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一种绝缘故障定位用信号发生器的设计

2018-02-05 14:07:52来源:安科瑞已被 90 人阅读

内容摘要:安科瑞 胡烨 在隔离电源系统中,为防止由于多点接地而引发严重后果,需要实时对系统进行对地绝缘监测,并在监测到对地绝缘故障时,进行故障定位。本文在介绍绝缘定位用信号发生器的工作原理的基础上,详细阐述了信号发生器的硬件和软件设计。本文中设计的产品已通过试验检验,可应用于IT系统,为应用场所提供安全可靠的供电解决方案。

  0 引言

  在IT系统中,单点接地故障是一种很常见的故障。一旦出现单点接地故障,IT系统就会变为TN-S系统,虽然可以带故障继续运行,但已经失去了IT系统的优点,增加了安全隐患。因此需要实时监测系统的对地绝缘状况,并在监测到对地绝缘故障时,能通过仪表自动定位故障点支路。若没有自动定位功能,一旦出现故障,只能依靠人工对多达数十条、数百条,乃至成千上万条负载支路逐条断电查找,不仅费时费力,更严重破坏了供电连续性。这在某些需要连续供电的特殊场所(如医院手术室等)是不允许的[1]。

  基于上述情况,本文设计了一种绝缘故障定位用信号发生器,它装设于IT系统中, 配合绝缘故障定位装置实现绝缘故障定位功能。当IT系统发生绝缘故障时,信号发生器启动并产生定位信号,注入到IT系统与地之间。绝缘故障定位装置通过传感器逐路巡检,当检测到定位信号流经某支路时,便可确定该支路为绝缘故障所在回路。此时,操作人员可有目的性的针对该故障支路进行断电或其它保护操作,不必逐条支路断电进行排查,不仅提高了工作效率,也有效的保障了系统供电的连续性。因此,对电力系统供电的安全性、连续性和可靠性具有极其重要的意义。

  1 信号发生原理

  信号发生器的工作原理是当IT系统发生单点接地故障时,轮流在系统某根线与大地之间注入定位信号,以便绝缘故障定位仪能在故障支路上监测到定位信号。常采用图1所示发生原理。

  图1 信号发生器的发生原理

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  在IT系统中,注入的测试信号的有效值必须足够小,以免对IT系统形成太大干扰或对系统负载造成危害;又要有足够大的峰值,以便在故障支路上形成足够大的电流,使故障定位仪的电流互感器能正常监测。

  考虑以上两种情况,本文采用脉冲信号作为测试信号。如果脉冲信号幅度足够大,宽度足够窄,则可以实现有效值足够小、峰值足够两个期望目标。从简化设计的角度出发,没有必要在信号发生器上直接产生高压脉冲信号,可以通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现。

  对于单项交流IT系统,两根线L1、L2间电压为AC220V,其峰值为

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  ,满足脉冲峰值足够大的要求。为满足有效值足够小的要求,本文依照标准IEC61557-9的“定位信号电压的有效值不允许超过50V”的规定,将电压阈值设为50V[2]。依此,可计算出脉冲宽度(由于脉冲宽度很小,为方便计算,可将此峰值脉冲视为幅度为

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  ]的矩形脉冲)。

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  当交流电压周期为50Hz时,脉冲宽度

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  当交流电压为60Hz时,脉冲宽度

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  利用单片机的定时器功能,配合光耦,可以精确截取0.4ms的峰值脉冲。由于0.4ms<0.4304ms<0.5165ms,并且实际截取的脉冲信号中,除波峰一点外,其余点幅度均小于

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  ,因此其有效值一定会小于设定的阈值50V,可以满足脉冲有效值足够小的要求。

  2 硬件设计

  本设计的硬件功能模块主要包括电源模块、中央控制模块、监测模块、信号发生模块、通信模块、指示灯模块。硬件设计原理框图如图2所示。

  图2 硬件设计原理框图

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  信号发生器上电后,CPU即通过监测模块对IT系统的电压进行实时监测,测量出IT系统的交流频率。当系统发生对地绝缘故障时,信号发生器根据测量出的频率大小,确定测试信号的脉冲宽度以及脉冲频率,截取系统波峰,产生测试信号,轮流加到L1-PE、L2-PE间。由于发生绝缘故障,故障支路可等效为一较小值电阻,连接IT系统发生故障的线以及大地,形成电流回路,测试信号能在故障支路上产生测试电流,绝缘故障定位仪逐路巡回监测各支路时,在某个支路上监测到此测试电流,即可判定此条支路为故障支路。本设计中,中央控制模块选用ST公司生产的32位ARM CortexTM-M3内核单片机STM32F103,该芯片处理速度快,最高运行速度可达72MHz。芯片具有丰富的片内和外围资源,片内RAM 20KB和FLASH闪存64KB,带有多通道的12位A/D转化模块,以及多个SPI、I2C、CAN等通讯接口,大大简化了外围电路的设计。

  3 软件设计

  信号发生器的控制程序用C语言编写完成,在程序设计中采用了结构化程序设计方法,便于程序代码的维护、移植和升级。系统上电后,首先完成各个模块的初始化和自检,确保系统工作的可靠性,然后确定系统中的各个部分硬件电路正常后,自动进入正常工作模式,系统主程序流程图如图3所示。

  图3 软件流程图

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  为了充分保证信号发生器运行的准确性与可靠性。软件上采用了特定的程序算法进行处理,主要包括:

  (1)数字滤波算法。随着电力系统的日渐复杂,电网中的谐波含量不断增加。信号发生器采集到的第一手信号中自然也包含了大量了谐波分量,以及其他一些噪声干扰。这些干扰如果不滤除,会给后续计算带来影响。为了避免这些影响,软件在采集到数据之后,采用了数字滤波算法进行处理,滤除掉信号中谐波、噪声等干扰的部分,只让有用的信号参与结果运算,从而使计算的结果更加精确可靠。

  (2)IT系统交流频率自适应法。因为工作环境的多样性,工作电压不一定就是50Hz,实际中的电压频率可能更高或更低,因此要通过监测模块实时监测IT系统的交流频率。监测模块将比较L1、L2两根线之间的电压,对UL1>UL2和UL1t2或t2>t1的现象。如果t1+t2=20ms,即系统交流频率为50Hz,如果此时出现系统对地绝缘故障,即可在(t1/2-0.2)ms与(t1/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲,在(t2/2-0.2)ms与(t2/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。

  图4 L1、L2间电压及截取的脉冲电压

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  如图4所示,系统电压的每个周期,信号发生器截取两次脉冲,分别在L1-L2的正半波的波峰处(如图4第二行),以及L1-L2的负半波的波峰处(如图4第三行)。如果故障点发生在L1线上,则在L1-L2的负半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正,能被绝缘故障定位仪监测到;如果故障点发生在L2线上,则在L1-L2的正半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正,能被绝缘故障定位仪监测到。

  如果t1+t2=10ms,考虑到脉冲有效值小于50V的需求,可以不用每个周期截取两次脉冲(L1-L2正半波,L1-L2负半波),而选择每两个周期截取两次脉冲(L1-L2正半波,L1-L2负半波)。其他频率依次类推即可。

  4 信号发生器在医疗IT绝缘监测及故障定位系统的应用

  基于本文设计的信号发生器,已成功应用于某医院重症监护室,系统应用如图5所示。通过通讯线路,将绝缘监测仪、绝缘故障定位仪和信号发生器构成一个局域网络。信号发生器上电后自动进入监测模式,监测IT系统的频率。当绝缘监测仪监测到IT系统发生对地绝缘故障时,通过通讯线路,启动信号发生器和绝缘故障定位仪,进入信号发生模式和故障定位模式。

  图5 某医院重症监护室IT系统应用图

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  在实际工程应用中,信号发生器产生的脉冲波形如图6所示,由图可看出,该波形存在大量的杂波干扰,峰值也较理论的

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  偏小(图6中正弦波形为系统电压,作为比照),但还是满足绝缘故障定位的要求的,在绝缘故障定位仪端监视到的波形,经过滤波等预处理操作之后,如图7所示。

  图6 信号发生器产生的波形

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  图7 绝缘故障定位仪监测到的波形

  

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

 

  由图7可看出,监测到的脉冲波形比干扰波形要高的多,形成一个明显的落差,通过设定适当的阈值,配合脉冲宽度等条件,可以准确地判断出此支路是否有测试信号通过,即此支路是否有绝缘故障。

  监测到故障支路后,绝缘故障定位仪显示故障支路数,同时通过通讯线路,将故障支路信息返回给绝缘监测仪。绝缘监测仪立即报警,通过界面显示故障支路数,同时通过通讯线路,命令信号发生器和绝缘故障定位仪停止发生信号和故障定位,信号发生器再次进入监测模式。

  此次工程施工完成后,在现场对系统进行调试,模拟绝缘故障100次,绝缘故障定位率为100%。充分证明本设计在工程应用中是可行的。

  5 结语

  本文设计的绝缘故障定位用信号发生器,具有自适应IT系统频率,注入高峰值、低有效值脉冲波形等功能,并可以通过面板指示灯指示当前工作状态。基于本设计的产品符合相关国家标准的要求,并能为IT系统提供安全、可靠的供电解决方案。本文最后还对医院重症监护室的IT系统绝缘故障定位做了初步探讨,给医院建筑电气设计者提供一点参考。在应用中,不同工程的实际情况非常复杂,还会遇到许多新的问题,望同仁们进一步探讨。

  文章来源:《智能建筑电气技术》2014年 第1期

  参考文献:

  [1] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[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

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