一種絕緣故障定位用信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

    在介紹絕緣定位用信號(hào)發(fā)生器的工作原理的基礎(chǔ)上，闡述信號(hào)發(fā)生器的硬件和軟件設(shè)計(jì)?；诒驹O(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)中，為應(yīng)用場(chǎng)所提供安全可靠的供電解決方案。

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(huì)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(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)地絕緣狀況，并在監(jiān)測(cè)到對(duì)地絕緣故障時(shí)，能通過儀表自動(dòng)定位故障點(diǎn)支路。否則，一旦出現(xiàn)故障，對(duì)絕緣故障點(diǎn)的定位查找，只能依靠人工對(duì)多達(dá)數(shù)十條、數(shù)百條，乃至成千上萬條負(fù)載支路逐條斷電來實(shí)現(xiàn)，不僅費(fèi)時(shí)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(chǎng)所，如醫(yī)院手術(shù)室等，是萬萬不允許的[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(hào)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(shí)，信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)并產(chǎn)生定位信號(hào)，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(cè)到定位信號(hào)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(duì)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，不僅大大的提高了工作效率，也的保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。因此，對(duì)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(hào)發(fā)生原理

    信號(hào)發(fā)生器的工作原理是，單相IT系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)，輪流在系統(tǒng)某根線與大地之間注入定位信號(hào)，以便絕緣故障定位儀能在故障支路上監(jiān)測(cè)到定位信號(hào)，其信號(hào)發(fā)生原理如圖所示。

圖1 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)生原理

    在IT系統(tǒng)中，注入的測(cè)試信號(hào)的值足夠小，以免對(duì)IT系統(tǒng)形成太大干擾，帶來不必要的隱患，甚至對(duì)系統(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(cè)。

    考慮以上兩種情況，本文采用脈沖信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。如果脈沖信號(hào)幅度足夠大，寬度足夠窄，則可以實(shí)現(xiàn)足夠小的值、足夠大的峰值兩個(gè)期望目標(biāo)。從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，沒有必要在信號(hào)發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，可以通過截取IT系統(tǒng)中交流信號(hào)的波峰來實(shí)現(xiàn)。

    普通電氣設(shè)備所需電源為AC 220V、50/60Hz,針對(duì)某一特定應(yīng)用場(chǎng)合，如二類醫(yī)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(zhuǎn)換取得。L1、L2線間電壓AC 220V，其峰值為220V，滿足脈沖峰值足夠大的要求。為滿足值足夠小的要求，本文依照標(biāo)準(zhǔn)IEC61557-9的“定位信號(hào)電壓的值不允許超過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220的矩形脈沖）。

    當(dāng)交流電壓周期為50Hz時(shí)，脈沖寬度

    當(dāng)交流電壓為60Hz時(shí)，脈沖寬度

    利用單片機(jī)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(hào)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(shè)定的閾值50V，可以滿足脈沖值足夠小的要求。

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、*控制模塊、監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊組成。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(hào)發(fā)生器上電后，CPU即通過監(jiān)測(cè)模塊對(duì)IT系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地絕緣故障時(shí)，信號(hào)發(fā)生器根據(jù)測(cè)量出的頻率大小，確定測(cè)試信號(hào)的脈沖寬度以及脈沖頻率，截取系統(tǒng)波峰，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，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，則測(cè)試信號(hào)能在故障支路上產(chǎn)生測(cè)試電流，絕緣故障定位儀逐路巡回監(jiān)測(cè)各支路時(shí)，在某個(gè)支路上監(jiān)測(cè)到此測(cè)試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設(shè)計(jì)中，*控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM -M3內(nèi)核單片機(jī)STM32F103，該芯片處理速度快，高運(yùn)行速度可達(dá)72MHz。芯片具有豐富的片內(nèi)外圍資源，內(nèi)部有20KB的片內(nèi)RAM和多達(dá)64KB的FLASH閃存，帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。

3 軟件設(shè)計(jì)

    信號(hào)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(jí)。系統(tǒng)上電后，首先完成各個(gè)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(gè)部分硬件電路正常后，自動(dòng)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(hào)發(fā)生器運(yùn)行的準(zhǔn)確與可靠，軟件設(shè)計(jì)采用了特定的程序算法進(jìn)行處理，主要包括：

    （1）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，很多場(chǎng)所都不能避免。信號(hào)發(fā)生器采集到的*手信號(hào)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，會(huì)對(duì)后續(xù)計(jì)算帶來影響。為了避免這些影響，軟件上在采集到數(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(hào)中諧波、噪聲等干擾的部分，只讓有用的信號(hào)參與結(jié)果運(yùn)算，從而使計(jì)算的結(jié)果更加可靠。

    （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(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測(cè)模塊將比較L1、L2兩根線之間的電壓，對(duì)＞和＜的情況分別計(jì)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(xiàn)象。如果+=20ms，即系統(tǒng)交流頻率為50Hz，如果此時(shí)出現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)電壓的每個(gè)周期，信號(hào)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(cè)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(cè)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(fù)半波），而選擇每?jī)蓚€(gè)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 試驗(yàn)結(jié)果

    目前，基于該設(shè)計(jì)的產(chǎn)品樣機(jī)已通過了型式試驗(yàn)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的內(nèi)容包括產(chǎn)品的安全性能和電磁兼容性能，產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

    實(shí)際試驗(yàn)中，信號(hào)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(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6所示。

圖5  信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形

圖6  絕緣故障定位儀監(jiān)測(cè)到的波形

    由圖6可看出，監(jiān)測(cè)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，通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，配合脈沖寬度等條件，可以準(zhǔn)確的判斷出此支路是否有測(cè)試信號(hào)通過，即此支路是否有絕緣故障。

5 結(jié)語

    本文設(shè)計(jì)的絕緣故障定位用信號(hào)發(fā)生器，具有自適應(yīng)IT系統(tǒng)頻率，注入高峰值、低值脈沖波形等功能，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(guó)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。

文章來源于：《建筑電氣》2013年第12期。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院 JGJ 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008

[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[S].2009

[3]王厚余.低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M].第3版.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[4]王厚余.建筑物電氣裝置600問[M].第3版.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[5]中國(guó)聯(lián)合工程公司.GB50052-2009供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[6]中機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司.GB50054-2011低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.