一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：在隔離電源系統(tǒng)中，為防止由于多點(diǎn)接地而引發(fā)嚴(yán)重后果，需要實(shí)時對系統(tǒng)進(jìn)行對地絕緣監(jiān)測，并在監(jiān)測到對地絕緣故障時，進(jìn)行故障定位。本文在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器的工作原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了信號發(fā)生器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。本文中設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，可應(yīng)用于IT系統(tǒng)，為應(yīng)用場所提供安全可靠的供電解決方案。
　　關(guān)鍵詞：IT系統(tǒng)  信號發(fā)生器  故障定位
0 引言
　　在IT系統(tǒng)中，單點(diǎn)接地故障是一種很常見的故障。一旦出現(xiàn)單點(diǎn)接地故障，IT系統(tǒng)就會變?yōu)門N-S系統(tǒng)，雖然可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，但已經(jīng)失去了IT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，增加了安全隱患。因此需要實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的對地絕緣狀況，并在監(jiān)測到對地絕緣故障時，能通過儀表自動定位故障點(diǎn)支路。若沒有自動定位功能，一旦出現(xiàn)故障，只能依靠人工對多達(dá)數(shù)十條、數(shù)百條，乃至成千上萬條負(fù)載支路逐條斷電查找，不僅費(fèi)時費(fèi)力，更嚴(yán)重破壞了供電連續(xù)性。這在某些需要連續(xù)供電的特殊場所（如醫(yī)院手術(shù)室等）是不允許的[1]。
        基于上述情況，本文設(shè)計(jì)了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器，它裝設(shè)于IT系統(tǒng)中， 配合絕緣故障定位裝置實(shí)現(xiàn)絕緣故障定位功能。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時，信號發(fā)生器啟動并產(chǎn)生定位信號，注入到IT系統(tǒng)與地之間。絕緣故障定位裝置通過傳感器逐路巡檢，當(dāng)檢測到定位信號流經(jīng)某支路時，便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時，操作人員可有目的性的針對該故障支路進(jìn)行斷電或其它保護(hù)操作，不必逐條支路斷電進(jìn)行排查，不僅提高了工作效率，也有效的保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。因此，對電力系統(tǒng)供電的安全性、連續(xù)性和可靠性具有極其重要的意義。
1 信號發(fā)生原理
信號發(fā)生器的工作原理是當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時，輪流在系統(tǒng)某根線與大地之間注入定位信號，以便絕緣故障定位儀能在故障支路上監(jiān)測到定位信號。常采用圖1所示發(fā)生原理。

圖1 信號發(fā)生器的發(fā)生原理

　　在IT系統(tǒng)中，注入的測試信號的有效值必須足夠小，以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾或?qū)ο到y(tǒng)負(fù)載造成危害；又要有足夠大的峰值，以便在故障支路上形成足夠大的電流，使故障定位儀的電流互感器能正常監(jiān)測。
　　考慮以上兩種情況，本文采用脈沖信號作為測試信號。如果脈沖信號幅度足夠大，寬度足夠窄，則可以實(shí)現(xiàn)有效值足夠小、峰值足夠兩個期望目標(biāo)。從簡化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，沒有必要在信號發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號，可以通過截取IT系統(tǒng)中交流信號的波峰來實(shí)現(xiàn)。
　　對于單項(xiàng)交流IT系統(tǒng)，兩根線L1、L2間電壓為AC220V，其峰值為，滿足脈沖峰值足夠大的要求。為滿足有效值足夠小的要求，本文依照標(biāo)準(zhǔn)IEC61557-9的“定位信號電壓的有效值不允許超過50V”的規(guī)定，將電壓閾值設(shè)為50V^[2]。依此，可計(jì)算出脈沖寬度（由于脈沖寬度很小，為方便計(jì)算，可將此峰值脈沖視為幅度為]的矩形脈沖）。

                       　　當(dāng)交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度

                    　　   當(dāng)交流電壓為60Hz時，脈沖寬度

        利用單片機(jī)的定時器功能，配合光耦，可以精確截取0.4ms的峰值脈沖。由于0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，并且實(shí)際截取的脈沖信號中，除波峰一點(diǎn)外，其余點(diǎn)幅度均小于，因此其有效值一定會小于設(shè)定的閾值50V，可以滿足脈沖有效值足夠小的要求。
2 硬件設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控制模塊、監(jiān)測模塊、信號發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理框圖

        信號發(fā)生器上電后，CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，信號發(fā)生器根據(jù)測量出的頻率大小，確定測試信號的脈沖寬度以及脈沖頻率，截取系統(tǒng)波峰，產(chǎn)生測試信號，輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發(fā)生絕緣故障，故障支路可等效為一較小值電阻，連接IT系統(tǒng)發(fā)生故障的線以及大地，形成電流回路，測試信號能在故障支路上產(chǎn)生測試電流，絕緣故障定位儀逐路巡回監(jiān)測各支路時，在某個支路上監(jiān)測到此測試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設(shè)計(jì)中，中央控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核單片機(jī)STM32F103，該芯片處理速度快，最高運(yùn)行速度可達(dá)72MHz。芯片具有豐富的片內(nèi)和外圍資源，片內(nèi)RAM 20KB和FLASH閃存64KB，帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)化模塊，以及多個SPI、I²C、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)。
3 軟件設(shè)計(jì)
　　信號發(fā)生器的控制程序用C語言編寫完成，在程序設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，便于程序代碼的維護(hù)、移植和升級。系統(tǒng)上電后，首先完成各個模塊的初始化和自檢，確保系統(tǒng)工作的可靠性，然后確定系統(tǒng)中的各個部分硬件電路正常后，自動進(jìn)入正常工作模式，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

　　為了充分保證信號發(fā)生器運(yùn)行的準(zhǔn)確性與可靠性。軟件上采用了特定的程序算法進(jìn)行處理，主要包括：
　?。?）數(shù)字濾波算法。隨著電力系統(tǒng)的日漸復(fù)雜，電網(wǎng)中的諧波含量不斷增加。信號發(fā)生器采集到的第一手信號中自然也包含了大量了諧波分量，以及其他一些噪聲干擾。這些干擾如果不濾除，會給后續(xù)計(jì)算帶來影響。為了避免這些影響，軟件在采集到數(shù)據(jù)之后，采用了數(shù)字濾波算法進(jìn)行處理，濾除掉信號中諧波、噪聲等干擾的部分，只讓有用的信號參與結(jié)果運(yùn)算，從而使計(jì)算的結(jié)果更加精確可靠。
        （2）IT系統(tǒng)交流頻率自適應(yīng)法。因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的多樣性，工作電壓不一定就是50Hz，實(shí)際中的電壓頻率可能更高或更低，因此要通過監(jiān)測模塊實(shí)時監(jiān)測IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測模塊將比較L1、L2兩根線之間的電壓，對U_L1＞U_L2和U_L1＜U_L2的情況分別計(jì)時，記為t₁和t₂。由于電壓比較時存在一定的閾值電壓，所以會存在t₁＞t₂或t₂＞t₁的現(xiàn)象。如果t₁+t₂=20ms，即系統(tǒng)交流頻率為50Hz，如果此時出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障，即可在(t₁/2-0.2)ms與(t₁/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在(t₂/2-0.2)ms與(t₂/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

　圖4  L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

　　如圖4所示，系統(tǒng)電壓的每個周期，信號發(fā)生器截取兩次脈沖，分別在L1-L2的正半波的波峰處（如圖4第二行），以及L1-L2的負(fù)半波的波峰處（如圖4第三行）。如果故障點(diǎn)發(fā)生在L1線上，則在L1-L2的負(fù)半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到；如果故障點(diǎn)發(fā)生在L2線上，則在L1-L2的正半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到。
　　如果t1+t2=10ms，考慮到脈沖有效值小于50V的需求，可以不用每個周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負(fù)半波），而選擇每兩個周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負(fù)半波）。其他頻率依次類推即可。
4 信號發(fā)生器在醫(yī)療IT絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的應(yīng)用
　　基于本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器，已成功應(yīng)用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室，系統(tǒng)應(yīng)用如圖5所示。通過通訊線路，將絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀和信號發(fā)生器構(gòu)成一個局域網(wǎng)絡(luò)。信號發(fā)生器上電后自動進(jìn)入監(jiān)測模式，監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當(dāng)絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，通過通訊線路，啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀，進(jìn)入信號發(fā)生模式和故障定位模式。

圖5 某醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室IT系統(tǒng)應(yīng)用圖

　　在實(shí)際工程應(yīng)用中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖6所示，由圖可看出，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的偏?。▓D6中正弦波形為系統(tǒng)電壓，作為比照），但還是滿足絕緣故障定位的要求的，在絕緣故障定位儀端監(jiān)視到的波形，經(jīng)過濾波等預(yù)處理操作之后，如圖7所示。

圖6  信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形

圖7  絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形

　　由圖7可看出，監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高的多，形成一個明顯的落差，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，配合脈沖寬度等條件，可以準(zhǔn)確地判斷出此支路是否有測試信號通過，即此支路是否有絕緣故障。
　　監(jiān)測到故障支路后，絕緣故障定位儀顯示故障支路數(shù)，同時通過通訊線路，將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀立即報(bào)警，通過界面顯示故障支路數(shù)，同時通過通訊線路，命令信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)生信號和故障定位，信號發(fā)生器再次進(jìn)入監(jiān)測模式。
　　此次工程施工完成后，在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，模擬絕緣故障100次，絕緣故障定位率為100%。充分證明本設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中是可行的。
5 結(jié)語
       本文設(shè)計(jì)的絕緣故障定位用信號發(fā)生器，具有自適應(yīng)IT系統(tǒng)頻率，注入高峰值、低有效值脈沖波形等功能，并可以通過面板指示燈指示當(dāng)前工作狀態(tài)?；诒驹O(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，并能為IT系統(tǒng)提供安全、可靠的供電解決方案。本文最后還對醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室的IT系統(tǒng)絕緣故障定位做了初步探討，給醫(yī)院建筑電氣設(shè)計(jì)者提供一點(diǎn)參考。在應(yīng)用中，不同工程的實(shí)際情況非常復(fù)雜，還會遇到許多新的問題，望同仁們進(jìn)一步探討。

文章來源：《智能建筑電氣技術(shù)》2014年 第1期

參考文獻(xiàn)：
[1] JGJ 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[2]IEC 61557-9 Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1 000 V a.c. and 1 500 V d.c.— Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures —
Part 9: Equipment for insulation fault location in IT systems

作者簡介：

余靜，女，本科，武漢安科瑞電氣有限公司工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茈娏ΡO(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術(shù)交流：15827180236  QQ：423647716 郵箱：ACRELYUJING@163.com