種應用于交直流不接地系統絕緣監測裝置的設計與開發 安科瑞鮑靜君

摘  要: 介紹了種用于工業不接地系統的絕緣監測裝置(IMD)，針對現有技術的不足，提供了種新的硬件平臺，可監測400V等級的交直流不接地系統，并詳述了絕緣監測儀的硬件和軟件設計原理。目前該絕緣監測儀已通過試驗驗證，并在市場上大量銷售，為工業不接地配電系統提供了可靠的絕緣監測。

關鍵詞: 交直流不接地系統  絕緣監測裝置  自適應  IMD

0.前言

    在些對供電連續性要求較高的場所（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可以有效減少斷電發生的頻率，這是由于在不接地系統*次出現接地故障時，系統還能夠繼續使用，不會出現斷電的狀況，如果*次接地故障是人為導致，則對人體基本沒有太大的傷害，但此時系統已經存在安全隱患，如果不及時排除故障，當再次出現異相接地故障時，系統就有可能斷電，從而造成嚴重后果。安裝絕緣監測裝置，可以實時顯示系統對地絕緣電阻，在系統*次出現絕緣故障時，發出報警信號，及時提醒維修人員對系統進行故障排查，短時間內無需跳閘，從而保證了IT系統供電的可靠性和連續性^[1]。JGJ 16-2008《民用建筑電器設計規范》第7.2.3條規定， IT配電系統配備絕緣監視儀^[2]。國外對此也很重視，在上世紀六十年代，各個發達國家已經開始對電力系統的研究，但是其快速發展是在上世紀七十至八十年代。這十年間，數字電路的集成、計算機的迅速發展、各類傳感器的出現推動了電子測量領域的發展。目前些廠家愈發重視對絕緣監測產品的研究，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勢，但由于應用場所環境的差別（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、測量精度不高、系統中允許泄露電容較低、測量周期長、只能用于交流系統等缺點。本文提出種新型絕緣監測裝置的設計原理，該裝置采用自適應系統頻率的方法，有絕緣電阻測量范圍廣，允許系統泄露電容大，響應快，測量周期短等優勢。

1.絕緣監測裝置原理概述  

圖1所示為測量電路簡圖：

 圖1：絕緣監測裝置原理簡圖

    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是系統對地電阻，Ce為系統泄露電容，G為信號發生器。電源端的帶電導體不接地，只作設備外殼的保護接地。絕緣監測儀通過G向系統注入+20V和-20V脈沖信號，經過R1、R2 、R3 、R4返回到絕緣監測儀，構成個閉合回路，對R2和R4電壓進行信號處理、采集，即可算出系統對地電阻和系統泄露電容。

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+2.5號來源于基準芯片，-2.5v經+2.5v進行反相后得到，隨后進入信號發生電路。

    2.2 信號發生電路

    信號控制電路中所述的+2.5v或-2.5號經過高壓運放放大后產生+20v或-20v脈沖信號，即為注入不接地系統的信號。

    2.3 信號檢測電路

    信號發生電路中的±20號通過圖1中耦合電阻和系統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，對系統類型進行實時檢測，根據系統是否存在直流分量選擇適當的測量方法。

    2.3.1 交流系統或離線狀態

    信號從采樣電阻流經截止頻率小于10Hz的低通濾波電路。當系統是交流系統或處于離線狀態時，由于存在的干擾信號主要來源于不接地系統的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，而后通過信號處理電路分別對兩路信號進行相加、放大、抬升，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），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系統電壓疊加后的結果，可以看出，300v電壓對采樣電阻上的信號電壓影響很大。參照圖2的下圖可知，經過低通濾波電路以后，300v（頻率50Hz）的信號衰減到可以忽略的幅度。

 圖2. 濾波前后信號對比

    圖2中兩段信號分別是+20V和-20V交叉變換的結果，由于系統存在泄露電容，波形呈現個緩慢充放電的曲線，這個過程也是采樣電阻分壓趨于穩定的過程。而分壓電阻上的終電壓只跟系統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定后的電壓有關，下面簡要陳述計算過程：

圖3. 兩路信號合成

    設圖3中“ADC_R”（采樣電壓）穩定后電壓是V1，此時的“VOUTF”處電V2，“VOUT1”和“VOUT2”電壓V3，則在+20v時，有：

①

    V1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個信號抬升電壓V6，低通濾波電路對信號幅度影響很小，則：

②

    V4也是圖1中R2和R4的分壓，設電源電壓V5，則：

③

聯立①、②、③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（V1，t1），（V2，t2）根據電容充電公式：

對應M1和M2：

處理后有：

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系統存在直流分量

    當系統存在直流分量時，仍然需要四階濾波電路濾除系統交流信號（此時直流信號仍然存在），之后經過個如圖4所示的信號保持電路：

 圖4. 信號保持電路

    輸入信號分為正、負半周信號，但兩者均含有系統中的直流分量，通過開關的斷開與閉合，可以實現正負半周信號相減，由于系統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，此時的采樣信號中只是±20V電壓作用在采樣電阻的結果，后信號經過放大，進入單片機ADC采樣模塊。進入ADC采樣的波形可以參照PSPICE仿真結果如圖5：

圖5. 兩路獨立信號波形

    無論是在﹢20v，還是-20v，系統都能獨立監測絕緣狀況，如此，測量周期至少比固定周期產品測量周期小半。直流系統中電阻的計算同交流系統所述樣，電阻的大小取決于波形穩定后的電壓值，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。主函數通過查詢標志位的狀態，決定是否執行對應的模塊，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采用向系統注入固定周期信號的方法，這種方式考慮系統大電阻及電容，測量周期滿足大電阻和大電容的要求，因此這時的周期也是長的，且不能改變。自適應頻率是種新型的周期調節的方式，通過監測系統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，視為穩定，這時翻轉脈沖信號，并保存該周期運行的時間作為下次脈沖的周期。由于在正負半周都會對波形監測和計算，所以信號波形的調整會很及時，電阻的計算結果更新的相對也比較快。此外，旦電阻和電容測量結果穩定，系統會計算理論周期，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，測量周期能夠達到短。

    3.3 響應時間

    IEC61557-8第8部分“IT系統中絕緣監控裝置”中第4.6表1規定，在純交流系統中，當泄漏電容1uF、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：

 圖6. 故障模擬波形圖

實線：波形   虛線：波形二

    t1之前系統周期已經穩定，假設在t1時刻（電壓V1）電阻突然減小到報警值以下，波形發生變化，當到達采樣時刻t2時，測得此時電壓V2,CPU判斷兩者之差大于設定的值，下半周周期加倍，變為2T（之前為T），由于電容很小，系統會在2T時間運行結束之前提前穩定。雖然系統會在周期完成之前提前結束，但響應時間會增大，如果取個完整的正負周期的信號作報警響應的依據，則大大增加了響應時間。為了解決這個問題，系統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，則發出報警信號，響應值即為圖6中的t2~t1，經實際測試，響應時間基本維持在5s以內，長不超過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，數字濾波依次采用冒泡法（對數據排序）、中位值濾波法、平均值濾波法對數據進行處理，保證了信號的可靠性和穩定性。

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，功能和性能均滿足標準要求。經試驗驗證，該儀表在電阻1K-5M、電容0-150uF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，能滿足各種環境中不接地系統絕緣監測的需求。

5.結語

    本文介紹了種新型絕緣監測裝置，與市場絕緣監測儀表相比，其優勢在于可監測直流不接地系統、允許系統泄露電容大、測量周期短、響應時間短等。經過試驗，本文介紹的絕緣監測裝置在交流、直流不接地系統均可可靠工作，可以為不接地系統提供種可靠的監測。

　文章來源：《智能建筑電氣技術》2016年3期。

參考文獻

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