电缆通路及绝缘的测试方法及测试仪与流程

本发明涉及一种电缆测试方法，特别是涉及一种电缆通路及绝缘的测试方法及测试仪。

背景技术：

电力电缆常用于城市地下电网、发电站引出线路、工矿企业内部供电及过江海水下输电线。在电力线路中，电缆所占比重正逐渐增加。电力电缆是在电力系统的主干线路中用以传输和分配大功率电能的电缆产品，包括1-500kv以及以上各种电压等级，各种绝缘的电力电缆。

随着设备自动化水平的逐渐提高，在导弹、卫星、飞机、舰船、发电站等大型装备的电能传输过程中，使用的多芯电缆日渐增多。多芯电缆常用于短距离内电能的输送和控制信号的传递。由于电缆受外界不良因素影响，加之部分电缆为移动铺设，在使用过程中不可避免地会发生故障。统计研究表明，上述领域中超过20％的系统故障是由于电缆的失效引起的。可见，多芯电缆发生故障己经成为影响系统整体可靠性的一个极为重要因素。设备及其控制附件中的电缆的导通电阻和绝缘电阻测试是控制系统测试的重要项目之一。导通电阻反映出电路两点之间的通断关系，绝缘电阻则反映电路独立回路之间的绝缘程度，它们量值的合格与否直接影响到控制系统的可靠性及控制结果的成败。

目前市场上已有成熟的高压电源产品，但是输出500v高压的电源往往都有很大的输出功率(100w以上)，这导致整个产品的价格会很高。而在电缆绝缘测试中却是高电压(100到1000v)，小电流(一般在10ma以内)，整个电源输出功率在几瓦到几十瓦之间，这种情况下若选择购买大功率产品，则会出现较大的浪费，而且购买已有的产品不方便电源的程控分档输出，操作过程中需要人为干预，导致系统可靠性降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于不同型号设备电缆的测试，在设备不接电源情况下能够自动完成电线电缆的导通关系和绝缘电阻测量任务，并具备后期的数据分析和结果保存功能的电缆通路及绝缘的测试方法及测试仪。

一种电缆通路及绝缘的测试方法，其步骤是：a、通过人机交互模块的键盘和显示器对被测电缆型号或编号、选择测试类型进行选择，并对电压输出等级、显示测试状态进行设置；

b、通过短路环将包含待测电缆芯线若干电缆芯线的一端短接，每条芯线看做一个电阻，从芯线的另一端引出测量端到该测试仪的转接箱上，使用通路检测模块上的惠斯通电桥检测外接电阻两端的电压从而计算两根芯线之间的通路电阻；

c、电缆芯线两端通过转接头连接到igbt模块上，由单片机控制对绝缘电阻进行检测，其步骤如下：

a、每根电缆芯线的a、b两端均连接有igbt，其中a端的igbt均与电源相连，b端的igbt均与地相连；

b、使用键盘选择要检测的某根芯线，单片机发出使与该芯线a端连接的igbt导通，与其他所有芯线a端连接的igbt关断，且使与该芯线b端连接的igbt关断，与其他所有芯线b端连接的igbt导通的指令；

c、由电源模块通过igbt施加测试电压后，使用绝缘检测模块上的电流电压法检测电路根据测量的外接电阻端的电压读取该芯线与其它所有芯线间的绝缘电阻；

d、将步骤a和步骤b中被测信号引出后，通过不同程度的放大，滤波，输入adc模块并调理到单片机adc模块可接受的范围后，通过单片机直接进行数据采集；

e、把单片机把采集出的电压计算通路和绝缘电阻发送给上位机，由上位机软件可以对这些数据进行处理，并存入数据库，对历史数据进行分析、建模、预测。

所述步骤c中电源模块输出至少三个电压等级用于绝缘电阻的测试，igbt模块，包含igbt开关和igbt驱动，用于将所有需要的信号及电源等接线端引出，并连接到单片机上，igbt模块的一排igbt用于与芯线a端相连，另一排igbt用于与芯线b端相连，其中a端的igbt均与电源相连，b端的igbt均与地相连，其中igbt模块的igbt阵列端设置选通译码器，对n芯电缆，使用x个i/o口在译码后能够输出2^x种不同状态，其中满足2^x>n，足以控制igbt阵列的到通关断。

所述igbt模块由igbt驱动电路进行驱动，该驱动电路分为二级，第一级是实现单片机信号与测试信号的隔离及保障嵌入式系统稳定运行光耦隔离器；第二级是晶体管驱动电路，也是真正意义上的igbt驱动，为igbt栅极提供可靠的驱动电压和驱动功率，其工作过程为；由单片机输出控制导通或关断信号，经过译码器译码后为ug，再经过光耦隔离，晶体管驱动，进而控制igbt的导通或关断，终实现电缆芯线的选通。

一种电缆通路及绝缘的测试仪，上位机通过串口或usb与单片机进行通讯，所述单片机与检测主板、直流电源模块和igbt模块连接，所述检测主板与转接箱连接；

单片机：能够接收上位机发出的指令，还将检测到的数据传递到上位机；

上位机：可以对这些数据进行处理，如存入数据库，对历史数据进行分析、建模、预测；

直流电源模块：通过单片机和译码器选通多路开关，实现各级电压的分档输出；

人机交互模块：包括键盘和显示器两部分，通过键盘进行相关功能的设置和通路及绝缘测试的切换并对检测信息进行显示；

igbt模块：包含igbt开关和igbt驱动电路；igbt开关用于将所有需要的信号及电源等接线端引出，并连接到单片机上；

igbt驱动电路：该驱动电路可分为二级，第一级是光耦隔离器，实现单片机信号与测试信号的隔离，保障嵌入式系统稳定运行，第二级是晶体管驱动电路，也是真正意义上的igbt驱动，为igbt栅极提供可靠的驱动电压和驱动功率；

转接箱：用于直接将电缆通过接头连接到转接箱上；

检测主板，包括通路检测模块以及绝缘检测模块。

所述igbt模块的一排igbt用于与芯线a端相连，另一排igbt用于与芯线b端相连，其中a端的igbt均与电源相连，b端的igbt均与地相连

igbt驱动电路由单片机输出控制导通或关断信号，经过译码器译码后为ug，再经过光耦隔离，晶体管驱动，进而控制igbt的导通或关断。

所述直流电源模块采用集成电源驱动芯片tl494作为开关电源控制器。

本发明的有益效果是：

1、本发明适用于不同型号设备电缆的测试，在设备不接电源情况下能够自动完成电线电缆的导通关系和绝缘电阻测量任务，并具备后期的数据分析和结果保存的功能，且有效节省时间和人力。

2、本发明将被测电缆被测量的接头都设计成转接形式，集成在一个模块上，需要测试时，直接将电缆通过接头连接到转接箱上，这样不但能提高整体测试速度，还可以减少工作量，完成了在短时间内对被测电缆进行多次测量。

3、本发明在将被测信号引出后，需要通过不同程度的放大，滤波，然后输入adc模块，由于现在多数单片机都已经内部集成若干个10或12位的adc模块，所以将被测信号调理到单片机adc模块可接受的范围后，就可以直接进行数据采集；在每片电路板上只安装64或是128个igbt开关，将所有需要的信号及电源等接线端引出，需要时可以连接到测试仪主板上，方便扩展。

4、本发明通过上位机或者人机交互来设置电源输出500v、250v、100v三个电压档位，针对不同的被测电缆或是绝缘材料，需要有不同等级的直流电压，根据实际需求，电源可以程控输出100v，250v，500v三个电压等级用于绝缘测试。

5、本发明在测量方面，将绝缘电阻测量网络和电缆导通关系测量网络融为一体，减小系统的体积和功耗；在通信和数据处理方面，融合单片机嵌入式设计技术、面向对象的软件设计方法、通信接口和计算机通信技术，大幅提高系统自动化程度，一名测试人员即可完成所有的测试操作，节省人力、物力和财力。

6、本发明实现了快速自动的智能化测试，所以可以在短时间内对被测电缆进行多次测量，节约测量时间，通过对多次测量结果进行数据比对和综合分析，可以进一步提高测量结果的准确度。

附图说明：

图1是电缆通路测试选通电路示意图；

图2是使用惠斯通电桥法测量导线通路电阻的示意图；

图3绝缘测试选通电路示意图；

图4电流电压法测绝缘电阻示意图；

图5是igbt驱动原理图；

图6是直流电源模块电路图；

图7是电缆通路及绝缘测试仪结构框图。

具体实施方式：

实施例：参见图1，图2，图3，图4，图5，图6，图7。

下面结合实例对本发明作更详细的说明。

电缆通路及绝缘测试仪的具体结构如图7所示，包括如下模块：控制电源输出模块，该模块采用集成电源驱动芯片tl494作为开关电源控制器，通过单片机选通多路开关，实现各级直流电压的分档输出(电路原理图如图所示6)；人机交互模块，包括键盘和显示器两部分；igbt阵列模块，包括igbt开关和igbt驱动，igbt开关用于将所有需要的信号及电源等接线端引出，并连接到测试仪主板上，igbt阵列模块的一排igbt用于与芯线a端相连，另一排igbt用于与芯线b端相连，其中a端的igbt均与电源相连，b端的igbt均与地相连，igbt驱动，该电路可分为二级，第一级是光耦隔离器，实现单片机信号与通路及绝缘测试信号的隔离，保障嵌入式系统稳定运行；第二级是晶体管驱动电路，也是真正意义上的igbt驱动，为igbt栅极提供可靠的驱动电压和驱动功率。igbt驱动的工作原理是由单片机输出控制导通或关断信号，经过译码后为ug，再经过光耦隔离，晶体管驱动，进而控制igbt的导通或关断，最终实现电缆芯线的选通；还包括转接箱，用于直接将电缆通过接头连接到测试仪的转接箱上；嵌入式系统包括单片机和检测主板，检测主板包括通路检测模块以及绝缘检测模块。

至少包括100v、250v、500v三档程控直流电源模块：针对不同的被测电缆或是绝缘材料，需要有不同等级的直流电压，根据实际需求，电源可以程控输出100v，250v，500v三个电压等级用于绝缘测试。

人机交互模块，包括键盘和显示器两部分。通过人机交互模块，可以进行一些基本的设置，如选择被测电缆型号(编号)、选择测试类型(通路或绝缘)、设置电压输出等级、显示测试仪状态等。上位机，处理器与上位机之间可以进行通信(串口或usb)，处理器能够接收上位机发出的一些指令，还可以将检测到的数据传递到上位机，上位机软件可以对这些数据进行处理，如存入数据库，对历史数据进行分析、建模、预测等。电源输出控制模块，可以通过上位机软件或者人机交互来设置电源输出500v、250v、100v三个电压档位。

对于一条n芯的电缆，需要有2n个igbt开关组成的igbt模块，对于如此大规模的igbt开关阵列，由于单片机i/o资源有限，不可能通过i/o口直接控制导通或关断，所以考虑采用译码器，对n芯电缆，使用x个i/o口在译码后能够输出2^x种不同状态，其中满足2^x>n，如400芯电缆，9个i/o口在译码后能够输出2^9＝512种不同状态，足以控制igbt阵列的到通关断。

在将被测信号引出后，需要通过不同程度的放大，滤波，然后输入adc模块。考虑到现在多数单片机都已经内部集成若干个10或12位的adc模块，所以将被测信号调理到单片机adc模块可接受的范围后，就可以直接进行数据采集。在每片电路板上只安装64或是128个igbt开关，将所有需要的信号及电源等接线端引出，需要时可以连接到测试仪主板上。如此，则也方便系统的扩展。

结合图1，电缆通路测试选通时，利用短路环将包含待测芯线的若干电缆芯线一端短接，则对于一条n芯电缆，每条芯线可看做一个电阻ri，一端短接后，从另一端引出测量端，若n为偶数，则需要测量n/2次，若n为奇数，则需要测量(n+1)/2次(有一条芯线会被测两次)。如图所示1，可以在r1和r2端引出两条线，作为测量端，同理，可以一直测试到r399和r400。

在进行通路电阻测试时，采用惠斯通电桥法检测通路电阻，电路原理图2所示。

经过推导可得：

其中，rx为待测通路电阻，rc为限流电阻，且使ri与rx+rc接近，其余电阻均为外接电阻。

使用这种方法，由于uo2和uo1相比，可以有效减少电源电压波动对测试精度的影响，但缺点是每次测试要读两个参数。

若电源电压非常稳定，而左侧桥臂两电阻相等，且精度和温漂系数非常接近，也可以只读取uo1，则公式可简化为：

其中u为v电源电压vcc。

电缆绝缘测试选通时，例如要检测图3中1号芯线(线芯1)时，可以发出指令让igbt开关z1a导通，其他所有的igbt开关zia关断，而让igbt开关z1b关断，其他所有igbt开关zib导通，其中a端的igbt均与电源相连，b端的igbt均与地相连，则相当于孤立出1号芯线，然后将其他所有芯线短接，施加测试电压后即可读取1号芯线与其它所有芯线间的绝缘电阻。

电缆绝缘测试采用电流电压法，原理如图4所示：

推导后可得被测电阻rx为：

其中rx1为绝缘电阻，其余电阻为外接电阻。

igbt驱动电路如图5所示。考虑到系统中igbt数量很多，但实现的功能又非常简单(开关功能)，如果用集成igbt驱动模块，虽然会适当地简化设计，但是许多功能都用不到，会造成资源的浪费，而且成本也会很高，所以决定采用分立元件构成igbt驱动电路。该电路可分为二级，第一级是光耦隔离器，实现单片机信号与通路/绝缘测试信号的隔离，保障嵌入式系统稳定运行；第二级是晶体管驱动电路，也是真正意义上的igbt驱动，为igbt栅极提供可靠的驱动电压和驱动功率。

驱动电路工作过程为：单片机输出控制导通或关断信号，经过译码后为ug，再经过光耦隔离，晶体管驱动，进而控制igbt的导通或关断，最终实现电缆芯线的选通。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。