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电线、电缆绝缘电阻测试方法比较


第 30 卷 第 6期   2008 年 12 月 783 - 786 页

世界科技研究与发展
WO RLD SC I2TECH R&D
1 2

Vol 30 . No. 6   Dec. 2008 pp. 783 - 786

电线 /电缆绝缘电阻测试方法比较
王效飞   王伯

成   曾洪贵     王 凯
1 3

(1. 中国人民解放军 91868 部队 78 分队 , 三亚 572000; 2. 96325 部队通信网络技术管理中心 , 怀化 418008; 3. 第二炮兵驻孝感地区军事代表室 , 孝感 432100 )
摘   : 绝缘电阻是电线 /电缆产品的重要指标之一 。电线 /电缆各芯间的绝缘电阻是否正常在某种程度上反映了电线 /电缆产品 要 是否工作正常 。由于各种电线 /电缆工作的环境不同 ,绝缘电阻阻值也不相同 , 因而对绝缘电阻测试方法的选择也应不同 。给出 了当前绝缘电阻测试的几种方法 ,分析了各种测试方法的原理和优缺点 , 比较了各种方法的优缺点及适用范围 , 最后得出了各种 方法比较的一览表 。 关键词 : 绝缘电阻 ; 测试方法 ; 电缆

中图分类号 : TP391. 9; TP311     文献标识码 : A    

The M ethod Com par ison for Testin g of Cable I sula ted Resistance n
W ANG X ia ofe i1  W ANG Bocheng1  ZENG Honggu i2  W ANG Ka i3 ( 1. No. 91868 Unit of the PLA , Sanya 572000; 2. The Communication and Network Technology Management Center of The No. 96325 Unit of the PLA , Huaihua 418008; 3. The M ilitary Deputy Office of the Second A rtillery in Xiaogan City, Xiaogan 432100 ) Abstract: The insulated resistance is one of the most important specifications for the cables The condition of the insulated resistance between . two cables indicates whether they are working correctly or not For the working conditions and the magnitudes of different cable insulated re2 . sistances are not the same, test methods are also different Varieties of test methods and their p rincip les are p resented; their advantages and . disadvantages together with their app lication lim its are analyzed, which p rovides a reference for insulation test instrument design. Several insu2 lation measurement methods currently used are p resented. The theory of each method is analyzed. The app licability as well as merits and fault are compared and a table of comparing of each method is given at last . Key words: insulation resistance; measurement method; cable

1  引言

2. 1   串联法测绝缘电阻

串联法测绝缘电阻 , 顾名思义 , 是将绝缘电阻和测量电

绝缘电阻是反映电线电缆产品绝缘特性的主要指标 ,它 反映了线缆产品承受电击穿或热击穿能力的大小 ,与绝缘的 介质损耗以及绝缘材料在工作状态下的逐步劣化等均存在 着极为密切的关系 。产品的绝缘电阻主要取决于所选用的 绝缘材料 ,但工艺水平对绝缘电阻的影响很大 , 因此测定绝 缘电阻是监督材料质量和工艺水平的一种方法 。测定绝缘 电阻可以发现工艺的缺陷 ,同时也是研究绝缘材料的品质和 特性 ,研究绝缘结构以及产品在各种运行条件下的使用性能 等各方面的重要手段 ,对于已投入运行的产品绝缘电阻是判 断产品品质变化的重要依据之一 。 在电线 /电缆产品中 , 线间的绝缘电阻值只有在一定的 范围内 ,才能保证电线 /电缆正常的工作 。由于各电线 /电缆 工作的环境各不相同 , 绝缘电阻阻值也不尽相同 , 因而其测 试方法的选择也不尽相同 , 因此对电线 /电缆产品的绝缘电 阻的测试方法进行分析研究为各种适用范围的绝缘电阻测 试仪的设计有一定的参考意义 。

阻串联的方法来对测量电阻进行电压测试以计算出绝缘电 阻阻值的方法 [ 1 ] 。如下图 1 所示 。 由图可得 : U i = U 0 ×
R2

R s + R x + R 1 + R2

所以有 :

Rx =

R2 U 0 Ui

- R s - R 1 - R2

( 1)

2  绝缘电阻测试的方法

图 1  串联法测绝缘电阻

当前绝缘电阻测试的方法主要是“ 加高压 、 测漏流 ” 。具 体归纳起来主要有以下几种 : 串联法测绝缘电阻 、 并联法测 绝缘电阻 、 电压比法测绝缘电阻 、 电桥法测绝缘电阻 、 充放电 法测绝缘电阻 。下面加以详细介绍 。

图中 U 0 为测试电源电压 , R s 为电源内阻 , R x 为绝缘电阻 , R1

为限流电阻 , R2 为测量电阻 , U i 为待测电压 , RL 和 CL 组成低 通滤波输出 。由于 R1 、 0 、 2 已知 , 所以只要求得 R s 和 U i U R 第  页 783

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F ig. 1  Method of series2 wound resistance

电工技术

  世界科技研究与发展 由图 3 可以得到关系式 :
RN + RA R X + RB RR EF × = V IN × RA RB

2008 年 12 月

即可计算出所要测的绝缘电阻值 。U i 可以通过电压测量得 到 , 而 R s 可以通过实验得方法确定 。
2. 2   并联法测绝缘电阻

并联法测绝缘电阻原理 [ 2 ]如图 2 所示 :

则有 : RX =

V R EF V IN

×

RB RA

( RN + RA ) - R

( 3)

由于 RA , RB 、 N 的值已 知 , 可知 , R x 只和 VR EF /V /V IN 有 R 关 , 只要求出 V R EF /V IN 即可求出 R x 。
2. 4   电桥法测绝缘电阻 2. 4. 1   全桥法测绝缘电阻

全桥法测绝缘电阻原理 [ 4 ]如图 4 所示 ,全桥法在原理和 形态上都和比较法十分雷同 ,它们不同的地方就是 RD 的使 用 , RD 是一个数控电位计 。在比较法中 ,如果绝缘电阻阻值 过大或过小 ,则 V IN 就会偏大或偏小 , 超出 A /D 的测量量程 或超出 A /D 的分辨率 。这种情况下可以采用在 A /D 输入通 道之前接入程控放大器 ,但这种做法对放大器的要求十分严
图 2  并联型绝缘电阻测试

格 ,因为如果放大器的性能不好 ,不但不能提高测量精度 , 反 而会降低测量精度 。而在电桥法中采用数控电阻后 ,可以通 过调整数控电阻的阻值使总是在 A /D 的合适测量范围内进 行测量 ,原理如下 :
R 1 + R2 R X + R 3 + RD UR × = UD × R2 n r1

图中 U 0 为测试电源电压 , R s 为电源内阻 , R x 为绝缘电 阻 , R 1 为限流电阻 , R 2 为测量电阻 , U i 为待测电压 , RL 和 CL 组成低通滤波输出 。其绝缘电阻值求取公式推导为 :
R s 以后的并联电阻值为 : R x ( R 1 + R2 ) R x + R1 + R 2

则有 : U 1 = U 0 × 而 : Ui =

R 1 + R2

其中 R 1 和 R 2 为已知标准电阻 ,故只须测得 U i 和 R s , 就可以 求得 R x 。
2. 3   电压比较法测绝缘电阻

电压比较法原理 [ 3 ]如图 3 所示 :

F ig. 3  Method based on the comparing of the voltage of resistance

图中符号含义如下 : U0 : 测试电源电压 ; UREF : 已知的参考电 压 ; U i : 待测电压 ; Rx : 待测的绝缘电阻 ; R1 : 高阻值的标准电 阻 ; R2 : 可调精密电阻 ; R3 : 已知的阻值较低的标准电阻 。 第  页 784

F ig. 2  Method of shunt2 wound resistance

即有 :
RX = UR UD

R x ( R1 + R2 ) R s ( R x + R1 + R2 ) + R x ( R 1 + R2 )

×

R 1 + R2 R2

× r1 - ( R 3 + RD ) n

( 4)

R2

其中 n 为数控电阻的第 n 个抽头 , r1 为其数控电阻每一 级电阻的阻值 。在编程过程中只要测量出 U R 、 D 以及推出 U
n 的大小 ,其他值已知 ,就可以计算出绝缘电阻的大小 。

× 0 将上式代入得 : U

Rx =

U i R s ( R1 + R 2 ) U 0 R 2 - U i ( R s + R 1 + R2 )

(2)

图 4  全桥法测绝缘电阻
F ig. 4  Test of resistance based on the bridge

2. 4. 2   半桥法测绝缘电阻

[5 ]

图 3  电压比较法测绝缘电阻

由于变电站的输出母线是悬浮的 ,因此允许有一侧接地 或者是绝缘电阻同时降低 , 我们同时需要知道正 、 负线线对 地的绝缘电阻 。在经典的电桥法当中 , 当正 、 负线对地的绝 缘电阻同时下降时 , 电桥仍然保持平衡 , 不能得出各自的绝 缘电阻值 ,对此 ,文献 [ 5 ]给出了一种比较简单的电桥法 , 即 半桥法测绝缘电阻 。其原理如图 5 所示 :

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电工技术

图中 R s 为测试电源内阻 , R x 为绝缘电阻 , C 为充电电 容 , Q 为冲击检流计 。将绝缘电阻 R x 和一电解电容器 C 串 联 ,由于电源内阻和绝缘电阻并联 , 电源内阻远小于绝缘电 阻 ,故可忽略不计 。先用电压为 U 0 的直流电源经过绝缘电 阻对电容器充电 , 经过适当时间 t1 后 ,将电容器上所充电量 经冲击检流计放电 。根据已知的充电时间 ,电源电压和所测 得的电量即可算出绝缘电阻 。当开关合向 1 时 ,直流电压 U 0 开始向未充过电的电容 C 充电 , 对于此充电回路 , 设任一时 刻电容器 C 上的电量为 Q, 电压为 U c ,则有 :
图 5  半桥法测绝缘电阻

U - U c = Rx

dU c dQ = Rx C dt dt
( - t/R xC)

图中 , XJJ 为一继电器 ,其中 5 点和 2 点为线包接线点 ,
1, 6 点相通为接入点 , 3 点为常开点 , 4 点为常闭点 。V IN 是控

制母线的工作电压 , R x1 、 x2分别是正 、 R 负母线对地的绝缘电 阻 。设继电器在常开点时采样的到电压 UAD的值为 UAD 1 , 继 电器动作后在常闭点时采样到的电压 UAD 的值为 UAD 2 , 根据 图 5 中的电路可列出电路方程如下 :
V IN = V IN = UAD 1 UAD 1 R0 UAD 1 R0

-

-

解上面的方程组后可以求出 :
RX 1 = RX 2 =

已知采样电阻 R 0 、 1 , 控制母线工作电路 V IN 也可求出 , 这样 R 只要通过采样芯片内部的 12 位 AD 转换并计算出 UAD 1 、 AD 2 U 的大小就可以直接按照公式求出绝缘电阻 R x1 、 x2的值 。 R
2. 5   电容充放电法测绝缘电阻

电容充放电法原理

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F ig. 6   Insulation measurement by charging and discharging the ca2 pacitance

F ig. 5  Test of resistance based on the half2bridge

所以任一时刻 t电容器两端的电 U c = CU ( 1 - e

) , 经过

t1 秒后 , 电容器上所储电量等于 Q, 当绝缘电阻很大 , C 为定

值 , 在不太长的充电时间 t1 内 , U c < < U, 充电电流几乎不 变 , 近似值为 i =
Q = U , 则电容器所储电量为 Q 与 t1 成正比 , 即 Rx

U U t1 。所以 , 被测电阻 R x = t1 , Q 值可用冲击检流计测 Rx Q

R 0 R X2

( 2R 1 + R 0 ) + ( ( 2R 1 + R 0 ) +

) R X1 + RX2 +

-

( 2R 1 + R 0 )

量 , 其方法是 :将开关 J k 倒向 2, 读出冲击检流计的第一次最 大偏转 α , 则电容器所储的电量为 Q = Cqα 式中 Cq - 冲击 m m 检流计的电量冲击常数 。将该式代入 R x 的表达式中 , 则可 求出待测电阻 :
Rx = U t α 1 C m

UAD 2

UAD 1 R0

R 0 RX 1

-

UAD 2 R0

( 2R 1 + R 0 )

( 6)

- V IN R0 + ( UAD 2 - UAD 1 ) ( 2R1 + R0 )
UAD 1

V IN R 0 + ( UAD 1 - UAD 2 ) ( 2R 1 + R 0 ) UAD 2

( 5)

3  绝缘电阻测试方法的比较及适用范围分析
串联法的特点是原理简单 , 可靠实用 。U i 随着 R x 的增 大而减小 , 当 R x 非常大时 , U i 会变得非常小 , 当电压小到一 定程度时 ,电压测量将变得比较困难 ,如果为了保证 U i 的值 为可测 ,则 Rx 会变得非常小 , 对精密电阻的要求就过高而不 能满足 , 所以这种种方法只能测得一定上限值的绝缘电阻 , 具体数值则由以上参数共同决定 。 并联法不适合测量值较小的绝缘电阻值 。由关系式 ( 2 ) 可以看出 , 测试中 Rx 的计算值与 RS 有很大关系 , 所以 RS 的 求取对测试精度十分重要 ,如果 RS 为一定值 , 则用实验的方 法加以修正就可以得到正确的关系式 , 但如果 R S 为一变量 则需要求得它和 Rx 的关系才能得到正确的关系式 。另外从 电路图可以看出 , 当 Rx 越小时 , U i 越小 , 到超过测量的合适 范围时所测绝缘电阻值就会有较大误差 , 所以此法不适合测 比较小的绝缘电阻 。 电压比较法的优点是可以不用求得 R s , 只须求得 VREF 和 V IN即可 。但 VREF和 V IN的值仍受 RS 影响 ,如果 RS 较小 , 其影响可以忽略不计 。VREF为一个设定值 , 所以每次测量时 只需测量 V IN即可 。但 RS 对系统的影响比较大超过误差允 许范围时 ,就需要每次对 VR EF和 V IN 都进行测量 ,这样电压测 量工作量增加了一倍 。 电桥法中 ,主要的误差来源为 A /D 转换器带来的误差 。 当绝缘电阻值过大或过小时 ,则 V IN 就会偏大或偏小 ,选用一 般的 A /D 转换器 , V IN 就可能超出 A /D 的测量量程或超出 A / 第  页 785

[ 6, 7 ]

如图 6 所示 。

图 6  电容充放电法测绝缘电阻

电工技术

  世界科技研究与发展

2008 年 12 月

D 的分辨率 ,导致较大的误差 。选择好的 A /D 转换器 , 则会

导致整个系统成本的上升 。在一些对精度要求比较高的测 量场所 ,同时对成本的考虑相对少的时候 , 可以选用高精度 的 A /D 转换器 ,采用电桥法进行绝缘电阻测试 ,可以达到较 高的精度 。 半桥法测绝缘电阻原理复杂 , 但容易实现自动化 , 并且 可以同时对架空电线正 、 负母线的绝缘电阻进行测试 , 同时 还可以解决正 、 负母线绝缘电阻同时降低给测试带来的问 题 ,可以广泛的应用于架空电线的绝缘电阻测试当中 。 充放电法的优点是电源内阻对测试影响十分微弱 , 可以 忽略不计 。由式 ( 6 ) 可以看出 ,当 R x 较大时 , 只要提高测试 电压 U 即可 ,因而充放电法可以测量较大电阻值的绝缘电阻 值 。其缺点是抗干扰性比较差 ,需要采取隔离和屏蔽措施才 能进行测量 ,而且若测试点存在电容或存在较大的分布电容 时会导致较大的误差 。 由以上分析可以得出各种测试方法的特点及优缺点如 表 1 所示 。
表 1  各测试方法的比较
Table 1  Compare of all methods

4  结束语
本文对电线 、 电缆绝缘电阻测试的方法进行了归纳和总 结 ,给出了各种测试方法的原理 , 并对各种测试方法的优缺 点进行了比较分析 , 给出了种种测试方法的适用范围 , 为各 种绝缘电阻测试系统的设计的方法选择提供了参考 。

参考文献
[ 1 ]罗大成 ,王仕成 ,刘志国 . 导弹电缆绝缘电阻测试仪的设计 [ J ].

计量技术 , 2005, ( 12) : 24 ~27
[ 2 ]何宝福 , 李鹏 . 基于 80C196 单片机的某红外预警设备控制系统

的设计与实现 [ J ]. 电光与控制 , 2005, 12 ( 4) , 58 ~61
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算机测量与控制 , 2003, 11 ( 8) : 635 ~637
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技术 , 1998, ( 4) : 13 ~14
[ 7 ]艾延宝 . 1015Ω数量级绝缘电阻的一种测定方法 [ J ]. 煤炭技术 , 2002, 21 ( 11) : 16 ~17

测试方法 串联法 并联法 电压比较法 全桥法 半桥法 电容充放电法

精度 一般 一般 最高 较高 较高 较差

原理 最简单 比较简单 比较复杂 比较复杂 最复杂 比较复杂

成本 较低 较低 较高 最高 最高 较高

自动化程度 适用范围 一般 一般 较低 较高 较高 低 较窄 较窄 很宽 一般 一般 最窄

作者简介
王效飞 (WANG Xiaofei, 1981 2) ,男 , 山东潍坊人 , 汉族 , 助理工程师 , 研究方向为检测技术与自动化装置 。

(责任编辑 : 詹冬梅 )

第  页 786

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