多芯电缆绝缘电阻检测的设计与实现

李 诚，高 甲，李林芳，赵 宇，高 腾

（1.云南电网有限责任公司红河供电局，云南 红河 661100；2.西安双英科技股份有限公司，陕西 西安 710075）

随着自动化水平的不断提高，多芯电缆作为电能和控制信号传输的载体，在大型设备领域中得到了广泛的应用。通常电缆处于湿热易腐等复杂环境中，同时在对其铺设过程中易受外力影响造成线缆自身绝缘损坏，进而导致系统故障的产生。相关数据统计结果表明，在大型设备领域中因电缆失效导致系统故障约占20%左右，因此多芯电缆的可靠性对系统的稳定运行具有重要的影响。本文针对绝缘电阻检测的需求，采用微处理器和CAN总线的方式对电缆进行绝缘检测，具有自动化程度高、通用性强等特点。

1 系统总体框图

1.1 系统组成

为了实现对多根电缆同时检测的功能，本文采用CAN总线的方式实现管理主机与检测装置之间数据交互，从而实现分布式检测装置的实时检测。

在分布式检测系统中，管理主机作为上位机与下位机间通过人机界面进行交互，用户根据实际检测需求通过检测软件对被测电缆进行相关设置，并将检测所须信息发送给分布式检测装置，同时在PC界面显示检测装置上传的检测结果。电缆检测装置接收主机下发的检测命令信息，并根据指令完成电缆检测同时将检测数据进行上传[1]。用户通过USBCAN转换装置将PC与检测装置进行连接，从而实现CAN通信。分布式电缆检测装置间采用公共测量线进行连接，保证不同检测装置间可以形成一个检测回路。

1.2 检测装置功能

电缆检测装置根据其功能需求主要由主控单元、处理电路单元、CAN总线接口单元、激励源单元、通道切换单元和检测电路单元构成。其总体功能结构如图1所示。

图1 测试装置结构框图

主控单元。该单元是测试装置的核心，采用DSP作为CPU，内部集成CAN通信模块，主要用来实现检测的过程控制和检测结果的数据处理、存储及上传。

CAN总线接口单元。总线上的数据信息交互通过该单元来实现，从而完成数据收发。

激励源单元。该单元为电缆绝缘电阻检测提供激励。

通道切换单元。待测电缆通过该单元与测试回路进行连接。

检测电路单元。通过该单元对模拟量信号进行采样，并对其进行调理，为主控单元提供匹配的信号[2]。

2 硬件设计

2.1 绝缘电阻检测原理

本文采用电压电流法对电缆的绝缘电阻进行检测，如图2所示。

图2 电压电流法原理图

其中采样电压U1与回路电流Ix成正比，如下所示：

式中：R0为限流电阻；Rx为绝缘等效电阻；Rm为采样电阻。由式（1）和式（2）可知：

由于激励源、限流电阻和采样电阻为已知量，因此绝缘电阻值如下所示：

本文采用的绝缘检测电路如图3所示。其中待测电缆等效绝缘电阻用R来表示，R1、R2为保护电阻，直流250、500 V为激励源，R3为采样电阻，为了防止过电压对A/D造成损坏，通过二极管D1对其进行保护，接地电感L1可以减小激励对系统地产生的干扰。

对绝缘电阻进行检测时，通过上位机对电压等级、通电时间进行设置，检测装置根据下发的指令信息对继电器S1、S2进行控制，从而将检测所须的直流激励源接入电路。待测电缆经过通道切换接入回路中后，对系统进行供电并持续一段时间后再进行采样。根据回路中激励电压、保护电阻和采样电阻的可以计算出绝缘电阻R的阻值[3]。

2.2 绝缘激励源

本文采用250、500 V两个等级的直流电压作为电缆绝缘电阻检测的激励源。按照国标GB/T 3048.5—2007《电线电缆电性能试验方法》中关于绝缘电阻试验的有关规定，对电源模块进行合理选型，并对其外围电路进行设计，以保证激励源满足绝缘电阻测试需求[4]。

为了降低电源模块的成本，绝缘电阻检测激励源采用两个相同的250 V电源模块进行供电，当选择一个模块供电时，输出电压为250 V，2个模块串联使用时可，输出电压为500 V，这样有利于电源模块的更换和维护。根据系统要求，绝缘检测电源应满足以下指标：

输入电压直流12 V，输出电压直流250 V；

输出电压纹波小于1%；

具有短路保护和过流保护功能，限流1 mA；

电源输出可控，过压、欠压时可灵活控制电源输出。

电缆绝缘电阻检测用直流电源框图如图4所示。

2.3 信号处理

检测电路用来对信号进行处理，其中运算放大器和低通滤波电路的合理搭配可以对信号进行隔离，并提高其抗干扰能力，如图5所示，其中运放要根据精度及所处环境进行选择。结合实际检测所须的精度要求，本文所设计的绝缘检测电路选择输入阻抗为1.5 TΩ的运放，共模抑制比要求不低于120 dB，运放的选型还要考虑温漂较低的器件。图5中低通滤波器由电阻Rj和电容Cj构成，输入信号经过滤波电路可以消除干扰信号，保证输入信号的稳定，电路通过电阻R来对电流进行限制，防止过流冲击，稳压二极管将电压稳定在3 V，起到电压保护的作用[5]。

3 软件设计

3.1 CAN总线通信

CAN总线正常通信前需要对其进行初始化配置，主要包括波特率、通信报文接收滤波方式和滤波控制寄存器的配置。CAN通信可以实现点对点、单点对多点等报文收发方式，其中CAN通信报文是否进行存储由报文滤波技术来决定，报文滤波技术主要有2种，一种是单滤波模式，另一种是双滤波模式，本文采用单滤波器模式，通过对验收码寄存器和接收屏蔽寄存器的配置可以实现滤波器的控制。当通信报文中识别符与验收码寄存器的初始设定值一致时，CAN控制器才会将接收到的报文信息在缓存中进行存储[6-7]。本文CAN总线通信相关配置如表1所示。

表1 CAN通信配置表

3.2 DSP程序设计

DSP程序需要具有CAN总线通信、AD采样和检测数据处理及存储控制的功能，同时还需要对实时工作状态进行显示，并能对各功能单元进行协调调度，以满足绝缘检测的需求[8]。绝缘电阻检测程序流程图如图6所示。

根据电缆绝缘检测原理并结合实际情况，通过程序实现检测算法，根据检测数据可以获得待测电缆的绝缘特性，该装置可以对电缆绝缘电阻进行准确测量，并在上位机中显示检测结果，方便用户检测。

图6 程序流程图

4 功能验证

为了验证本文设计的绝缘电阻检测装置的功能及其准确性，将待测电缆用不同阻值的电阻来等效，绝缘检测包括250、500 V 2种电压模式，采用万用表对电阻阻值进行测量，并将其结果作为参考值，然后与绝缘检测装置的测试结果进行比较，判断检测装置的检测精度。

电缆通电时间选择1 s，分别在250 V和500 V两种电压模式下对其进行测试，如表2所示。

由以上测试结果可以发现，在250 V和500 V两种电压模式下，绝缘电阻的测量误差均在5%以内，验证了绝缘电阻检测装置的功能及其精度。

表2 绝缘电阻测试结果

5 结束语

本文基于多芯电缆应用及测试面临的问题，从绝缘电阻检测的角度出发，对电缆绝缘特性以及绝缘检测进行了研究，分析了多芯电缆绝缘电阻的测试方法，提出了一种基于微处理器+CAN总线的绝缘电阻自动检测装置。首先对装置的整体方案进行研究，然后根据检测功能需求对其硬件结构和软件结构进行了设计，最后通过试验验证了该检测装置的可行性和测试结果的准确性。该检测方法具有操作灵活、检测效率高等特点，采用该检测装置既能有效降低检测强度，又能保证测试结果的准确性，具有很好的应用前景和现实应用价值。