基于继电器矩阵卡的多通道电缆绝缘测试设备设计与分析

陈卫华 杨茂祥

（第七一五研究所，杭州，310023）

在声呐设备生产过程中，电缆的绝缘与通断测试是必经的工序[1]。现有的测试方法为：将摇表（绝缘阻抗测试仪）电压设置为100～2500 V，人工将摇表的一条输入线与电缆的其中一条芯线接触，摇表另外一条输入线与电缆的其他芯线依次接触并测试绝缘情况（每条芯线测试需要保压3～5 s）。由于电缆数量多，且需反复测试，以 37芯电缆为例，仅一次绝缘就需测试600余次，测试过程中不允许出现漏测，600余次的测试大约需要2 h。由于测试次数多、时间长，测试过程极易出现不可控原因打断测试，或由于长时间重复单一工作而导致漏测。每次出现漏测都需要重新进行测试工作，耗时长；假设出现漏测但未重新测试，则将对整个声呐设备生产合格率造成影响。为提高测试效率、降低测试出错率和人工劳动强度，本文设计了一种基于继电器矩阵卡的多通道电缆绝缘测试设备。

1 工作原理

1.1 设计要求

为完成电缆芯线间绝缘测试的自动化，本设备需要有以下功能：（1）最大可测试电缆芯线数目为50芯；（2）绝缘最高电压2500 V；（3）绝缘测试电压可从0～2500 V自由调整；（4）测试软件可自主设计测试过程，并保存测试结果。

1.2 系统整体结构设计

本设备由工控机、高压隔离切换模块、输入板卡、绝缘电阻测试仪、系统显示器、继电器矩阵卡、转接工装等组成。系统组成框图如图1所示。测试设备除继电器矩阵单元因有特殊要求，暂无标准板卡可选用，其他部分都选用了标准板卡，降低了研发成本，提高了设备可靠性。绝缘阻抗测试仪为绝缘测试过程的核心测试仪器，选用SE-7430安规分析仪。该仪器的两条输入线通过高压继电器矩阵卡与被测电缆芯线连接，以实现对电缆的芯线间的绝缘测试；数据输出端口通过RS232接口与工控机连接，以实现测试数据的输出。转接工装主要用于被测电缆与仪器的快速对接。转接工装上集成了与常用电缆连接器对接的插头或插座，对应电缆测试时只需要将连接器插在本转接工装上。如有新增连接器类型，可将本转接工装拆下，设计对应转接工装与连接器连接，以实现同类型电缆与测试设备的快速对接。

图1 多通道电缆绝缘测试设备组成框图

1.3 系统测试方式

采用自动化设备对电缆芯线间绝缘进行测试，如仍模仿人工采用一对一的方式进行测试，则测试时间仍然较长，分析过程如下。

设电缆芯线数为N，则按照上述测试方式需要测试次数 T=N×(N-1)/2，当 N=50时，T=1225，由于绝缘测试需要保压3～5 s，则对于50芯电缆而言，每次测试时间需近 3 h。由于多芯线数的电缆测试时间过长，且电缆绝缘不合格本是小概率事件，所以本仪器测试时采用一对多的测试方式，即将多条芯线短接后测试其相对某一根芯线的绝缘。但由于此方式类似于将多条芯线并联，芯线数目越多，短接后与对应芯线的绝缘阻值越小，越容易使得测试结果失真，因此，在测试次数最少的情况下需尽量将短接芯线的数量最小化。最终设计测试方式为：

对于第i根芯线，一次性测试其相对其余(N-1)/2根芯线的绝缘，具体为第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2，当ik>N时，ik=ik-N。当绝缘值不合格时，再对第i根芯线分别与第i1=i+1、i2=i+2......i(N-1)/2=i+(N-1)/2根芯线的测试[2]。

这样，在绝缘合格的情况下，总测试次数为N-1次。效率相较直接自动化测试提高了(N-1)/2倍，假设N=50，效率提高了近 50倍。当绝缘不合格时，效率提高倍数减小，只有在极端情况下，才与人工一对一的测试方式效率相近。

2 电路设计

2.1 主电路

图2为本设备的主电路图，主线路为220 V交流电源，依次给24 V开关电源、工控机、高压源（绝缘测试仪）、5 V开关电源供电，其中5 V开关电源用于给隔离控制卡与输入信号卡供电。

图2 主电路图

2.2 高压切换电路

图3为高压继电器矩阵卡电路图，HV+IN、HV-IN分别为绝缘测试仪的两条高压正负极输入线，每一个 HV OUT点通过转接工装最终连接到线缆的芯线上。每一个HV OUT通过两组高压继电器控制，一端控制接入HV+ IN，一端控制接入HV-IN。另外 HV+IN、HV-IN由继电器控制是否与高压继电器矩阵卡接通，另有继电器控制 5V-的电源是否接入矩阵卡。当绝缘测试时，需要接通 HV+IN与HV-IN而断开5V-，当通断测试时，需要断开HV+IN与HV-IN而接通5V-。

图3 高压继电器矩阵卡电路图

2.3 隔离控制电路

图4为隔离控制电路，其中PC为上位机，发送命令控制继电器的开闭。高压继电器矩阵卡中的继电器的线圈与隔离控制卡的继电器串接，从而通过隔离控制卡的继电器控制高压继电器矩阵卡中的继电器的开闭。

图4 隔离控制电路

2.4 通断测试电路

图5为输入信号卡电路，该信号卡用于电缆的通断测试。图中的HV OUT为接电缆芯线的非绝缘测试端。测试时，需要断开图3中HV+ IN与HV-IN而接通5 V-。此时电缆芯线与输入信号卡的继电器线圈串入5 V电压的回路，当该芯线接通时，输入信号卡的继电器闭合，反馈信号给输入信号卡控制端，进而将测试结果通过通讯线反馈给上位机。上述通断测试方法为同步测试，在设备允许的情况下，测试时间与电缆芯线数几乎无关，大大提高了通断的测试效率。

图5 输入信号卡电路

3 设备使用与结果分析

3.1 测试流程

设备测试时，首先需要将电缆的两端对接在设备转接工装上。启动设备，运行测试软件，首先是自检功能，以保证设备运行正常，之后启动测试。当测试结束后，所有测试数据保存在测试报表中，并于软件中显示电缆绝缘与通断是否合格，如不合格，设备报警并显示出具体不合格绝缘或不合格通断芯线。软件测试流程如图6所示。

图6 软件测试流程

3.2 测试结果分析

为了验证设备是否可行并判断测量结果误差是否满足要求，我们进行了测试实验。实验分为两组，一组判断是否可行，另外一组确定测量误差。

第一组实验，按照设备正常操作进行测试，选择性将某些芯线短接测试绝缘，某些芯线断开测试通断。通过多次实验，设备可按照上述流程测试并在报表中正确显示绝缘测试时短接的芯线及通断测试时断开的芯线。

第二组实验，将特定高阻值电阻接入设备中，通过设置软件依次测量不同阻值的电阻，记录测试结果，然后使用手动绝缘测试仪测量电阻阻值，并记录测试结果，数据见表 1[3]。测试误差为本设备测量值相对手动绝缘测试仪测量值的误差。通过分析表1数据可以得出，测试误差基本控制在1%以内。因此，若要准确检测出不合格品，可将电缆的要求绝缘值提高 1%以上。而实际测量时，线缆的绝缘值一般都为要求绝缘值的数倍甚至仪器测量范围之外，因此本设备的测量误差基本可忽略不计。

表1 实验测量结果 MΩ

4 总结

本文设计了一种多通道电缆绝缘自动测试设备，主要利用矩阵卡技术及标准绝缘测试设备完成自动化测试，提高了测试效率并降低了人工劳动强度。本文扩展了矩阵卡在实际生产中的应用，对其他产品测试过程的自动化实现具有借鉴意义。