（测试计量技术及仪器专业论文）仪器仪表电气安全综合测试仪测试系统的设计.pdf

摘要 摘要 本文介绍了安规测试技术的国内外发展现状和趋势，分析了交流耐压、接 地电阻、绝缘电阻、泄漏电流等电气安全测试的原理，研究了适用于仪器仪表 电气安全性能测试的测试技术，设计制作了符合i e c 6 1 0 1 0 标准的仪器仪表电气 安全性能综合测试仪( 目前我国的电气安全性标准仍采用的是等同i e c l 0 1 0 标 准的g b 4 7 0 6 ) ，本文重点是测试系统的设计。 仪器仪表电气安全综合测试仪由控制系统和测试系统构成。控制系统主要 由计算机、单片机和c p l d 组合逻辑单元等组成；测试系统包括：程控电源( 包 括直流电源和交流电源两种) 、六项指标的测试回路以及对应的信号采集单元。 测试仪采用交流2 2 0 v 供电，经程控电源模块分别给各个测试回路供电，各个测 试回路有其独立的信号采集单元，测得电压和电流信号通过简单的模拟电路调 理，利用单片机内集成的高速a d 采集进单片机，计算出峰值和有效值，并且 画出实时的电压电流波形。 实验结果表明，绝缘电阻测试直流电压2 5 0 v 、5 0 0 v 、1 0 0 0 v 可自由设定， 电阻测试范围0 1 mq - 2 0 0 0mq ，精度1 ；交流泄漏电流测试电压2 3 3 v ( a c ) ，泄漏电流测试范围0 , - - 2 0 m a ；测试精度为5 0 1 m a ；交流耐压测 试的电源范围为5 0 0 v - - 5 0 0 0 v 连续可调，漏电流测试范围为0 1 m a 2 0 m a ，漏 电流测试精度为3 ；接地电阻测试：当测试电流为1 0 a 时，接地电阻最大值 6 0 0 mq ，测试精度为2 ；测试电流为2 5 a 时，接地电阻最大值3 0 0 mq ，接 地电阻测试精度是2 5 ；温度测试范围0 , - 一1 0 0 ，功率测试范围1 0 , - - ，2 0 0 0 w 。 设计的仪器仪表电气安全综合测试仪具有以下特点：通过设计耐压和接地 电阻的程控交流电源，提高了输出电压波形的稳定性和精度；进行了电路保护 的设计，避免在耐压实验中由于泄漏电流过大或者因操作不当引起的瞬时短路 而造成的过电流；泄漏电流测试电路采用高性能光隔离放大器，简化了模拟电 路；采用内部集成高性能a d 转换器的单片机进行采样和控制，p c 机进行测试 操作显示，提供了方便的人机交互界面；增加了功率和温度两项辅助测试指标， 完善了测试功能。 本课题的研究技术关键在它的测试系统设计符合最新国际标准i e c 6 1 0 1 0 ， 摘要 对仪器仪表电气安全测试技术水平提高，缩小国内相关仪器同国际上同类仪器 的技术差距具有重要的意义。 关键词：标准，测试，电气安全，泄漏电流 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h es a f e t yr e q u i r e m e n ti ni n s t r u m e n t t e s tr r ei n t r o d u c e db o t ha th o m ea n da b r o a di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p l eo fa c w i t h s t a n d i n gv o l t a g et e s t , g r o u n d i n gr e s i s t o rt e s t ，l e a k a g ec u r r e n ta n di n s u l a t i o n r e s i s t a n c et e s ti sa n a l y z e d t h et e s tt e c h n i q u eo ft h e s ef o u rs u i t a b l et oi n s t r u m e n t s a f e t yt e s ti sr e s e a r c h e d ，a n dan e wm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o ri n s t r u m e n t s a f e t yt e s ti ne l e c t r i cc o r r e s p o n d i n gt os t a n d a r do fi e c 6 1010i sd e s i g n e d ( n o wt h e s t a n d a r da d o p t e di nc h i n ai sg b 4 7 0 6 ，w h i c hi se q u a lt oi e cioio ) t h ee m p h a s i si s 1 ed e s i g no fm e a s u r i n gs y s t e m 砀ee l e c t r i c a ls a f e t yc o m p l i a n c ea n a l y z e ri n c l u d e sm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e m t h em e a s u r i n gs y s t e mc o n s i a so fap c ，am c ua n dac o m p l e xp l d t h e c o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d e sap r o g r a m m i n ge l e c t r i c a ls o u r c e ca n da cs o u r c e ) ，t h e t e s tc i r c u i t s ，t h es i g n a ls a m p l i n ga n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t se t c i ti sp o w e r e db y2 2 0 v ( a c ) a n de v e r yt e s tc i r c u i ts u p p l i e db yt h ep r o g r a m m a b l ee l e c t r i c a ls o u r c e e v e r y c i r c u i th a si t ss i g n a ls a m p l i n gp a r t v o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a l sa r es a m p l e db ys i g r m l s a m p l i n gc i r c u i t s m c ui n t e g r a t e sah i 曲p e r f o r m a n c ea d c ，w h i c hc a nc o n v e xt h e s a m p l e dt od i g i t a ls i g n a l s t h ec o m p u t e rc a nc a l c u l a t et h ep e a kv a l u ea n dt h er o o t m e a ns q u a r e ( r m s ) o f t h e s es i g n a l sa n dd r a ws y n c h r o n i z i n gs i g n a l sw a v e n 圮r e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h et e s tr a n g eo fl e a k a g ec u r r e n tr a n g e s f r o m0t o2 0 m a ，a n dt h et e s te r r o ri sl e s st h a n4 - 5 4 - 0 1m a t h ei n s u l a t i o nt e s t r e s o u r s eh a st h r e es c a l e ，2 5 0 v 5 0 0 v 1 0 0 0 d c t h et e s tr a n g e sf r o mo 1 mqt o 2 0 0 0 mq ，a n dt h et e s te r r o ri sl e s st h a n4 - 1 t h ev o l t a g eo fa cw i t h s t a n d i n g v o l t a g er a n g e sc o n t i n u a l l yf r o m5 0 0vt o5 0 0 0 v , t h em e a s u r i n gl e a k a g ec u r r e n t r a n g e sf r o mo 1m a t o2 0 m a ，a n dt h em e a s u r i n ge r r o ro ft h el e a k a g ec u r r e n ti sw i t h i n 3 w h e nt h et e s t i n gc u r r e n ti s10 a ，t h em a x i m u mm e a s u r i n gv a l u eo fg r o u n d i n g r e s i s t o ri s6 0 0 m oa n dt h et e s te r r o ri sl e s st h a n 2 n l em a x i m u mm e a s u r i n g v a l u eo fg r o u n d i n gr e s i s t o ri s3 0 0 m qa n dt h et e s te r r o ri sl e s st h a n4 - 2 5 ，w h e n t h et e s t i n gc u r r e n ti s2 5 a t h et e s tr a n g eo ft e m p e r a t u r ei s0 一1o o 。a n dt h et e s t i h a b s t r a c t r a n g eo f p o w e ri s1 0 w 2 0 0 0 w t h ee l e c t r i c a ls a f e t yc o m p l i a n c ea n a l y z e rh a sal o to fc h a r a c t e r i s t i c ：t h e p r o g r a m m i n ga cs o u r c ei si n t r o d u c e di nw i t h s t a n d i n gv o l t a g et e s ta n dg r o u n d i n g r e s i s t o rt e s t ，w h i c hm a k es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h ee l e c t r i c a ls a f e t yc o m p l i a n c e a n a l y z e ri n c r e a s i n g f o ra v o i d i n ge x c e s s i v ec u r r e n ti nw i t h s t a n d i n gv o l t a g et e s t w h i c hi n t r o d u c e db ys h o r tc i r c u i to rw r o n go p e r a t i o n , w ed e s i g nt h ep r o t e c tc i r c u i t l e a k a g et e s t u s eah i 曲p e r f o r m a n c ep h o t o e l e c t r i cc o u p l i n ga m p l i f i e r , w h i c h s i m p l i f i e dt h es i m u l a t i o nc i r c u i t s a m p l e sa n dc o n t r o l sc a nb ea c c o m p l i s h e db yt h e m c ut h a ti n t e g r a t eh i g h - p e r f o r m a n c ea dc o n v e r t e lt h et e s tp r o g r e s sa n dt e s tr e s u l t d i s p l a y o np cs c r e e n t h ec o m p u t e ro f f e r sac o n v e n i e n c eh u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o ni n t e r f a c e t h ed e s i g nh a si n c r e a s et w oa u x i l i a r yt e s ti n d e x e so fp o w e ra n d t e m p e r a t u r e ，i m p r o v i n gt h ef u n c t i o no ft e s t i n g t h ek e yp o 缸o ft h et e c h n i q u er e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l ei st h a ti t sm e a s u r i n g s y s t e mc o n f o r m st oi e c 6 1010 t h i st o p i ce n h a n c e st ot h ei n s t r u m e n tm e a s u r i n g a p p l i a n c ee l e c t r i c i t ys e c u r i t yt e s t i n g t e c h n i c a ll e v e l ，r e d u c e st h ed o m e s t i ct e s t i n s t r u m e n t 、析mo nt h ei n t e r n a t i o n a l s i m i l a ri n s t r u m e n tt e c h n i c a ld i s p a r i t yh a s i m p o r t a n tm e a n i n g k e yw o r d s ：s t a n d a r d ，t e s t ，e l e c t r i c a ls a f e t y , l e a k a g ec u r r e n t i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：袁恭 加年月日 本授权书。 指导教师签名旁i 带乒u 学位论文作者签名凌抟 亭劢易年多月，易日y 彩年；月，日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：表始 加年弓月f 日 引言 第1 章引言 1 1 安规测试技术和设备的发展现状和趋势 安规也就是我们所说的安全标准的规定，安规测试技术从广义上讲，是指 符合各种安全标准的测试技术，安规测试目的是为了确保产品符合安全标准的 规定，以保证生产和人身安全。安规测试技术涉及到生产和生活领域的各个方 面，不同的产品的安全标准不同，所需要测试的安全参数也不同。本文论述的 安规测试技术主要是针对仪器仪表和电子产品的电气安全性能测试技术。 随着科学技术的迅速发展；各种仪器仪表和电子产品渗透到社会生活的各 个领域，仪器仪表作为测量工具在经济的发展中起到了重要的作用。自我国加 入世贸组织后，为了加强国际竞争力，对仪器仪表的产品的各项指标的标准在 不断修订提高，以加强仪器仪表产品的国际竞争力。目前，各国对于产品的安 全性的要求都比较高，对仪器仪表和电子产品安全性要求也在不断提高。为了 保证仪器仪表和电子产品的使用安全和人身安全，对该类产品的成品和半成品 的电气安全性能的检测尤为重要。电子电器产品电气安全性能参数主要包括： 交直流耐压，交直流绝缘阻抗，接地电阻，泄漏电流等。这些电气安全性能 参数表征了设备和产品工作的电气可靠程度和使用者安全程度，生产厂家、产 品质量监督部门和消费者等都特别重视产品的电气安全性能参数。只有产品的 生产和实验过程都严格执行标准中的各项规定，仪器仪表的电气安全性能就有 了可靠的保证。因此贯彻实施相关的国家标准，对提高电器电子产品的质量及 其安全性能将产生极大影响，并为我国仪器仪表产品大量进入国际市场开辟了 广阔的前景。 国际上有许多国家和地区都制定了比较完整的电气安全性能的检测标准， 标准涵盖面非常的广泛，我国也不例外。2 0 世纪7 0 年代末期起，各种用于各 类电子、电器产品安全性能测试的仪器迅速发展，形成了一个新的电子仪器门 类以及相应的安全标准，发展到现在，该标准已经成为国家强制性认证指标之 一。目前在全球范围内已形成i e c 安全标准和u l ( 美国保险商实验所) 安全标 准两大体系。我国广泛采用或等同采用i e c 安全标准的国家标准体系。但是我 引言 国在标准的制定和发展上还是落后于国际的先进水平，2 0 0 1 年，i e c 对测量、 控制及试验室用电气设备的安全系列标准进行了重新修订，并于同年颁布了 i e c 6 1 0 1 0 标准以替代i e c l o i o 标准。该标准针对仪器仪表产品的安全测试技术， 对各类产品安全限值的要求进行了详细的规定。目前我国的电气安全性标准仍 采用的是等同i e c l o i o 标准的g b 4 7 0 6 。为了更好的与国际接轨，我国正在参照 i e c 6 1 0 1 0 准备制定相应新国标，并将强制实施，随之产生的对符合新标准的专 用电气安全测试仪器的需求，因此符合i e c 6 1 0 1 0 标准的仪器仪表电气安全性能 测试仪具有深厚的发展基础和广阔的市场空间。仪器仪表电气安全测试设备的 发展是贯彻国际国内安全标准的必然结果。 目前，发达国家和地区在仪器仪表电气安全检测方面的技术手段和测试设 备较完善、成熟，其特点是符合各类国际标准要求、安全系数高、仪器虚拟化 程度高、操作简单、效率高，在各项性能参数的测试技术中，一般采用i e c 标 准推荐的测试方法。以台湾华仪公司产品9 1 0 0 电气安全测试系统为例，泄漏电 流测试范围o 一- - 6 m a ，分辨率0 0 0 1 m a ，输入电压o - - 3 0 0 v ( a c ) ，分辨率o 1 v ， 人体模拟网络内建5 组，外接1 组；绝缘电阻测试范围最大9 9 9 9 m q ，测试电 压o 1 0 0 0 v ( d c ) ，测试精度1 3 ；交流耐压测试电压o 1 5 k v ( 电压测试 精度5 ) ，漏电流0 5 l o o m a ( 漏电流测试精度5 ) ；接地电阻测试电 流i o a 2 5 a ( a c ) ，测试电压不超过l o v ，接地电阻测试范围最大6 0 0 i nq ( 测 试精度5 ) 。其中符合多种国际测试标准是最显著的特点，但价格较昂贵。 国内在仪器仪表电气安全性能检测技术方面还落后于发达国家，主要表现 在较多使用台式结构的单项指标测试仪器，测试指标单一；采用传统的测试方 法，人为和环境因素对测试结果的影响很大；测试标准没有达到国际先进水平； 测试仪器体积较大使用不方便；仪器智能化程度较低等。随着市场对测试仪器 体积的小型化、操作的智能化和结果精确度的要求越来越高，市场对于集多功 能为一体的、智能化的测试仪器需求越来越迫切。目前，国内有些厂家已经开 发出了可以测试多个电气安全性能指标的综合性测试仪器，如青岛艾诺和南京 长盛仪器公司开发的产品，但是他们的产品采用的测试标准是g b 4 7 0 6 。完全符 合i e c 6 1 0 1 0 的仪器仪表专用综合电气安全测试仪目前国内未见有成熟产品。 现有的电气安全性综合测试系统大多采用单一测试标准，测试对象有一定 的局限性，而目前仪器仪表的发展速度较快，在医药、电子、电力、能源等各 个行业应用都很广泛，单一的标准的测试不能满足全部仪表的安全性能测试需 2 引言 求，因此，符合多标准测试网络的用于仪器仪表的电气安全性测试仪是现有电 气安全测试设备的一个发展方向。随着p c 机的迅猛发展，对采用p c 机控制的 测试仪的需求越来越高，而且，现代仪器设计的一个主流方向是基于p c 总线的 虚拟仪器的设计，国际电气安全测试仪器行业发展的趋势是采用虚拟化、程控 化和自动化，目前国内相关产品中还未见到完全实现这些功能的设计。 我们实验室从2 0 0 3 年开始进行电气安全性综合测试技术的研究，经过了一 届研究生的努力完成了电气安全综合测试系统的实验装置，该实验装置综合了 交流耐压、绝缘电阻、接地电阻、泄漏电流四项参数测试的功能，系统设计符 合i e c 6 1 0 1 0 标准，采用计算机控制，交流继电器切换测试回路，已经能够实现 计算机自动控制的综合测试功能，测试精度达到预期目标，但是该实验装置距 仪器化还有一定的距离，测试系统自身的安全性和稳定度有待进一步提高和完 善。 1 2 课题的任务及意义 课题的主要任务是在现有电气安全测试技术研究的基础上，研制仪器仪表 安全性能综合测试仪，在现有实验装置的基础上增加温度、功率两项辅助测试 参数。着重在提高测试系统可靠性和自身的安全性：改善测试精度；在控制性 能方面加以改进，最终研制出可以实用化的仪器仪表电气安全综合测试仪。本 文的重点是仪器仪表电气安全综合测试仪综合测试系统的设计，包括测试回路， 采样电路以及仪器外型的设计和仪器的组装，要求达到绝缘电阻测试电压直流 2 5 0 v 、5 0 0 v 、1 0 0 0 v 可自由设定，电阻测试范围o 1 m q - - 2 0 0 0m q ，精度1 ； 交流泄漏电流测试电压2 3 3 v ，泄漏电流测试范围o 2 0 m a ；测试误差为5 0 1 m a ，测试时间1 9 9 9 s ；交流耐压测试的电源范围为5 0 0 v 5 0 0 0 v 连续可调， 漏电流测试范围为0 1 m a - 2 0 m a ，漏电流测试误差是3 ；接地电阻测试电流为 i o a 时，接地电阻最大值6 0 0m a ，测试精度为2 ；接地电阻测试电流为2 5 a 时，接地电阻最大值3 0 0 m q ；接地电阻测试精度为2 5 ；温度测试范围o 1 0 0 ；功率测试范围1 0 2 0 0 0 w 。 仪器仪表是人们认识自然、改造自然、发展人类社会的重要手段，是开展 科学研究，发展生产、文教、卫生事业，节约能源，加强国防建设，提高产品 质量，增强经济效益，提高科学管理水平以及繁荣市场贸易等的重要技术设备， 引言 在国民经济各个领域发挥着重要作用。尤其对国民经济发展的辐射作用和影响 力巨大。但由于种种原因我国仪器仪表工业与世界先进水平相比落后了很多， 国家“十五 计划发展纲要提出：把发展仪器仪表放到重要位置，努力提高质 量和技术水平。因此仪器仪表的发展受到国家的高度重视和有力支持。本课题 的研究和测试系统的开发与应用在推动我国电器、电子产品质量和安全性的提 高，打破国外电气安全测试高端产品的垄断地位，减少进口，迫使进口仪器降 低价格，以及进一步巩固和开拓国内外两个市场等方面都有着重要的作用。 本课题是科技部2 0 0 3 年专项项目，来源于参与了仪器仪表安全测试标准制 定的科研院所( 项目编号：2 0 0 3 e g l l 9 1 0 2 ) ，课题得到北京市重点实验室( 机 电测控实验室) 的资助，合作单位包括：参与仪器仪表安全测试国家标准起草 的科研院所、代表我国加入国际电工委员会电工产品合格评定组织并承担指定 的国家强制性产品认证工作的中国质量认证中心。我们设计的测试系统要求完 全符合2 0 0 1 年颁布的i e c 6 1 0 1 0 标准，该标准将很快等同转化为我国新的国家 标准。目前，国内还未见有专门完全符合i e c 6 1 0 1 0 新标准的用于仪器仪表产品 电气安全性能检测的测试系统和仪器，因此，本项目的研究为正在拟定的新的 国家标准的应用提供了技术条件，对推动仪器仪表行业产品质量和提高安全性， 进一步推进行业标准的完善与实施有重要的作用。 4 第2 章电气安全测试的原理与方法 第2 章电气安全测试原理与方法 电气安全测试主要包括：交直流耐压测试、接地电阻测试、绝缘电阻测试、 泄漏电流测试等。 2 1 耐压测试原理 2 1 1 耐压测试概述 耐压测试是指对各种电器装置、绝缘材料和绝缘结构的耐受电压能力进行 的测试。在不破坏绝缘材料性能的情况下，对绝缘材料或绝缘结构施加高电压 的过程称为耐压试验。 一般的电子设备使用的电源大多是供电频率5 0 h z 的2 2 0 v 正弦交流电，也 就是我们通常所说的市电。电力系统在运行中，由于雷击、操作机构故障或电 气设备的参数配合不当等原因，引起系统中某些部分的电压突然升高，大大超 过其额定电压，这就是电力系统过电压。过电压对于设备的绝缘会造成损伤， 从而引发人身事故或者设备故障，因此耐压测试的目的就是为了检查绝缘耐受 工作电压或过电压的能力，检查电气设备绝缘制造或检修质量，排除因原材料、 加工或运输对绝缘的影响因素，检查绝缘电气间隙和爬电距离n 】。进而检验产 品设备的绝缘性能是否符合安全标准。在一般情况下，电器设备的电气安全质 量检查都要进行耐压试验。 耐压测试时，测试电压可以是交流，也可以是直流。但是交流耐压测试与 直流耐压测试是有所区别的。比如：有些情况下，交流耐压的测试击穿电压峰 值比直流耐压的测试击穿电压高一些昭1 。交流耐压试验，它是破坏性试验中的 一种，它能进一步诊断出电气设备的绝缘缺陷；同时，交流耐压试验是鉴定电 气设备绝缘强度的最严格、最有效和最直接的试验方法，它对判断电气设备能 否继续投入运行具有决定性的作用，也是保证设备绝缘水平、避免发生漏电事 故的重要手段。在进行耐压测试时，要确定具体的试验环境，耐压测试与具体 的测试条件有很大的关系，例如：测试电压与某一物体的状态和环境温度有关 第2 章电气安全测试的原理与方法 咖；有些绝缘体的绝缘能力与污染状况也有关叫；有些绝缘体的绝缘能力与湿度 也有关佑1 等。 2 1 2 耐压测试原理 耐压测试的基本原理是：把一个高于正常工作的电压加在被测设备的绝缘 体上，并持续一段规定的时间，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就 只会产生很小的漏电流。如果被测设备绝缘体在规定的时间内，其漏电电流保 持在规定的范围内，就可以确定这个被测的设备可以在正常的运行条件下安全 运行。 图2 1 耐压测试基本原理 进行耐压测试时，技术规格不同的被测设备，测量标准也就不同。对一般 被测设备，耐压测试是测量火线与机壳之间的漏电流值。基本规定是：以两倍 于被测物的工作电压再加1 0 0 0 v 作为测试的标准电压，部分产品的测试电压可 能高于这一规定值。按照i e c 6 1 0 1 0 的规定，测试电压必须在5 秒钟内逐渐地上 升到所要求的试验电压值( 例如5 k v 等) ，保证试验电压值稳定加在被测绝缘 体上不少于5 秒钟，此时所测回路的漏电流值与标准规定的泄漏电流阈值相比 较，就可以判断被测产品的绝缘性能是否符合标准。测试结束后，试验电压必 须在规定的时间内逐渐地降至零1 。 6 第2 章电气安全测试的原理与方法 2 - 2 接地电阻测试原理 2 2 1 接地电阻概述 电气设备的接地电阻是指：接地线端子的接地触点与易触及的金属部件之 间的电阻，接地电阻主要由接触电阻构成，又称接触电阻口仆1 。接地保护的作 用有：1 作为大气雷电和瞬态功率噪声的排泄途径，保护设备和人身避免因雷 电放电造成的危害m ；2 为电源电流和故障电流提供返回途径，以保护设备安 全；3 保护人身免受因机壳内部偶然碰地时引起的电击；4 防止静电荷在设 备上的积累；5 降低或消除机架或机壳上的射频电位；6 为射频电流提供均 匀和稳定的传输导体；7 保证继电器保护设备动作，排除接地故障。通常我们 所说的接地电阻都是对工频电流而言的，接地电阻是衡量电器接地保护是否可 靠的重要指标，电器设备的绝缘一旦失效时，电器外壳等易触及金属部件可能 带电，此时，就需要有可靠的接地保护电器的使用者的安全。因此，接地电阻 阻值的大小将直接关系到使用者的安全。此外，如果电子设备接地电阻阻值较 大，也可能导致设备故障或者影响电子设备的正常使用c l o 。 测量接地电阻虽然可以使用一般电阻表测量，但是一般电阻表所能输出的 电流通常都很小，不符合安全规范的要求，无法被安规检验机构认可，而且接 地电阻一般都很微小，一般是几十毫欧，如果我们在测试设备的工作电流下测 量接地电阻，则对测试的灵敏度要求很高，但是由于测试回路中信噪比较低， 要想获得高的测量精度是比较困难的。因此，必须使用专用的接地电阻测试仪 进行测量。接地电阻测试仪输出电流有交流和直流两种形式，两种形式都能正 确测量出接触点的电阻值，目前安检机构虽然允许两种形式的接地电阻测试仪 可以使用，但是在选择接地电阻测试仪规格中却特别推荐使用交流的接地电阻 测试仪，这是因为一般的被测设备大多是以正弦交流2 2 0 v 作为电源供应，所以 用交流接地电阻测试仪作为测试的标准比较符合实际的使用条件。 影响接地电阻测量精度的因素有很多，例如在接地电阻的测试中温度不同 的不同金属结合点上，可以产生被称为热电动势的偏移电压，当将测试线与被测 的接触点连接时，就形成了这样的结点，在做精确的小电阻测试时，尤其是用小 电流测试时，在电路中的热电势的影响就越显著，因为测试的电流越小，测出的 电压越小：如果接触电压是采用大电流测量，可以减弱上热电势对测试结果的 7 第2 章电气安全测试的原理与方法 影响，但是由于温度也随之升高，接地电阻随温度的变化也会改变，最终影响 测试的结果。因此测量时采用规定的电流和规定的时间刚嘲。 2 i2 - 2 接地电阻测试原理 在测量小电阻时，为了消除测量端子引入的接触电阻对测试结果的影响， 通常采用的是四端测量法n ( 如图2 2 所示) 。r 是接地电阻，r x 是等效引线 电阻。测量接地电阻两端电压和流过接地电阻的电流，利用欧姆定律就能够计 算出接地电阻值，见式( 2 1 ) 。 。u k2 可 ( 2 1 ) l 一 ， 其中，r 是电压表的内阻，由于接地电阻是小电阻，因此采用这种方法测 量，电压表内阻对接地电阻的影响较小。 按照安全标准的规定，接地电阻要能有效的导通大的故障电流，因此在测 量时采用大电流测量，如果在这种测试条件下接地电阻值符合标准的规定，我 们就认为产品是符合安全标准的。在进行接地电阻测试时，被测设备要尽可能 靠近测试点，以便减小由于测试引线引入的引线电阻，并尽量减少测试电路中不 希望的电阻对测试的影响，在这种四线连接结构中，虽然电流也会流过电压测试 引线，但通常电流很小，不会影响电压读数，测出的电压基本上与接触点两端电 压相同，使用欧姆定律就可以精确的计算出接地电阻的阻值。特别值得注意的是： 连接电压测试探头时，不要影响接触点，也不要焊接测试探头或引线，以免改变 接地电阻。 电诡淼 r 图2 2 接地电阻测试原理图 测量接地电阻时除了c s a ( 加拿大安全标准) 的规范要求测试电流是3 0 a 8 第2 章电气安全测试的原理与方法 外，大多数的安全检测机构都要求2 5 a 的测试电流持续6 0 秒的情况下，测得的 接地电阻值低于l o o m 9 2 为安全值。对于使用者不易触摸到的器具，一般只要求 i o a 的测试电流持续6 0 秒的情况下，测得接地电阻值低于5 0 0 mq 为安全值。国 际上仍然有些规范高于上述的标准，是以器具的额定输入电流的5 倍作为测试 电流测试6 0 秒，测的接地电阻值低于l o o mq 为安全值。在目前世界上的安规 测试规范中，有些特别要求要先测量接地线的接地电阻，接地电阻必须符合规 定后，才能进行绝缘测试、耐压测试。这主要是为了防止因地线未接好而误认 器具的绝缘和耐压性能良好。 2 - 3 绝缘电阻测试原理 2 3 1 绝缘电阻概述 绝缘电阻用于表征绝缘体阻止电 i 流流通的能力。绝缘材料的绝缘是相对 的，绝缘材料在外界电场作用下都会有 极化、电导、损耗、击穿等物理特性， 从而表现出导电性。也就是说，通常讲 t 的绝缘并非完全的电气隔离，而是指电 流被“限制在允许的安全范围内。绝 t 圈2 3 在直流电压下电流的变化曲线 缘电阻如果太小，在它上面流过的泄漏电流会比较大，超过安全规定的泄漏电 流能够对人身造成伤害，而且还会引起发热而损坏绝缘体。因此绝缘电阻作为 表征绝缘体特性的基本参数之一，必须经常测定。 绝缘电阻测试一般是通过给绝缘体加上直流电压，测量绝缘体中流过的直 流电流，经过欧姆定律计算得到绝缘电阻，通过判定绝缘电阻的大小，从而判 定电气设备绝缘性能的优劣。如果用恒定电压进行绝缘电阻测试就会发现，加 上电压后电流随时间逐渐变小，最后达到恒定。这是因为所测电流是多种电流 的合成，一种称为吸收电流，它由夹层极化、空间电荷极化等缓慢极化所造成， 其大小随时间的变化受到电极的构造、绝缘体的种类及湿度等的影响，将逐渐 衰减至零；一种称为不可逆吸收电流：因绝缘材料中的电解电导产生，约经数 秒钟衰减至零；一种称为可逆吸收电流：是绝缘材料的位移电流，在施加电压 9 第2 章电气安全测试的原理与方法 的瞬间达到最大值，慢慢趋向于位移稳定，约经数分钟才能趋向消失。还有一 种称为泄漏电流，由绝缘体中的带电粒子移动形成，其大小受绝缘体的种类、 温度等影响，将保持恒定。恒压下电流与时间的关系如图2 3 所示。可见在实 际测试时，如果读取电流的时刻不同，得到的电流就可能不同。 由于加上电压后，绝缘体中存在着多种随时间而衰减的电流，因此理论上 应该在这些电流全部衰减完后，才读出导电电流( 即泄漏电流) 的数值，然后计 算绝缘电阻值。但测试时间太长将导致工作量太大，研究实验表明，接通电流 后一分钟读数，既保证了非电导电流大部分已经消失，又使测试时间有了统一， 使读数具有重复性和可比性，提高了测试效率n 小1 2 1 。 不同电气设备测试绝缘电阻的部位有不同的要求，但不外乎以下部位：电 源输入端( 相线与中线连在一起) 与地线或导电外壳之间( 电源开关必须接通) 。 如果是电机、电动工具则还应测量绕组之间的绝缘电阻；如果是各种测量仪器、 电子仪器，还应测量线路与接地外壳之间的绝缘电阻。对高压发生器之类的设 备，对他们的高压输出端与接地外壳之间的绝缘电阻必须进行测量。另外，不 少电气设备的电气线路往往通过保护电容器与接地外壳相连，因此，绝缘电阻 测试测试电压有可能高于电容器能承受的高压。为防止电容器击穿造成仪器设 备的损坏，测试前可先将电容器断开。 为了保证电气设备运行的安全，应对其不同极性( 不同相) 的导电体之间 或导电体与外壳之间的绝缘电阻提出一个最低要求。例如，家用和类似用途电 器规定基本绝缘为2 mq ，加强绝缘为7 mq 。电子测量仪器标准中规定各类设备 绝缘电阻不应小于表2 1 n 羽：影响绝缘电阻测量值的因素有：温度、湿度、测 量电压及其作用时间、绕组中残存电荷和绝缘的表面状况等。 通过测量电气设备的绝缘电阻，可以达到如下目的： 1 ) 了解绝缘结构的绝缘性能。由优质绝缘材料组成的合理的绝缘结构( 或 绝缘系统) 应具有良好的绝缘性能和较高的绝缘电阻； 2 ) 了解电器产品绝缘处理质量。电器产品绝缘处理不佳，其绝缘性能将明 显下降： 3 ) 了解绝缘受潮及受污染情况，当电气设备的绝缘受潮及受污染后，其绝 缘电阻通常会明显下降； 4 ) 检验绝缘是否承受耐电压试验。 1 0 s 第2 章电气安全测试的原理与方法 表2 1 各类绝缘电阻规定值 绝缘电阻( 朋q ) 绝缘等级 工作电压5 0 0 v 以下工作电压5 0 0 v 以上 基本绝缘22 工作电压v 5 0 0 v 附加绝缘 5 5 - r 作电e , v 5 0 0 v 加强绝缘 。7 x 工作电压v 双重绝缘 7 5 0 0 v 若在电气设备的绝缘电阻低于某一阻值时进行耐电压测试，将会产生较大 的试验电流，造成热击穿而损坏电气设备的绝缘。因此通常各式各样试验标 准均规定在耐电压测试前，先测量绝缘电阻。 2 3 2 绝缘电阻测试原理 图2 4 桥式测量电路 绝缘电阻测试一般有三种方 法，桥式测量电路、电容充电法和 电流电压法。 桥式测量电路原理如图2 4 ， n 、， 这种电路采用双积分a d 转换器 叫 ( 例如7 1 0 6 ) ，使测量的准确度与 测试值的稳定性有了很大的提高 n 钔n 5 1 。其电路模型如图2 4 所示， 第2 章电气安全测试的原理与方法 图中：u 为加于被测试物体两端的电压； y a t - - - - 为待采样的电压： 气一为被测物体的绝缘电阻； 爪j v 一为高阻值的标准电阻： a 一为精密电阻； k 矗一为阻值较低的标准电阻。 可以通过a d 转换来测量v 。与v 孵的值。根据电路模型可以得出： 半= 警 亿2 ) 以= 等百r 8 ( 戤帆) 喝 ( 2 3 ) 从这一测量绝缘电阻的数学模型来看，未知r x 只与v 。v 瞰的比值有关。 这种测试电路其最大特点是电源电压的高 低与测量结果几乎无关，但测试电路较复杂， 而且只能通过被测的电流达到稳定时才能平 衡，因此不能测量随时间变化较快的电阻。在 绝缘电阻表中应用较多。 一般的绝缘电阻测试仪采用的是电流电压 法，其电路简单，操作简便，准确度较高，其 测量原理由图2 5 可知： u 。砜 - - 。_ - _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ - 。一= = 一 致+ r 朋+ 足o + 足j发o ( 2 4 ) 式中：r 广为取样电阻 r 广为限流电阻 r 广为电源内阻 测出u 。的大小，即可得到r i 阻值。 r x = u 7 s 厂r o r m r 。一g s u 0 ( 2 5 ) 这种方法电路简单，测试准确，能进行快速的测量，虽然受电源电压的影 1 2 第2 章电气安全测试的原理与方法 响，但采用程控的直流稳压电源能很好的解决这个问题。 2 4 泄漏电流测试原理 2 4 1 泄漏电流测试概述 泄漏电流的定义为：在没有故障和不另行施加电压的情况下，电器中相互 绝缘的金属零件之间，或带电零件与接地零件之间，通过其周围介质或绝缘表 面所形成的电流，也包括当人体触及电器设备时，由设备经人体到达大地的电 流或由设备经人体又流回到设备的电流。 泄漏电流根据其流经人体的大小，会使人产生不同的反应效果，主要有： 1 、感知电流：能够使人体感受到的流经人体的电流； 2 、反应电流：能够引起肌肉抽动的流经人体的电流； 3 、摆脱电流：抓住电极的人体能够摆脱掉电极的电流； 4 、电灼伤电流：可以引起人体发生电灼伤的电流。 当电流进一步增大时，会对人体产生更大伤害甚至造成死亡，但由于电器 产品均把泄漏电流限制在较小的范围内，一般主要对感知电流和反应电流进行 研究并测试。 流经人体的电流对人体造成的伤害主要与电流大小、频率和持续时间有关， 因此限值选取中以最严酷的条件以及持续时间较长条件来考虑。泄漏电流允许 限值是一个考虑了多方面因素的综合值，不仅考虑人体对普通5 0 6 0 h z 电流的 反应，还应考虑对高频泄漏电流的反应以及对不同电流波形的反应，各类电气 安全标准对泄漏电流的安全限值都进行了规定，我们所依据的i e c 6 1 0 1 0 中也有 相应规定，标准中规定：设备的任意可触及导电部件上的泄漏的电压限值为3 3 v 有效值和4 6 7 v 峰值或7 0 v 直流；电流限值为正弦波0 5 m a 有效值；非正弦波 或混合频率为0 5 m a 有效值、0 7 m a 峰值或2 m a 直流值，频率超过i m h z 时泄漏 电流限值为7 0 m a 有效值i l l 1 6 i 7 。 2 4 2 模拟人体阻抗网络分析 人体是具有一定阻抗的导体，为准确测量人体接触导电部件时流过人体的 第2 章电气安全测试的原理与方法 泄漏电流，需要对人体阻抗进行模拟再现，通常在测量中采用电阻和电容并联 来模拟人体阻抗，由于各类电器设备工作时所采用电流频率不同，因此当人触 及到不同频率工作的产品时所流经人体的泄漏电流频率也不同，而且由于人体 阻抗呈容性，对于不同频率电流的反应也不一样，因此在对不同产品进行泄漏 电流测试时应采取何种模拟人体阻抗网络来测量就显得非常重要。下面对几种 模拟网络进行一下分析： 1 、电阻电容简单并联模拟网络 在g b 4 7 0 6 1 1 9 9 2 家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求中 对于家用电器的泄漏电流测试所采 取的模拟网络( 包括测量仪表) 的等 效线路图见图2 6 ，其中r = 2 0 0