耐電壓測試儀器的特性及應用

耐電壓測試儀器的特性及應用

摘 要：簡要介紹安規耐壓試驗及市場流行的耐壓測試裝置的電路結構、原理、功能及應用。

關鍵詞：耐電壓試驗；調壓器；儀器；應用

1 概述

耐電壓測試儀器(以下簡稱耐壓測試儀)常用于電器產品或電子元器件等的絕緣性能試驗和參數測試，它與絕緣電阻測試儀器(絕緣電阻表)配合，可非破壞性地檢查被試品的絕緣水平，并與泄漏電流測試儀器、接地電阻測試儀器等組成“安規測試”四大件，用于家用電器的電氣安全性能測試，也常用于電機、電線電纜、電容器等元器件的測試。由于被試品及其試驗標準的多樣性，耐壓測試儀的產品也是形形色色，交直流耐壓儀、絕緣耐壓測試儀、程控耐壓測試儀、自動耐壓側試儀、三合一、四合一、脈沖耐壓測試儀、電容器耐壓測試儀……等”令人目不暇接。要科學地進行耐壓試驗，就應有針對性地選用耐壓測試儀，同時，耐壓測試儀在許多情況下又具有“標準”屬性和“計量”屬性。其“標準”屬性是指儀器是否能夠滿足被試品的試驗標準(包括試驗方法)，有國家頒布的標準，也有國際認證組織的標準。滿足標準與否、滿足何種標準、計量準確與否，對被試產品的安全性能、市場范圍有著重要意義，成為不可忽視的考察內容。

2 耐電壓試驗

耐電壓試驗就是對被試物品施加一個高于工作或運行中可能遇到的過電壓數值的交流或直流電壓，并經歷一段時間，以檢查其絕緣水平。直流耐壓試驗的試驗電壓較高時，也能從一定程度上反映被試品的絕緣性能，但對保證被試品的安全運行是不夠的。因為在直流電壓作用下，分層介質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中的電壓分布與電容量成反比不同。所以，為了進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，還應進行交流耐壓試驗。交流耐壓試驗能更好地模擬被試品在實際使用中承受過電壓的情況，比起直流耐壓來，往往能更有效地發現被試品的局部缺陷，如絕緣損傷等。直流耐壓試驗可用于交流耐壓試驗之前初步檢驗絕緣狀況，也用于有極性的被試品，因為這樣的被試品在施加交流過電壓后會在電壓極性變換時呈現很小的阻抗，無法判斷絕緣性，甚至損壞被試品，如電解電容器、二級管等。有些被試品在交流電壓下呈現低阻抗或實際總是運行在直流狀態下時，也用直流進行耐壓試驗，如電解電容器等。

由于交流耐壓試驗的試驗電壓一般比工作電壓高許多，對絕緣性能不良的被試品來說，是一種破壞性試驗。對于造價高，結構復雜的被試品，進行此項試驗前，應先進行絕緣電阻測量、直流泄漏甚至直流耐壓試驗，若發現絕緣性能有缺陷，應進行綜合分析和判斷，才能決定該被試品是否能承受交流耐壓試驗的電壓，然后再進行試驗，以免對被試品造成破壞和損傷。

3 交流耐壓測試裝置的類型和特性

3.1 調壓器升壓型交流耐壓試驗裝置

調壓器升壓型交流耐壓試驗裝置的結構如圖1所示。由圖1可知，工頻電網電壓經自耦調壓器調整，升壓變壓器升壓后輸出，施加在被試品上。當S1按下時，交流接觸器JLC吸合，按照一定的程序調整調壓器，使電壓表示值逐步升至試驗電壓值，觀察電流表，經一定時間后，電流值仍在允許范圍內，可確認被試品的耐壓性能符合要求；如電流表示值超出允許范圍，說明被試品耐壓不良，按下S2，切斷試驗電源；如被試品發生擊穿，升壓變壓器電流急劇上升，則過流繼電器動作，切斷JLC電源，從而切斷輸入電源，保護試驗裝置不被損壞。 這類耐壓試驗裝置的結構簡單，抗干擾能力強，輸出功率大(可達數十千瓦)，輸出電壓高(數十千伏甚至數百千伏)，但對被試品有電弧、爬電、閃絡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，多為人工操作進行控制，不便于對多個被試品連續測試，多用于電力系統的耐壓試驗。

3.2 小型調壓器升壓型耐壓測試儀

如圖2所示，這類耐壓測試儀與前一類的控制部分不同。工頻電網電壓在繼電器J吸合后，經自耦調壓器調整，升壓變壓器升壓之后輸出，施加在被試品上。當按下START時，繼電器J吸合，按照一定的程序調整調壓器，使電壓表示值逐步升至試驗電壓值，漏電流由電阻器R3轉換為電壓，送到比較器的二個輸入端之一，與比較器另一端預先設置好的對應于某一標準電流I1的基準電壓值V1進行比較，當V>V1時，比較器輸出的電信號使控制器及時驅動繼電器動作，切斷高壓輸入電源，從而保護被試品或試驗裝置免遭破壞，并驅動聲、光裝置，送出相應警告信號，提示被試品耐壓試驗失敗。如電流I在定時器設定的時間內未超過標準，則控制器在收到定時結束信號時驅動繼電器J動作，切斷高壓輸入電源，自動結束一次試驗。電流表可監視試驗過程中電流的大小和變化。 這類耐壓試驗裝置的結構較前一類復雜，抗干擾能力和可靠性取決于控制器的設計和電子元件的質量，測試源輸出功率較大，輸出電壓較高(數十千伏)，輸出電壓設置必須在電壓輸出的情況下進行，在功率范圍內，輸出電壓會隨負載電流的變化而變化，對被試品有電弧、爬電、閃絡等絕緣性能方面的潛在隱患不敏感。漏電流顯示值有時會受測試電壓高低的影響，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，有自動切斷功能，可對被試品連續、多次進行立即升壓測試，但對有分時分壓試驗標準或緩慢升壓標準的被試品，不便于進行連續自動測試。多用于早期標準的耐壓試驗，又被稱作“傳統機型”或“常規機型”，價格較低。

3.3 無調壓器程控型耐壓測試儀

由于各種測試標準不同、流水線大批量測試及人們對電器安全性能的認識不斷提高，要求耐壓測試裝置的功能相應提高，調壓器式的耐壓測試儀器的功能有限，采用全電子程控技術和功率電子技術的新型耐壓測試儀正在普及。目前，這類耐壓測試儀器主要分為兩種：一種采用單片機作為監控中心、數字波形合成技術＋線性功率放大器作為測試源；另一種采用單片機作為監控中心、SPWM(正弦脈寬調制)脈沖發生器＋IGBT(絕緣柵雙極晶體管)脈沖功率放大器作為測試源。前者的結構如圖3所示，后者的結構如圖4所示。 這種耐壓測試儀的結構較復雜，抗干擾能力和可靠性取決于整機的設計和電子元件的質量，輸出波形失真小，輸出頻率可變(50Hz/60Hz)，輸出電壓調整范圍寬、控制精度高，在功率范圍內的輸出電壓穩定，不受負載變化的影響，測試源輸出功率一般可達到500W，超功率輸出時儀器能自動保護，輸出電壓設置在無電壓輸出的情況下進行，安全性好，對被試品有電弧、爬電、閃絡等絕緣性能方面的潛在隱患的檢測容易實現，電壓輸出方式可通過軟件滿足多種標準要求，如分段升壓、定時升壓、定速升壓等，能進行擊穿點分析，擊穿保護速度快，漏電流顯示分辨率可達納安級，非常適用于高標準的電器或元器件測試。工作時對電網干擾小，儀器的校準通過按鍵或通信接口進行，便于和計算機聯網完成測試統計、分選工作，可對被試品連續進行測試，價格略高。

圖4所示的這種耐壓測試儀的結構較復雜，抗干擾能力和可靠性取決于整機的設計和電子元件的質量，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整范圍較前者低，在功率范圍內輸出電壓穩定，不受負載變化的影響，測試源輸出功率容易達到數千瓦，超功率輸出時儀器能自動保護，輸出電壓設置在無電壓輸出的情況下進行，安全性好。電壓輸出方式可通過軟件滿足多種標準要求，擊穿保護速度快，工作時對電網干擾較大，儀器的校準通過按鍵或通信接口進行，便于和計算機聯網完成測試統計、分選工作，可對被試品連續進行測試，價格略高。

4 交/直流耐壓測試裝置的類型和特性

無論何種交/直流耐壓測試裝置，其直流部分都是在交流測試裝置的基礎上加裝整流、濾波元件和切換機構組成的。傳統調壓器型直流耐壓儀的功能指標與程控型的功能指標的差別很大：前者的漏電流示值分辨力遠遠低于后者，在數十微安級甚至更大，后者可達到納安級；在測試容性試品時，因為充電階段的電流較大，經常引發前者誤判斷，甚至無法測試；而后者可通過降低升壓速度或延長升壓時間圓滿解決問題，當完成容性試品測試后，前者不易實現自動放電，安全性差，后者則不然；當阻性試品的阻值較小時，前者的紋波明顯大于后者。

5 常用耐壓測試裝置的選用

選用耐壓測試儀，首先應符合被試品的標準要求，其次是考慮其擴展性能和價格。另外，還應從以下幾個方面考慮：50Hz下的測試電壓小于5kV，漏電流小于10mA，定時時間在60s內，可選用常規調壓器型5kV/20mA規格的儀器，否則，應選用5kV/12mA的程控機型；

50Hz下的測試電壓小于5kV，漏電流小于20mA，定時時間在60s以內，可選用常規調壓器型5kV/20mA規格的儀器，否則，應選用5kV/20mA程控機型；

50Hz下的測試電壓小于5kV，漏電流小于100mA，定時時間在60s以內，可選用常規調壓器型5kV/100mA規格的儀器，否則，應選用5kV/100mA程控機型；

需進行直流耐壓試驗時，電壓高于10kV，選用常規調壓器型，否則，應盡量選用程控機型；

元器件、小家電、小電器、電動工具等應選用程控機型。