一種應用于交直流不接地系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的設計與開發(fā)

1、設計與開發(fā).、一 、-前言在一些對供電連續(xù)性要求較高的場所（如：礦井、化工廠、玻璃廠、冶金廠、某 些集會場所的安全照明和某些電爐的試驗設備等），設備故障斷電會帶來巨大的 損失，因此采用不接地系統(tǒng)可以有效減少斷電發(fā)生的頻率，這是由于在不接地系 統(tǒng)第一次出現(xiàn)接地故障時，系統(tǒng)還能夠繼續(xù)使用，不會出現(xiàn)斷電的狀況，如果第 一次接地故障是人為導致，則對人體基本沒有太大的傷害，但此時系統(tǒng)已經存在 安全隱患，如果不及時排除故障，當再次出現(xiàn)異相接地故障時，系統(tǒng)就有可能斷 電，從而造成嚴重后果。安裝絕緣監(jiān)測裝置，可以實時顯示系統(tǒng)對地絕緣電阻， 在系統(tǒng)第一次出現(xiàn)絕緣故障時，發(fā)出報警信號，及時提醒維修人員對系統(tǒng)進行故

2、 障排查，短時間內無需跳閘，從而保證了 IT系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。JGJ 16-2008民用建筑電器設計規(guī)范第723條規(guī)定，IT配電系統(tǒng)必須配備絕緣 監(jiān)視儀。國外對此也很重視，在上世紀六十年代，各個發(fā)達國家已經開始對電 力系統(tǒng)的研究，但是其快速發(fā)展是在上世紀七十至八十年代。這十年間，數(shù)字電 路的集成、計算機的迅速發(fā)展、各類傳感器的出現(xiàn)推動了電子測量領域的發(fā)展。 目前國內一些廠家愈發(fā)重視對絕緣監(jiān)測產品的研究，主流的測量方式有直流信號 注入法、交流信號注入法、平衡橋測量法等等。以上測量方式有各自的優(yōu)勢，但 由于應用場所環(huán)境的差別（泄露電容、直流信號的存在等等）較大，可能存在著 測量范圍較窄、測

3、量精度不高、系統(tǒng)中允許泄露電容較低、測量周期長、只能用 于交流系統(tǒng)等缺點。本文提出一種新型絕緣監(jiān)測裝置的設計原理，該裝置采用自 適應系統(tǒng)頻率的方法，有絕緣電阻測量范圍廣，允許系統(tǒng)泄露電容大，響應快， 測量周期短等優(yōu)勢。1絕緣監(jiān)測裝置原理概述圖1所示為測量電路簡圖：LIIR1R3IR2 R4L2IR1R3IR2 R4R n CeIFPEIF尢地丄圖1：絕緣監(jiān)測裝置原理簡圖圖1中R1和R3是阻值相等的耦合電阻，R2和R4是阻值相等的采樣電阻， Rf是系統(tǒng)對地電阻，Ce為系統(tǒng)泄露電容，G為信號發(fā)生器。電源端的帶電導體 不接地，只作設備外殼的保護接地。絕緣監(jiān)測儀通過G向系統(tǒng)注入+20V和-20V 脈沖

4、信號，經過R1、R2、R3、R4返回到絕緣監(jiān)測儀，構成一個閉合回路， 對R2和R4電壓進行信號處理、采集，即可算出系統(tǒng)對地電阻和系統(tǒng)泄露電容。2 硬件設計本裝置硬件電路主要包括中央處理器模塊、斷線監(jiān)測模塊、信號注入模塊等。 中央處理器選用ARM cortex-M3內核的單片機，該芯片主頻高，外設豐富，大 大簡化了外圍電路的設計。下面對硬件電路進行討論：2.1信號控制電路CPU通過控制模擬開關決定信號的輸出。其中+2.5v信號來源于基準芯片， -2.5 v經+2.5v進行反相后得到，隨后進入信號發(fā)生電路。2.2信號發(fā)生電路信號控制電路中所述的+2.5v或-2.5v信號經過高壓運放放大后產生+20

5、v或 -20v脈沖信號，即為注入不接地系統(tǒng)的信號。2.3信號檢測電路信號發(fā)生電路中的20v信號通過圖1中耦合電阻和系統(tǒng)對地絕緣電阻后構成 回路，通過檢測兩個采樣電阻的信號來計算系統(tǒng)絕緣電阻；通過檢測PE上的信 號電壓，判斷PE/KE是否斷線；在裝置運行過程中，對系統(tǒng)類型進行實時檢測， 根據(jù)系統(tǒng)是否存在直流分量選擇適當?shù)臏y量方法。2.3.1交流系統(tǒng)或離線狀態(tài)信號從采樣電阻流經截止頻率小于10Hz的低通濾波電路。當系統(tǒng)是交流系 統(tǒng)或處于離線狀態(tài)時，由于存在的干擾信號主要來源于不接地系統(tǒng)的50Hz信號， 而該頻率遠大于該濾波器的截止頻率（小于10Hz），則干擾信號將會衰減到可忽 略的幅度，而后通過信

6、號處理電路分別對兩路信號進行相加、放大、抬升，最終 被單片機ADC采樣。濾波效果可參考仿真結果。本電路在PSPICE中進行仿真，在L1和L2之間加 300V （頻率50Hz）電壓（模擬不接地系統(tǒng)），信號經過四階低通濾波電路前后的效果對比如圖2所示。圖2中波形是注入的20v與300v系統(tǒng)電壓疊加后的結果,圖2中兩段信號分別是+20V和-20V交叉變換的結果，由于系統(tǒng)存在泄露電容，波 形呈現(xiàn)一個緩慢充放電的曲線，這個過程也是采樣電阻分壓趨于穩(wěn)定的過程。而 分壓電阻上的最終電壓只跟系統(tǒng)電壓和其所占比例有關，跟電容無關，故電阻的 測量與波形正負半周穩(wěn)定后的電壓有關，下面簡要陳述計算過程：圖3.兩路信號

7、合成“V0UT1”和“VOUT2”電壓V3,則在+20v時，有： = =“V0UT1”和“VOUT2”電壓V3,則在+20v時，有： = =R116R114R115V1和V2 （抬升電壓）已知，可以求出V3。設采樣電阻電壓為V4,由于從V4到V3只有低通濾波電路和一個信號抬升電壓V6，低通濾波電路對信號幅度影響很小，則:V4也是圖1中R2和R4的分壓，設電源電壓V5，貝V：R 275*（R1 + R2）/（R3 + R4）+ Rf =V聯(lián)立、式，即可求出絕緣電阻Rf。電容的計算則依賴于電阻的大小和波形的曲線。假設電壓在關于時間t的波形上 存在兩個點M1和M2，對應的坐標是（VI，tl），（V2

8、, t2）根據(jù)電容充電公式:Vt = E * eRc對應Ml和M2：處理后有:12 -t1=VTR *ln - V 2在實際計算的過程中，可以多次取點計算，求平均值，提高測量精度。在-20v時，絕緣電阻Rf和泄露電容計算方式與此類似。2.3.2系統(tǒng)存在直流分量當系統(tǒng)存在直流分量時，仍然需要四階濾波電路濾除系統(tǒng)交流信號（此時直流信 號仍然存在），之后經過一個如圖4所示的信號保持電路：常放大輸入信號T H采樣I開關圖4.信號保持電路輸入信號分為正、負半周信號，但兩者均含有系統(tǒng)中的直流分量，通過開關的斷開與閉合，可以實現(xiàn)正負半周信號相減，由于系統(tǒng)的直流電壓幅度變化很小，相減后的信號中不再含有直流分量

9、，此時的采樣信號中只是20V電壓作用在采樣無論是在+ 20V,還是-20v，系統(tǒng)都能獨立監(jiān)測絕緣狀況，如此，測量周期至少 比固定周期產品測量周期小一半。直流系統(tǒng)中電阻的計算同交流系統(tǒng)所述一樣， 電阻的大小取決于波形穩(wěn)定后的電壓值，電容的計算仍然依賴于電阻，計算方法 類似于通過ADC采樣信號可以反推出在+20V和-20V時圖1中R2和R4的分壓，即 可求出絕緣電阻值與泄露電容值。2.4儀表其它電路除了上述電路外，還有斷線檢測電路（PE/KE斷線、L1/L2斷線檢測功能）、 485通訊電路、其他通訊電路等等。3.軟件設計3.1軟件流程該絕緣監(jiān)測裝置采用結構化程序設計思想，采用C語言進行編寫。主函數(shù)

10、通過查詢標志位的狀態(tài)，決定是否執(zhí)行對應的模塊，各個模塊的標志位在定時器內 改變。這種方式提高了軟件的實時性，后期的軟件維護相對來說也比較方便。3.2自適應頻率目前市場上同行產品多數(shù)采用向系統(tǒng)注入固定周期信號的方法，這種方式必 須考慮系統(tǒng)最大電阻及電容，測量周期必須滿足最大電阻和最大電容的要求，因 此這時的周期也是最長的，且不能改變。自適應頻率是一種新型的周期調節(jié)的方 式，通過監(jiān)測系統(tǒng)信號波形來調整周期大小。在信號波形上取兩個點的電壓信號, 當信號電壓變化很小時，視為穩(wěn)定，這時翻轉脈沖信號，并保存該周期運行的時 間作為下一次脈沖的周期。由于在正負半周都會對波形監(jiān)測和計算，所以信號波 形的調整會很

11、及時，電阻的計算結果更新的相對也比較快。此外，一旦電阻和電 容測量結果穩(wěn)定，系統(tǒng)會計算理論周期，并與實際測量周期作對比，然后把理論 測量周期賦值給下一次脈沖周期。該方式保證了在測量結果精度達標的前提下， 測量周期能夠達到最短。3.3響應時間IEC61557-8第8部分“IT系統(tǒng)中絕緣監(jiān)控裝置”中第4.6表1規(guī)定，在純交流系統(tǒng) 中，當泄漏電容luF、絕緣電阻為0.5倍報警值時，響應時間應小于10s。在測量 精度達標的前提下，本裝置響應速度能小于6s。下面就電阻突變對波形的影響作簡要分析，祥見圖6：下半周周期變?yōu)橄掳胫苤芷谧優(yōu)?T提前穩(wěn)定vjnT :11111|1/電阻變化11圖6.故障模擬波形圖

12、實線：波形一 虛線：波形二tl之前系統(tǒng)周期已經穩(wěn)定，假設在tl時刻（電壓V1）電阻突然減小到報警值以下, 波形發(fā)生變化，當?shù)竭_采樣時刻t2時，測得此時電壓V2,CP U判斷兩者之差大于 設定的值，下半周周期加倍，變?yōu)?T （之前為T）,由于電容很小，系統(tǒng)會在2T 時間運行結束之前提前穩(wěn)定。雖然系統(tǒng)會在周期完成之前提前結束，但響應時間 會增大，如果取一個完整的正負周期的信號作報警響應的依據(jù)，則大大增加了響 應時間。為了解決這個問題，系統(tǒng)在半周結束之后計算電阻值（獨立信號），如 果該電阻值小于設定的報警值，貝V發(fā)出報警信號，響應值即為圖6中的t2tl,經 實際測試，響應時間基本維持在5s以內，最長

13、不超過6秒。3.4軟件其它描述軟件校準采用線性分段式校準法，共8個校準點，保證了儀表的精度；為了濾 除信號中的噪聲干擾，數(shù)字濾波依次采用冒泡法（對數(shù)據(jù)排序）、中位值濾波法、 平均值濾波法對數(shù)據(jù)進行處理，保證了信號的可靠性和穩(wěn)定性。4 試驗結果該產品已通過許昌開普檢驗中心的的型式試驗，功能和性能均滿足國際標準 要求。經試驗驗證，該儀表在電阻1K-5M、電容0-l50uF的條件下，顯示值與實 際值的比值均保持在10%以內，測量精度達標，能滿足各種環(huán)境中不接地系統(tǒng)絕 緣監(jiān)測的需求。5結語本文介紹了一種新型絕緣監(jiān)測裝置，與市場絕緣監(jiān)測儀表相比，其優(yōu)勢在于 可監(jiān)測直流不接地系統(tǒng)、允許系統(tǒng)泄露電容大、測量周期短、響應時間短等。經 過試驗，本文介紹的絕緣監(jiān)測裝置在交流、直流不接地系統(tǒng)均可可靠工作，可以 為不接地系統(tǒng)提供一種可靠的監(jiān)測。文章來源：智能建筑電氣技術2016年3期。參考文獻王厚余.論it系統(tǒng)的應用.中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院（北京）.JGJ 16-2008民用建筑電氣設計規(guī)范S.劉國平.船舶電氣與通信.第一版.北京：海洋出版社，2004.4王巍，王金全，楊濤，等.低壓IT系統(tǒng)幾個關鍵問題探討J.建筑電氣，2011(11)： 47-50. 馬濤，王金全，金偉一，等.三相四線制IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術方案研究J.船電技術.2008 (5)： 277-28