一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器的設計

    在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器的工作原理的基礎上，闡述信號發(fā)生器的硬件和軟件設計?；诒驹O計的產(chǎn)品已通過(guò)試驗檢驗，可應用于IT系統中，為應用場(chǎng)所提供安全可靠的供電解決方案。

0 引言

    在IT系統中，單點(diǎn)接地故障是一種很常見(jiàn)的故障。一旦出現單點(diǎn)接地故障，IT系統就會(huì )變?yōu)門(mén)N-S系統，雖然可以帶故障繼續運行，但已經(jīng)失去了IT系統的優(yōu)點(diǎn)，增加了安全隱患。因此需要實(shí)時(shí)監測系統的對地絕緣狀況，并在監測到對地絕緣故障時(shí)，能通過(guò)儀表自動(dòng)定位故障點(diǎn)支路。否則，一旦出現故障，對絕緣故障點(diǎn)的定位查找，只能依靠人工對多達數十條、數百條，乃至成千上萬(wàn)條負載支路逐條斷電來(lái)實(shí)現，不僅費時(shí)費力，更嚴重破壞了供電連續性。這在某些需要連續供電的特殊場(chǎng)所，如醫院手術(shù)室等，是萬(wàn)萬(wàn)不允許的[1]。

    基于上述情況，本文設計了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器，它裝設于IT系統中， 配合絕緣故障定位裝置實(shí)現絕緣故障定位功能。當IT系統發(fā)生絕緣故障時(shí)，信號發(fā)生器啟動(dòng)并產(chǎn)生定位信號，注入到IT系統與地之間。絕緣故障定位裝置通過(guò)傳感器逐路巡檢，當檢測到定位信號流經(jīng)某支路時(shí)，便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時(shí)，操作人員可有目的性的針對該故障支路進(jìn)行斷電或其它保護操作，不必逐條支路斷電進(jìn)行排查，不僅大大的提高了工作效率，也的保障了系統供電的連續性。因此，對電力系統供電的安全性、連續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，單相IT系統發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)，輪流在系統某根線(xiàn)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測到定位信號，其信號發(fā)生原理如圖所示。

圖1 信號發(fā)生器的發(fā)生原理

    在IT系統中，注入的測試信號的值足夠小，以免對IT系統形成太大干擾，帶來(lái)不必要的隱患，甚至對系統負載造成危害；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)現足夠小的值、足夠大的峰值兩個(gè)期望目標。從簡(jiǎn)化設計的角度出發(fā)，沒(méi)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(guò)截取IT系統中交流信號的波峰來(lái)實(shí)現。

    普通電氣設備所需電源為AC 220V、50/60Hz,針對某一特定應用場(chǎng)合，如二類(lèi)醫療場(chǎng)所或某些集會(huì )場(chǎng)所的安全照明，可以由隔離變壓器轉換取得。L1、L2線(xiàn)間電壓AC 220V，其峰值為220V，滿(mǎn)足脈沖峰值足夠大的要求。為滿(mǎn)足值足夠小的要求，本文依照標準IEC61557-9的“定位信號電壓的值不允許超過(guò)50V"的規定，將電壓閾值設為50V[2]。依此，可計算出脈沖寬度（由于脈沖寬度很小，為方便計算，可將此峰值脈沖視為幅度為220的矩形脈沖）。

    當交流電壓周期為50Hz時(shí)，脈沖寬度

    當交流電壓為60Hz時(shí)，脈沖寬度

    利用單片機的定時(shí)器功能，配合光耦，可以截取0.4ms的峰值脈沖。由于0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，并且由于實(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V，因此其值一定會(huì )小于設定的閾值50V，可以滿(mǎn)足脈沖值足夠小的要求。

2 硬件設計

    本設計的硬件功能模塊主要包括電源模塊、*控制模塊、監測模塊、信號發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊組成。硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理框圖

    信號發(fā)生器上電后，CPU即通過(guò)監測模塊對IT系統的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，測量出IT系統的交流頻率。當系統發(fā)生對地絕緣故障時(shí)，信號發(fā)生器根據測量出的頻率大小，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系統發(fā)生故障的線(xiàn)，以及大地，形成電流回路，則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測各支路時(shí)，在某個(gè)支路上監測到此測試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設計中，*控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM -M3內核單片機STM32F103，該芯片處理速度快，高運行速度可達72MHz。芯片具有豐富的片內外圍資源，內部有20KB的片內RAM和多達64KB的FLASH閃存，帶有多通道的12位A/D轉化模塊，以及多個(gè)SPI、C、CAN等通訊接口，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設計。

3 軟件設計

    信號發(fā)生器的控制程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成，在程序設計中采用了結構化程序設計方法，便于程序代碼的維護、移植和升級。系統上電后，首先完成各個(gè)模塊的初始化和自檢，確保系統工作的可靠性，然后確定系統中的各個(gè)部分硬件電路正常后，自動(dòng)進(jìn)入正常工作模式，系統主程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

    為了充分保證信號發(fā)生器運行的準確與可靠，軟件設計采用了特定的程序算法進(jìn)行處理，主要包括：

    （1）數字濾波算法。隨著(zhù)電力系統的日漸復雜，電網(wǎng)中的諧波含量不斷增加，很多場(chǎng)所都不能避免。信號發(fā)生器采集到的*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的話(huà)，會(huì )對后續計算帶來(lái)影響。為了避免這些影響，軟件上在采集到數據之后，采用了數字濾波算法進(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果運算，從而使計算的結果更加可靠。

    （2）IT系統交流頻率自適應法。因為工作環(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(guò)監測模塊實(shí)時(shí)監測IT系統的交流頻率。監測模塊將比較L1、L2兩根線(xiàn)之間的電壓，對＞和＜的情況分別計時(shí)，記為和。由于電壓比較時(shí)存在一定的閾值電壓，所以會(huì )存在＞或＞的現象。如果+=20ms，即系統交流頻率為50Hz，如果此時(shí)出現系統對地絕緣故障，即可在與之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在與之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。如圖4所示。

圖4  L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

    如圖4所示，系統電壓的每個(gè)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的負半波的波峰處（如圖4第三行）。如果故障點(diǎn)發(fā)生在L1線(xiàn)上，則在L1-L2的負半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現為正，能被絕緣故障定位儀監測到；如果故障點(diǎn)發(fā)生在L2線(xiàn)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為正，能被絕緣故障定位儀監測到。

    如果+=10ms，考慮到脈沖值小于50V的需求，可以不用每個(gè)周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負半波），而選擇每?jì)蓚€(gè)周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負半波）。其他頻率依次類(lèi)推即可。

4 試驗結果

    目前，基于該設計的產(chǎn)品樣機已通過(guò)了型式試驗檢驗，檢驗的內容包括產(chǎn)品的安全性能和電磁兼容性能，產(chǎn)品的各項指標均達到國家標準的要求。

    實(shí)際試驗中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖5所示，由圖可知，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的有些偏?。▓D中正弦波形為系統電壓，作為比照），但還是滿(mǎn)足絕緣故障定位的要求的，在絕緣故障定位儀端監視到的波形，經(jīng)過(guò)濾波等預處理操作之后，如圖6所示。

圖5  信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形

圖6  絕緣故障定位儀監測到的波形

    由圖6可看出，監測到的脈沖波形比干擾波形要的高的多，形成一個(gè)明顯的落差，通過(guò)設定適當的閾值，配合脈沖寬度等條件，可以準確的判斷出此支路是否有測試信號通過(guò)，即此支路是否有絕緣故障。

5 結語(yǔ)

    本文設計的絕緣故障定位用信號發(fā)生器，具有自適應IT系統頻率，注入高峰值、低值脈沖波形等功能，并可以通過(guò)面板指示燈指示當前工作狀態(tài)?；诒驹O計的產(chǎn)品符合相關(guān)國家標準的要求，并能為IT系統提供安全、可靠的供電解決方案。

文章來(lái)源于：《建筑電氣》2013年第12期。

參考文獻

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