CN116298519A - 宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法 - Google Patents

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CN116298519A CN202310139942.7A CN202310139942A CN116298519A CN 116298519 A CN116298519 A CN 116298519A CN 202310139942 A CN202310139942 A CN 202310139942A CN 116298519 A CN116298519 A CN 116298519A
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吴剑
吴舜华
陈子明
谢秀娟
朱云逸
何建盼
陈啟豪
张金波
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Abstract

本发明属于高压水泵驱动电机绝缘监测技术领域，具体涉及宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法。包括电机带电采集模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块、报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块、存储模块、地址模块、微处理器模块、开关模块控制电路、高压模块控制电路、高压模块、限流模块、开关模块、采样模块、档位选择单元、第一通信模块、第二通信模块、电源模块、显示模块、过压保护模块、冲击保护模块、电机等效电阻和电机等效电容。本发明的有益效果在于：利用绝缘电阻阻值、分布电容、吸收比、极化指数共同判断电机的绝缘特性，将反映电机绕组对地的电阻特性和对地的电容特性全部特征反映出来，判断更加准确。

Description

宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法
技术领域
本发明属于高压水泵驱动电机绝缘监测技术领域，具体涉及宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法。
背景技术
高压水泵驱动电机长期工作在潮湿的环境下，若水泵驱动电机停机时间较长，受潮湿环境的影响，电机绕组绝缘特性将会下降，对于高压水泵驱动电机在规程中明确规定，若电机绕组阻值低于限定值时是不允许开机工作，目前绝大多数情况下，水泵驱动电机应用都是采用人工携带绝缘电阻测试仪表，现场采用离线式绝缘电阻测试仪表对电机绝缘特性进行测试，现有的方法自动化程度低，耗费人力物力。
人工检测法对电机绝缘进行现场实地检测，存在的主要问题是人工检测操作复杂，检测时间较长，特别是对后门存在互锁功能的开关柜，需要频繁操作接地刀闸，导致接地刀闸出现老化损坏。同时，如多台高压柜并列安装，当电动机未全部投运，若在此情况下检测不运行的电动机，人工检测操作开柜后门时也存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法，能够实现对表征电机绝缘特性的电阻及电容特性进行在线测量，提高了检测效率，能够有效地保障水泵驱动电机安全运行。
本发明的技术方案如下：宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，包括微处理器模块，所述的微处理器模块的输入端I/O口分别与电机带电采集模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块、地址模块输出端连接，所述的微处理器模块的输出端I/O口分别与报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块输入端连接，第一通信模块、第二通信模块输入端分别与微处理器模块对应的通信接口连接；电源模块输出端与微处理器模块对应的电源端连接；开关模块控制电路、高压模块控制电路、档位选择单元输入端分别与微处理器模块输出端I/O口连接；高压模块、限流模块、开关模块、采样模块串联在一起后接电机绕组和大地端；过压保护模块并联在开关模块两端；冲击保护模块并联在高压模块两端；采样模块输出端与档位选择单元输入端连接，档位选择单元输出端与微处理器模块对应的A/D接口连接；第一通信模块输出端与显示模块输入端连接；第二通信模块输出端与后台系统连接。
所述的档位选择单元采用74HC4052作为电子开关，利用微处理器模块选择采样模块的档位，根据被测电阻值大小选择不同的测量档位以提高电阻的测量精度，被测电阻较大时选择较大的采样电阻，被测电阻较小时选择较小的采样电阻。
所述的采样模块包括10kΩ、100kΩ、300kΩ、1MΩ四挡精密采样电阻，且串联在一起，与档位选择单元连接，同时一端与高压模块的地端可靠连接，直接从采样电阻的另外一端获得采样电压，实现被测回路电流的采集。
所述的开关模块采用耐压15kV高压真空继电器，用于将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组连接或断开，利用12kV高压真空继电器将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测高压电机之间进行有效隔离，防止电机运行时将高压信号引入到宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路中，也防止高压模块产生的高压直流信号引入到运行中的电机绕组上，避免产生叠加效应破坏电机绕组绝缘。
所述的过压保护模块采用3个额定电压4500V/1A高压气体放电管串联在一起，并联在开关模块两端，防止高压真空继电器在42kV电压耐压试验时被击穿，保护高压真空继电器，也防止电机过电压时损毁高压真空继电器。
所述的高压模块采用可调输出的高压发生模块，或采用固定输出的高压发生模块，输出电压为500VAC、1000VDC或2500VDC，根据被测电机额定电压进行选择。
所述的电机工作状态模块、电机停机状态模块、报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块均采用光耦电路和三极管组成。
所述的开关模块控制电路、高压模块控制电路均采用三极管驱动电路和光耦电路。
所述的电机带电采集模块，包括金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管；金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管串联在一起；金属电极片靠近高压电缆，金属电极与高压电缆之间构成一个电容C1，同时金属电极与大地之间存在杂散电容C2。
宽量程高精度电机绝缘电阻测试方法，包括如下步骤：
步骤1：在显示模块显示屏上选择自动测量或手动测量，自动测量按照选择的设定时间自动进行测量，手动测量按下测量按钮开始测量；
步骤2：测量准备开始时，微处理器模块首先判断电机状态，若电机处于合闸状态，或电机线缆存在有高压电信号此时不能启动测量；若电机处于分闸状态，且电机线缆没有高压电信号时，可以启动测量；
步骤3：开始测量，微处理器模块通过开关模块控制电路将开关模块闭合使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组接通，然后再通过高压模块控制电路将高压模块接入被测回路中，高压模块接入到被测电机一相绕组上，同时测量出三相绕组的对地绝缘电阻；
步骤4：微处理器模块通过档位选择单元选择采样模块中的电阻阻值，从最高档逐渐下调电阻值，实现量程自动切换，档位选择微处理器模块通过采集采样电阻两端电压值，电压值过小选择升档，电压值过大选择降档；
步骤5：微处理器模块根据采集到的采样电阻R1电压值U0，计算出被测回路电流I＝U0/R1，再结合高压模块输出的电压Ui、限流模块限流电阻R2，获得被测回路稳定时的电阻RX＝Ui/I-R1-4-R2,被测电机两端电压值U1＝Ui-I(R1-4+R2),R1-4为4个采样电阻串联之和，根据被测电阻RX和限流模块限流电阻R2及采样电阻串联之和R1-4获得整个被测回路的等效电阻Req，RX与(R1-4+R2)并联，即Req＝RX//(R1-4+R2)；
步骤6：微处理器模块从电压值为0开始计算加入被测电机两端电压值U1，同步累计时间，同时记录15秒和60秒两个时刻的被测回路的总电流值I15、I60和电压U15、U60，当被测电压U1稳稳定时记录下总时间t，根据稳态时间t与时间常数τ的关系，即t＝4τ，获得被测回路等效的时间常数τ值，被测电机60秒时刻的绝缘电阻值R60与被测电机15秒时刻的绝缘电阻值R15的比值K就是吸收比，K＝R60/R15；
步骤7：微处理器模块吸收比K＝R60/R15的计算过程，根据回路总电流I与被测电机等效电阻支路电流IR和被测电机等效电容支路电流IC的关系，即IR＝I-IC，利用公式R60＝U60/IR60，R15＝U15/IR15，IR60＝I60-IC60，IR15＝I15-IC15，再根据IC60＝U1稳/Reqe-60/τ，IC15＝U1稳/Reqe-15/τ；
步骤8：测量结束，微处理器模块通过高压模块控制电路将高压模块输出置零，被测回路开始放电，直至被测电机两端电压值U1为0，然后通过开关模块控制电路将开关模块断开使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组断开，当被测电机两端电压值U1为0时进行下一次测量，显示模块显示绝缘电阻值、吸收比值、电机状态、测量总时间、稳定电压值、绝缘电阻值、显示绝缘电阻值-时间变化曲线，存储模块对测量数据进行存储；测量数据通过第二通信模块向后台系统发送；
步骤9：测量结束时若电机绕组绝缘电阻小于设定值，微处理器模块分别通过报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块，启动报警信号灯光闪烁、启动加热器加热、启动风机排风，启动加热器加热和启动风机排风，将热风吹响电机绕组，进行电机绕组绝缘特性自动测量和自动去除电机绕组湿度；
步骤10：电机绕组绝缘特性判断法，采用电阻值、吸收比、15秒时刻电阻值及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，判断电机绝缘特性。
本发明的有益效果在于：利用绝缘电阻阻值、分布电容、吸收比、极化指数共同判断电机的绝缘特性，将反映电机绕组对地的电阻特性和对地的电容特性全部特征反映出来，判断更加准确。
1)采用74HC4052作为电子切换开关，也可以通过高压继电器进行切换，提出利用一组到四组或一组到三组采样电阻进行档位切换，根据被测电阻阻值，通过微处理器单元通过判断采集采样电阻两端电压的大小，根据采样电阻两端电压的范围自动选择相应采用电阻档位，为了防止采样过电压采样电阻从最小采样电阻向最大采样电阻方向选择，实现被测电阻从0.1MΩ到15GΩ的精准测量。
2)高压水泵驱动电机绕组绝缘电阻测量时，解决只有电机停机时可进行测量，而电机运行时或高压电机绕组带电时不能测量问题，满足电机停机时测量，电机工作时不能投切测量，将电机工作状态引入到测量电路中的同时，将电机工作电源母排是否带电信息同时引入，确保电机与宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路之间具备可靠互锁功能，电机状态信号及电机是否带电信号同时引入，且采用光耦隔离电路进行隔离，提高了测试电路的可靠性，且可保证人身安全，同时防止电机带电时测试绝缘电阻，将500-2500VDC高压信号叠加到电机绕组上，加剧破坏电机绕组绝缘特性。
3)利用15kV高压真空继电器将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测高压电机之间进行有效电隔离，防止电机运行时将高压信号引入宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路中，而15kVAC高压真空继电器采用工作24VDC三极管和光耦隔离电路进行控制，同时为了保证宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路能够承受22kV耐压冲击试验，在15kVAC高压真空继电器输出触点两端并联额定电压9-12kV高压气体放电管。
4)限流电阻采用1-5MΩ大功率玻璃电阻，大功率玻璃电阻灌封在带有伞裙的硅橡胶绝缘护套内增加爬电距离的同时，增加散热面积。
5)500-2500VDC高压发生模块采用3档输出，分别是500V、1000V、2500V满足400VAC-10kVAC电机绝缘电阻测试要求，具有很好的通用性。
6)高压模块的高压端与采用模块一端直接电连接，高压模块另一端与微处理器模块电源地和大地一点供地，防止潮湿环境下测试时高压模块负极接地造成高压模块吸附阳离子。
7)当被测电压U1稳稳定时记录下总时间t，根据稳态时间t与时间常数τ的关系，即t＝4τ，这样就可以获得被测回路等效的时间常数τ值，根据τ＝ReqC的关系，通过测量出等效电阻Req就可测量出分布电容C；
8)在绝缘特性判断方法上，采用电阻值、分布电容、吸收比、15秒时刻电阻值、极化指数及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，精准判断电机绝缘特性，(1)稳定时被测电机绕组电阻值较低，例如低于设定值5-10MΩ判定为电机绝缘特性不好；(2)稳定时被测电机绕组电阻值较高，但是吸收比值较大，例如大于设定值1.5；(3)15秒时刻电阻值低，例如低于设定值5-10MΩ，判定为电机绝缘特性不好；(4)被测电机绕组测试时充电时间大于设定值，判定电机对地分布电容过大，影响绝缘性能，判定为电机绝缘特性不好；(6)分布电容较大表明电机潮湿，结合绝缘电阻值大小判断电机绝缘特性。
附图说明
图1为本发明所提供的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路示意图；
图2为档位选择单元示意图；
图3为开关模块控制电路及开关模块原理图；
图4为存储模块示意图；
图5为2个RS485模块示意图；
图6为220VAC转24VDC模块示意图；
图7为24VDC转12VDC模块示意图；
图8为12VDC转5VDC模块示意图；
图9为5VDC转3.3VDC模块示意图；
图10为报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块原理图；
图11为电机带电输出模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块原理图；
图12为高压模块控制电路原理图；
图13为微处理器模块示意图；
图14为显示模块与多台绝缘电阻测试电路连接原理图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明采用74HC4052作为电子切换开关，也可以通过高压继电器进行切换，提出利用一组到四组或一组到三组采样电阻进行档位切换，根据被测电阻阻值，通过微处理器单元通过判断采集采样电阻两端电压的大小，根据采样电阻两端电压的范围自动选择相应采用电阻档位，为了防止采样过电压采样电阻从最小采样电阻向最大采样电阻方向选择，实现被测电阻从0.1MΩ到15GΩ的精准测量。
本发明解决高压水泵驱动电机绕组绝缘电阻测量时，解决只有电机停机时可进行测量，而电机运行时或高压电机绕组带电时不能测量问题，满足电机停机时测量，电机工作时不能投切测量，将电机工作状态引入到测量电路中的同时，将电机工作电源母排是否带电信息同时引入，确保电机与宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路之间具备可靠互锁功能，电机状态信号及电机是否带电信号同时引入，且采用光耦隔离电路进行隔离，提高了测试电路的可靠性，且可保证人身安全，同时防止电机带电时测试绝缘电阻，将500-2500VDC高压信号叠加到电机绕组上，加剧破坏电机绕组绝缘特性。
本发明利用15kV高压真空继电器将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测高压电机之间进行有效电隔离，防止电机运行时将高压信号引入宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路中，而15kVAC高压真空继电器采用工作24VDC三极管和光耦隔离电路进行控制，同时为了保证宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路能够承受22kV耐压冲击试验，在15kVAC高压真空继电器输出触点两端并联额定电压9-12kV高压气体放电管。
本发明限流电阻采用1-5MΩ大功率玻璃电阻，大功率玻璃电阻灌封在带有伞裙的硅橡胶绝缘护套内增加爬电距离的同时，增加散热面积。
本发明解决高压发生模块多档输出问题，使其产生500V、1000V、2500V满足400VAC-10kVAC电机绝缘电阻测试要求，使其具有很好的通用性。
本发明将高压模块的高压端与采用模块一端直接电连接，高压模块另一端与微处理器模块电源地和大地一点供地，防止潮湿环境下测试时高压模块负极接地造成高压模块吸附阳离子。
本发明利用当被测电压U1稳稳定时记录下总时间t，根据稳态时间t与时间常数τ的关系，即t＝4τ，这样就可以获得被测回路等效的时间常数τ值，根据τ＝ReqC的关系，通过测量出等效电阻Req就可测量出分布电容C。
本发明在绝缘特性判断方法上，采用电阻值(电机等效电阻)、分布电容(电机等效电容)、吸收比、15秒时刻电阻值、极化指数及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，精准判断电机绝缘特性，(1)稳定时被测电机绕组电阻值较低，例如低于设定值5-10MΩ判定为电机绝缘特性不好；(2)稳定时被测电机绕组电阻值较高，但是吸收比值较大，例如大于设定值1.5；(3)15秒时刻电阻值低，例如低于设定值5-10MΩ，判定为电机绝缘特性不好；(4)被测电机绕组测试时充电时间大于设定值，判定电机对地分布电容过大，影响绝缘性能，判定为电机绝缘特性不好；(6)分布电容较大表明电机潮湿，结合绝缘电阻值大小判断电机绝缘特性。
本发明提出一种宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路及其测试方法，利用高精度多档采样电阻，借助74HC4052、高压电源模块及微处理器单元，结合控制算法，实现高压水泵驱动电机绕组绝缘电阻在线测量。
如图1所示，宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，包括电机带电采集模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块、报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块、存储模块、地址模块、微处理器模块、开关模块控制电路、高压模块控制电路、高压模块、限流模块、开关模块、采样模块、档位选择单元、第一通信模块、第二通信模块、电源模块、显示模块、过压保护模块、冲击保护模块、电机等效电阻和电机等效电容。
其中，电机带电采集模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块、地址模块输出端分别与微处理器模块输入端I/O口连接；报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块输入端分别与微处理器模块输出端I/O口连接；第一通信模块、第二通信模块输入端分别与微处理器模块对应的通信接口连接；电源模块输出端与微处理器模块对应的电源端连接；开关模块控制电路、高压模块控制电路、档位选择单元输入端分别与微处理器模块输出端I/O口连接；高压模块、限流模块、开关模块、采样模块串联在一起后接电机绕组和大地端；过压保护模块并联在开关模块两端；冲击保护模块并联在高压模块两端；采样模块输出端与档位选择单元输入端连接，档位选择单元输出端与微处理器模块对应的A/D接口连接；第一通信模块输出端与显示模块输入端连接；第二通信模块输出端与后台系统连接。
如图2所示，档位选择单元采用74HC4052作为电子开关，利用微处理器模块选择采样模块的档位，根据被测电阻值大小选择不同的测量档位以提高电阻的测量精度，被测电阻较大时选择较大的采样电阻，被测电阻较小时选择较小的采样电阻。
所述的采样模块包括10kΩ、100kΩ、300kΩ、1MΩ四挡精密采样电阻，且串联在一起，与档位选择单元连接，同时满足一端与高压模块的高压端可靠连接，另一端与微处理器模块电源地端连接，这样直接可以从采样电阻的另外一端获得采样电压，实现被测回路电流的采集，防止潮湿环境下测试时高压模块负极接地造成高压模块吸附阳离子。
如图3所示，开关模块采用耐压15kV高压真空继电器，用于将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组连接或断开，利用15kV高压真空继电器将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测高压电机之间进行有效电隔离，防止电机运行时将高压信号引入到宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路中，也防止高压模块产生的高压直流信号引入到运行中的电机绕组上，避免产生叠加效应破坏电机绕组绝缘，图3中D7和D9为高压气体放电管，为了保证宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路能够承受22kV耐压冲击试验，在15kVAC高压真空继电器输出触点两端并联额定电压9-13.5kV高压气体放电管。
过压保护模块采用2-3个额定电压4500V/1A高压气体放电管串联在一起，然后并联在开关模块输出触点两端，防止高压真空继电器在22kV电压耐压试验时被击穿，保护高压真空继电器，也防止电机过电压时损毁高压真空继电器。
如图4所示，存储模块采用24C02芯片，用于存储测量数据。
如图5所示，第一通信模块、第二通信模块均采用带隔离的RS485模块。
如图6-9所示，电源模块包括220VAC转24VDC模块，24VDC转12VDC模块，12VDC转52VDC模块，5VDC转3.3VDC模块。
地址模块采用4位拨码开关，用于设定地址，区别被测电机机座号，实现1个显示模块可以同时获得16台绝缘电阻测试电路参数。
限流模块采用1-5MΩ大功率玻璃电阻，大功率玻璃电阻灌封在带有伞裙的硅橡胶绝缘护套内增加爬电距离的同时，增加散热面积。
如图12所示，高压模块采用可调输出的高压发生模块，也可以采用固定输出的高压发生模块，输出电压可以是500VAC、1000VDC或2500VDC，根据被测电机额定电压进行选择，例如10kV电机选择2500VDC模块，380V电机选择500VDC模块，高压模块的高压端通过采样电阻再与微处理器模块地端可靠电连接，确保供地，同时解决了潮湿环境下测试时高压模块负极接地造成高压模块吸附阳离子问题。
图12中D10-D14及D19-D23均为稳压管，反向串联在一起后并联后构成冲击保护模块，采用2500-3000VDC反向串联的稳压管并联在高压模块两端，防止过高的交流电压损坏高压模块。
如图13所示，微处理器模块采用STM32微处理器。
如图14所示，显示模块采用彩色液晶触摸屏，显示被测电机绕组绝缘电阻阻值、吸收比、分布电容、极化指数、测量时加在被测电机绕组上的动态电压值、被测电机绕组上加入高压模块测试时充电过程动态时间及放电过程动态时间、电机分合闸状态、当前时间、电机绝缘特性是否合格指示、电机机座号、第15秒时刻绝缘电阻值、手动和自动测量选择、显示绝缘电阻值-时间变化曲线，一个显示模块可以接入多个宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路。
电机工作状态模块、电机停机状态模块、报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块均采用光耦电路和三极管组成。开关模块控制电路、高压模块控制电路均采用三极管驱动电路和光耦电路。
电机带电采集模块，包括金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管；金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管及线路板地层串联在一起；金属电极片靠近高压母缆，金属电极与高压电缆之间构成一个电容C1，线路板地层与大地之间存在杂散电容C2，这样C1、限流电阻、反向并联稳压二极管和C2构成一个串联电路，这样当金属电极靠近高压母排，且高压母排带电时，根据阻抗分压原理，在限流电阻和反向并联稳压二极管两端就会有一定幅值的交流电压信号，这样在反向并联稳压二极管两端就可以输出方波信号，方波信号的频率与母排电压的频率一致，根据方波信号的频率大小即可在电机带电采集模块无源情况下输出信号给微处理器模块判断电机工作电源连接的高压母排是否带电。
宽量程高精度电机绝缘电阻测试方法，包括如下步骤：
步骤1：在显示模块显示屏上选择自动测量还是手动测量，自动测量按照选择的设定时间自动进行测量，手动测量按下测量按钮开始测量；
步骤2：测量准备开始时，微处理器模块首先判断电机状态，若电机处于合闸状态，或电机线缆存在有高压电信号此时不能启动测量；若电机处于分闸状态，且电机线缆没有高压电信号时，可以启动测量；
步骤3：开始测量，微处理器模块通过开关模块控制电路将开关模块闭合使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组接通，然后再通过高压模块控制电路将高压模块接入被测回路中，由于高压模块产生的是直流电压，高压模块接入到被测电机一相绕组上，就可以同时测量出三相绕组的对地绝缘电阻；
步骤4：微处理器模块通过档位选择单元选择采样模块中的电阻阻值，从最低档逐渐上调电阻值，实现量程自动切换，档位选择微处理器模块通过采集采样电阻两端电压值，电压值过小选择升档，电压值过大选择降档；
步骤5：微处理器模块根据采集到的采样电阻R1两端电压值U0，可以计算出被测回路电流I＝U0/R1，再结合高压模块输出的电压Ui、限流模块限流电阻R2，就可以获得被测回路稳定时的电阻RX＝Ui/I-R1-4-R2,被测电机两端电压值U1＝Ui-I(R1-4+R2),R1-4为4个采样电阻串联之和，根据被测电阻RX和限流模块限流电阻R2及采样电阻串联之和R1-4就可以获得整个被测回路的等效电阻Req，RX与(R1-4+R2)并联，即Req＝RX//(R1-4+R2)；
步骤6：微处理器模块从电压值为0开始计算加入被测电机两端电压值U1，同步累计时间，同时记录15秒、60秒、和600秒三个时刻的被测回路的总电流值I15、I60、I600和电压U15、U60、U600，当被测电压U1稳稳定时记录下总时间t，根据稳态时间t与时间常数τ的关系，即t＝4τ，这样就可以获得被测回路等效的时间常数τ值，被测电机60秒时刻的绝缘电阻值R60与被测电机15秒时刻的绝缘电阻值R15的比值K就是吸收比，K＝R60/R15；被测电机600秒时刻的绝缘电阻值R600与被测电机60秒时刻的绝缘电阻值R60的比值K1就是计划指数；根据τ＝ReqC的关系就可测量出分布电容C；
步骤7：微处理器模块吸收比K＝R60/R15的计算过程，根据回路总电流I与被测电机等效电阻支路电流IR和被测电机等效电容支路电流IC的关系，即IR＝I-IC，利用公式R60＝U60/IR60，R15＝U15/IR15，IR60＝I60-IC60，IR15＝I15-IC15，再根据IC60＝U1稳/Reqe-60/τ，IC15＝U1稳/Reqe-15/τ,；
步骤8：微处理器模块计划指数K1＝R600/R60的计算过程，根据回路总电流I与被测电机等效电阻支路电流IR和被测电机等效电容支路电流IC的关系，即IR＝I-IC，利用公式R60＝U60/IR60，R600＝U600/IR600，IR60＝I60-IC60，IR600＝I600-IC600，再根据IC60＝U1稳/Reqe-60/τ，IC600＝U1稳/Reqe-600/τ,；
步骤9：测量结束，微处理器模块通过高压模块控制电路将高压模块输出置零，被测回路开始放电，直至被测电机两端电压值U1为0，然后通过开关模块控制电路将开关模块断开使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组断开，只有被测电机两端电压值U1为0时才可以进行下一次测量，显示模块显示绝缘电阻值、吸收比值、电机状态、测量总时间、稳定电压值、绝缘电阻值、显示绝缘电阻值-时间变化曲线，存储模块对测量数据进行存储；测量数据可以通过第二通信模块向后台系统发送。
步骤10：测量结束时若电机绕组绝缘电阻小于设定值，微处理器模块分别通过报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块，启动报警信号灯光闪烁、启动加热器加热、启动风机排风，启动加热器加热和启动风机排风，将热风吹响电机绕组，目的是提高电机绕组绝缘特性，做到电机绕组绝缘特性自动测量和自动去除电机绕组湿度，提高电机绕组绝缘特性。
步骤11：电机绕组绝缘特性判断法，采用电阻值、分布电容、吸收比、极化指数、15秒时刻电阻值及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，精准判断电机绝缘特性，(1)稳定时被测电机绕组电阻值较低，例如低于设定值5-10MΩ判定为电机绝缘特性不好；(2)稳定时被测电机绕组电阻值较高，但是吸收比值较大，例如大于设定值1.5；(3)15秒时刻电阻值低，例如低于设定值5-10MΩ，判定为电机绝缘特性不好；(4)被测电机绕组测试时充电时间大于设定值，判定电机对地分布电容过大，影响绝缘性能，判定为电机绝缘特性不好。
本发明具有如下特点：
1.提供了一种时间常数倒推法，实现分布电容和吸收比的精确测量法；
2.提供了一种利用74HC4052对采样电阻切换，实现宽量程电阻自动测量切换方法；
3.提供了一种利用高压气体放电管并联在高压真空继电器输出触点，对其进行过压保护；
4.基于电场耦合法，非接触获得高压线缆是否带电信息，解决在分合闸开关出现故障时，也能保证高压电机线缆有电时也不能开机检测绝缘电阻的难题。
5.在绝缘特性判断方法上，采用电阻值、分布电容、吸收比、极化指数、15秒时刻电阻值及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，精准判断电机绝缘特性，(1)稳定时被测电机绕组电阻值较低，例如低于设定值5-10MΩ判定为电机绝缘特性不好；(2)稳定时被测电机绕组电阻值较高，但是吸收比值较大，例如大于设定值1.5；(3)15秒时刻电阻值低，例如低于设定值5-10MΩ，判定为电机绝缘特性不好；(4)被测电机绕组测试时充电时间大于设定值，判定电机对地分布电容过大，影响绝缘性能，判定为电机绝缘特性不好。

Claims (10)

1.宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：包括微处理器模块，所述的微处理器模块的输入端I/O口分别与电机带电采集模块、电机工作状态模块、电机停机状态模块、地址模块输出端连接，所述的微处理器模块的输出端I/O口分别与报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块输入端连接，第一通信模块、第二通信模块输入端分别与微处理器模块对应的通信接口连接；电源模块输出端与微处理器模块对应的电源端连接；开关模块控制电路、高压模块控制电路、档位选择单元输入端分别与微处理器模块输出端I/O口连接；高压模块、限流模块、开关模块、采样模块串联在一起后接电机绕组和大地端；过压保护模块并联在开关模块两端；冲击保护模块并联在高压模块两端；采样模块输出端与档位选择单元输入端连接，档位选择单元输出端与微处理器模块对应的A/D接口连接；第一通信模块输出端与显示模块输入端连接；第二通信模块输出端与后台系统连接。
2.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的档位选择单元采用74HC4052作为电子开关，利用微处理器模块选择采样模块的档位，根据被测电阻值大小选择不同的测量档位以提高电阻的测量精度，被测电阻较大时选择较大的采样电阻，被测电阻较小时选择较小的采样电阻。
3.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的采样模块包括10kΩ、100kΩ、300kΩ、1MΩ四挡精密采样电阻，且串联在一起，与档位选择单元连接，同时一端与高压模块的地端可靠连接，直接从采样电阻的另外一端获得采样电压，实现被测回路电流的采集。
4.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的开关模块采用耐压15kV高压真空继电器，用于将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组连接或断开，利用12kV高压真空继电器将宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测高压电机之间进行有效隔离，防止电机运行时将高压信号引入到宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路中，也防止高压模块产生的高压直流信号引入到运行中的电机绕组上，避免产生叠加效应破坏电机绕组绝缘。
5.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的过压保护模块采用3个额定电压4500V/1A高压气体放电管串联在一起，并联在开关模块两端，防止高压真空继电器在42kV电压耐压试验时被击穿，保护高压真空继电器，也防止电机过电压时损毁高压真空继电器。
6.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的高压模块采用可调输出的高压发生模块，或采用固定输出的高压发生模块，输出电压为500VAC、1000VDC或2500VDC，根据被测电机额定电压进行选择。
7.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的电机工作状态模块、电机停机状态模块、报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块均采用光耦电路和三极管组成。
8.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的开关模块控制电路、高压模块控制电路均采用三极管驱动电路和光耦电路。
9.如权利要求1所述的宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路，其特征在于：所述的电机带电采集模块，包括金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管；金属电极片、限流电阻、反向并联稳压二极管串联在一起；金属电极片靠近高压电缆，金属电极与高压电缆之间构成一个电容C1，同时金属电极与大地之间存在杂散电容C2。
10.宽量程高精度电机绝缘电阻测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在显示模块显示屏上选择自动测量或手动测量，自动测量按照选择的设定时间自动进行测量，手动测量按下测量按钮开始测量；
步骤2：测量准备开始时，微处理器模块首先判断电机状态，若电机处于合闸状态，或电机线缆存在有高压电信号此时不能启动测量；若电机处于分闸状态，且电机线缆没有高压电信号时，可以启动测量；
步骤3：开始测量，微处理器模块通过开关模块控制电路将开关模块闭合使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组接通，然后再通过高压模块控制电路将高压模块接入被测回路中，高压模块接入到被测电机一相绕组上，同时测量出三相绕组的对地绝缘电阻；
步骤4：微处理器模块通过档位选择单元选择采样模块中的电阻阻值，从最高档逐渐下调电阻值，实现量程自动切换，档位选择微处理器模块通过采集采样电阻两端电压值，电压值过小选择升档，电压值过大选择降档；
步骤5：微处理器模块根据采集到的采样电阻R1电压值U0，计算出被测回路电流I＝U0/R1，再结合高压模块输出的电压Ui、限流模块限流电阻R2，获得被测回路稳定时的电阻RX＝Ui/I-R1-4-R2,被测电机两端电压值U1＝Ui-I(R1-4+R2),R1-4为4个采样电阻串联之和，根据被测电阻RX和限流模块限流电阻R2及采样电阻串联之和R1-4获得整个被测回路的等效电阻Req，RX与(R1-4+R2)并联，即Req＝RX//(R1-4+R2)；
步骤6：微处理器模块从电压值为0开始计算加入被测电机两端电压值U1，同步累计时间，同时记录15秒和60秒两个时刻的被测回路的总电流值I15、I60和电压U15、U60，当被测电压U1稳稳定时记录下总时间t，根据稳态时间t与时间常数τ的关系，即t＝4τ，获得被测回路等效的时间常数τ值，被测电机60秒时刻的绝缘电阻值R60与被测电机15秒时刻的绝缘电阻值R15的比值K就是吸收比，K＝R60/R15；
步骤7：微处理器模块吸收比K＝R60/R15的计算过程，根据回路总电流I与被测电机等效电阻支路电流IR和被测电机等效电容支路电流IC的关系，即IR＝I-IC，利用公式R60＝U60/IR60，R15＝U15/IR15，IR60＝I60-IC60，IR15＝I15-IC15，再根据IC60＝U1稳/Reqe-60/τ，IC15＝U1稳/Reqe-15/τ；
步骤8：测量结束，微处理器模块通过高压模块控制电路将高压模块输出置零，被测回路开始放电，直至被测电机两端电压值U1为0，然后通过开关模块控制电路将开关模块断开使宽量程高精度电机绝缘电阻测试电路与被测电机绕组断开，当被测电机两端电压值U1为0时进行下一次测量，显示模块显示绝缘电阻值、吸收比值、电机状态、测量总时间、稳定电压值、绝缘电阻值、显示绝缘电阻值-时间变化曲线，存储模块对测量数据进行存储；测量数据通过第二通信模块向后台系统发送；
步骤9：测量结束时若电机绕组绝缘电阻小于设定值，微处理器模块分别通过报警控制模块、风机控制模块、加热器控制模块，启动报警信号灯光闪烁、启动加热器加热、启动风机排风，启动加热器加热和启动风机排风，将热风吹响电机绕组，进行电机绕组绝缘特性自动测量和自动去除电机绕组湿度；
步骤10：电机绕组绝缘特性判断法，采用电阻值、吸收比、15秒时刻电阻值及被测电阻两端测试时充电时间长短综合判断法，判断电机绝缘特性。
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