1交流耐压测试仪的发展概况随着国民经济的发展以及城网供电电压等级的提高，交联聚乙烯绝缘电力电缆（XLPE）以其合理的工艺和结构，优良的电气性能和安全可靠的运行特点，在国内外获得越来越广泛的使用。尤其在高压输电领域更取得了巨大的进展。与充油电缆相比，交联电缆敷设安装方便，运行维护简单，不存在油的淌流问题。但是，近年来的运行和研究表明，交联聚乙烯电缆的绝缘在运行中易产生树枝化放电，造成绝缘老化破坏，严重地影响了交联聚乙烯绝缘电力电缆的使用寿命。因此，充分认识交联电缆的绝缘特性，及时有效地发现和预防绝缘中存在的某些缺陷，对保障设备乃至系统的安全运行具有十分重要的意义。阐述了影响交联电缆绝缘的主要因素以及电缆的交接试验原理，认为在现场对交联电缆实施交流耐压试验是必要和可行的。1.2现状分析耐压试验分为直流、交流耐压试验两种方式。近年来国内外的试验和运行经验证明：直流耐压试验不能有效地发现交联电缆中的绝缘缺陷，甚至造成电缆的绝缘隐患。英国SWAG公司在1981～1980年41个回路的10KV电压等级的XLPE电缆中，发生故障87次；瑞典的3KV～24．5KV电压等级XLPE电缆投运超出9000km，发生故障107次，国内也曾多次发生电缆事故，相当数量的电缆故障是由于经常性的直流耐压试验产生的负面效应引起。传统的耐压测试工作的需要，因此研究符合最新国际标准的采用先进技术和具有更好性能指标的耐压测试系统具有重要意义。目前，市场也有人生产数字式耐压测试仪，但是，一般采用电机拖动自耦变压器产生电压，成本高、故障率高、可靠性不好。用摇表测试，存在较大危险；目前市场上所见的耐压测试仪采用GB4706（等同IEC1010）标准，使用较多的是台式结构的单项测试指标测试仪器，不能满足用户需要多指标综合测试的需求；而且目前市场上的耐压测试仪多采用的是传统的测试方法，测试精度不高，采用的技术和主要性能指标与国外先进水平有一定的差距，不能完全满足目前发展的电气安全性。此设计将采用基于FPGA的数字式信号源、开关功放进行功率放大、干式变压器升压等模块组建多表位耐压试验装置，可同时进行多个被试品的测试，同时具备2倍频耐压试验。可以考虑将操作人员与高压设备进行隔离，保证人身安全。本课题方案具有较多创新和特色，多表位检测功能，提高了工作人员工作效率；采取电压产生技术，不同于一般的电机拖动和震荡方式，使得测量可以在变频下进行，更满足国家相关标准。1.3历史背景直流耐压试验是在被试品加直流高压，其优点是能有效地发现绝缘受潮，脏污等整体缺陷与局部缺陷。同时，直流电压下绝缘基本上不产生介质损失，因此，直流耐压试验对绝缘材料的破坏性小，但由于在直流高压下，被试品各部分电压按电阻分布，不能准确反应实际情况。交流耐压试验被试设备电压的2.5倍及以上进行,从介质损失的热击穿观点出发,可以有效地发现局部游离性缺陷及绝缘老化的弱点。由于在交变电压下主要按电容分压，故能够有效地暴露设备绝缘缺陷，更符合电气设备绝缘的实际运行情况。因此，工频交流耐压试验，在电气设备绝缘的各项试验中，是一项具有决定意义的试验，也是判断电气设备能否投入运行的鉴定性试验。1.4项目简介基于FPGA的数字式信号源、开关功放、干式变压器升压等模块组建多表位耐压试验装置，可同时进行多个被试品的测试，同时具备2倍频耐压试验。在本系统中，采用蓝牙通信技术进行数据交换，将操作人员与高压设备进行隔离，保证人身安全，且满足DL474.4-92《现场绝缘试验实施导则交流耐压试验》和GB/T24243-2009工业机械电气设备绝缘电阻试验规范。1.5设计内容：（1）数字信号源设计；（2）程控交流电压源及供电系统保护设计；（3）主控箱及显示系统设计；（4）升压系统设计；（5）耐压测试漏电检测。设计要求：设计一电气设备交流耐压自动化试验装置，在人机分离的前提下，实现多位表检测，提高工作效率并保证高压工作下的人员安全；并采取电压产生技术，实现变频条件下的测量，满足国家标准。基于FPGA的数字式信号源、开关功放、干式变压器升压等模块组建多表位耐压试验装置，可同时进行多个被试品的测试，同时具备2倍频耐压试验。在本系统中，将操作人员与高压设备进行隔离，保证人身安全，且满足DL474.4-92《现场绝缘试验实施导则交流耐压试验》和GB/T24243-2009工业机械电气设备绝缘电阻试验规范。根据耐压测试仪通用规范SJ/T11384-2008及GB/T32192-2015《耐压试验仪》、GB/17215-2002电能表耐压试验标准、GB/T24344-2009工业机械电气设备耐压试验规范，需对一般电气设备和电器进行二倍工作电压+10000V耐压试并满足Motor-OperatedAppliances(HouseholdandCommercial)”CAN/CSA-C22.2No.68-92“PortableElectricalMotor-OperatedandHeatingAppliances:GeneralRequirements”C22.2NO.1335.1-93标准。第2章理论分析与选择2.1研究方法研究一个课题不仅需要一定的知识，更重的是研究一个东西时的思路和方法，项目实施过程中，我需要对技术方案进行论证、修改，然后有序的实施，有效推进课题的进展，路线图如图1。方案论证硬件定制软件编写方案修正硬件定制软件编写系统调试系统测试图1技术路线图2.2方案选择在做项目设计的过程中，我首先想到要确定一个思路，一个完整的设计流程，如果按照一个更优的规划好的思路来，会起到一个事半功倍的效果。我一共有两个方案，但是在我慎重的考虑下，我选择了方案一。方案一：通过FPGA和一个简单的stc89c52单片机制作一个简易的信号源，通过开关功放芯片已及其外围电路将信号源放大到一定的一定的倍数，然后通过变压器二次升压，第一次升压升到100V，第二次升压升到10000V，通过电压表去检测第一次升压的数值即可判断电压是否升到了10000V。然后在10000V后接入6组被测物，通过检测被测物的漏电流的大小判断是否在跪地昂的标准漏电流大小的范围内，如果不符合，则通过控制继电器，确保设备的安全。并通过单片机和1602显示出来。如图2：工频信号产生电路开关功放电路开关功放电路FPGA和STC89C52RC单片机升压器被试品通信电路控制电路检测电路图2方案二：通过stm32制作一个简易的信号源，这个信号源可以通过开关功放芯片已及其外围电路将信号源放大到一定的一定的倍数，然后通过变压器二次升压，第一次升压升到100V，第二次升压升到10000V，通过电压表去检测第一次升压的数值即可判断电压是否升到了10000V。然后在10000V后接入6组被测物，通过检测被测物的漏电流的大小判断是否在跪地昂的标准漏电流大小的范围内，如果不符合，则通过控制继电器，确保设备的安全。并通过单片机和1602显示出来。如图3所示。工频信号产生电路开关功放电路开关功放电路STM32单片机升压器被试品通信电路控制电路检测电路图3经过再三的考虑，我认为，方案一用FPGA以及单片机的结合制作出来的信号源更加的稳定可靠，本毕设将采用基于FPGA的数字信号源、开关功放进行功率放大、干式变压器升压等模块组建多表位耐压试验装置，可同时进行多个被试品的测试，同时具备2倍频耐压试验。最后我选择了方案一。2.3处理器的选择处理器（FPGA和单片机）我选择EP4CE6和STC89C52RC.，这两种是比较常见的也是功能比较齐全的。最重要的是性价比高。EP4CE6除了主控芯片外，还有AMS1117稳压器件、EPCS16串行FLASH器件、晶振、JTAG接口、LED和按键等器件。其外围电路如图4所示。图4其在Altiumdesigner中他的引脚图如图5：图5电源电路是核心板子能够正常工作最基本的电路。查芯片手册可知，该芯片需要1.0V/1.2V电压来供给内部逻辑电压（VCCINT）和PLL数字电压（VCCD_PLL）,需要2.5V来供给PLL模拟电压（VCCA）,另外IO电压（VCCIO）可接入1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.0V和3.3V等不同的电压来给每个片区提供不同的电压标准。因此，在设计上，把输入的5V电压分别转换为3.3V、2.5、1.2V等来维持板子正常工作。同时为了方便检测电源的工作状态，板子在3.3V电源输出处接上LED发光二极管（电源指示灯）。电源电路原理图如图6所示。图6VCC5:外部输入5V供电电压。VCC33:经AMS1117-3.3稳压器件转压的3.3V电压，一般用于供给时钟、配置电路等电压和特殊功能引脚高电平等。VCC25:经AMS1117-2.5稳压器件转压的2.5V电压，一般用于供给VCCA电压等。VCC12:经AMS1117-1.2稳压器件转压的1.2V电压，一般用于供给的VCCINT、VCC_PLL电压等。FPGA的时钟电路：在FPGA设计中时钟的最好解决方案是：由专用的全局时钟输入引脚驱动的单个主时钟去钟控设计中的每一个时序器件，只要有可能就因该尽量在设计项目中采用全局时钟，FPGA都具有专门的全局时钟引脚，它直接连到器件中的每一个寄存器。在器件中，这种全局时钟能提供最短的是在延时。在设计中我们用到一个全局时钟口CLK，由于它是单个时钟口，所有我们考虑用有源晶振时钟作为外部时钟来源。板字采用的是50MHz的晶振，为系统提供精准的时钟源，其原理图如图7所示：图7CLK为时钟输入。FPGA中的复位电路如图8所示：图8REST：低电平复位。nCONFIG：低电平复位,恢复逻辑高电平即重新配置。FPGA配置/下载接口:配置又称加载或下载，是对FPGA内容进行编程的一个过程。每次上电后需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点。在FPGA内部，有许多可编程的多路器、逻辑、互连线节点和RAM初始化内容等，都需要配置数据来控制。