IT配電系統絕緣故障定位信號發生器的設計與應用

    在介紹絕緣定位用信號發生器工作原理的基礎上，闡述了信號發生器的硬件和軟件設計。基于本設計的產品已通過試驗檢驗，可應用于IT系統中，為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。

0 引言

    IT系統一旦出現單點接地故障就會變為TN-S系統，雖然可以帶故障繼續運行，但已失去IT系統的優點，增加了安全隱患，因此需要實時監測系統的對地絕緣狀況，并能通過儀表自動定位故障點支路，否則，一旦出現故障，只能依靠人工來實現絕緣故障點的定位查找，不僅費時費力，而且破壞了供電連續性。為此，本文設計了一種絕緣故障定位用信號發生器（以下簡稱信號發生器），它裝設于IT系統中，配合絕緣故障定位裝置實現絕緣故障定位功能。當IT系統發生絕緣故障時，信號發生器啟動并產生定位信號，注入到IT系統與地之間。絕緣故障定位裝置通過傳感器逐路巡檢，當檢測到定位信號流經某支路時，便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時，操作人員可有目地的針對該故障支路進行斷電或其它保護操作，不必逐條支路斷電進行排查，從而提高了工作效率，保障了系統供電的連續性。

1 信號發生器原理

    信號發生器工作原理：IT系統發生單點接地故障時，輪流在系統某根線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。信號發生器原理如圖1所示。

圖1 信號發生器原理圖

    在IT系統中，注入的測試信號值足夠小，以免對IT系統形成太大干擾，，甚至對系統負載造成危害；但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。

    考慮以上兩種情況后，本文采用脈沖信號作為測試信號。脈沖信號幅度足夠大、寬度足夠窄，就可實現足夠小的值、足夠大的峰值兩個期望目標。從簡化設計的角度出發，沒必要在信號發生器上直接產生高壓脈沖信號，可通過截取IT系統中交流信號的波峰來實現。

    對于單相交流IT系統， L1、L2線間電壓為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，本文依照標準IEC61557-9的“定位信號電壓的值不允許超過50V”的規定，將電壓閾值設為50V。據此，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）為：

    當交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度為：

    當交流電壓為60Hz時，脈沖寬度為：

    利用單片機的定時器功能，配合光耦，可以截取0.4ms的峰值脈沖。由于0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，且實際截取的脈沖信號中，除波峰一點外，其余點幅度均小于V，因此其值一定會小于設定的閾值(50V)，滿足脈沖值足夠小的要求。

2 硬件設計

    信號發生器的硬件功能模塊主要包括電源模塊、*控制模塊、監測模塊、信號發生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理框圖

    信號發生器上電后，CPU即通過監測模塊對IT系統的電壓進行實時監測，測量出IT系統的交流頻率。當系統發生對地絕緣故障時，信號發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，產生測試信號，輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發生絕緣故障，故障支路可等效為一較小電阻，連接IT系統發生故障的線路以及大地，形成電流回路，因此測試信號能在故障支路上產生測試電流。絕緣故障定位儀逐路巡檢各支路時，在某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；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SPI、C、CAN等通信接口，大大簡化了外圍電路的設計。

3 軟件設計

    信號發生器的控制程序由C語言編寫，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；然后確定系統中各部分硬件電路正常后，自動進入正常工作模式。系統主程序流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

    為了保障信號發生器運行準確與可靠，保證設備不會誤動，軟件上采用了特定的程序算法進行處理。

（1）數字濾波算法。信號發生器采用數字濾波算法濾除信號中諧波、噪聲等干擾，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。因為工作環境的多樣性，工作電壓不一定就是50Hz，實際中的電壓頻率可能更高或更低，因此要通過監測模塊實時監測IT系統的交流頻率。監測模塊將比較L1、L2線間的電壓，UL1＞UL2和UL1＜UL2的時間分別記為t1和t2。因為電壓比較時存在一定的閾值電壓，所以會存在t1＞t2或t2＞t1的現象。如果t1+t2=20ms（即系統交流頻率為50Hz），出現系統對地絕緣故障時，就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，在系統電壓的每個周期，信號發生器截取2次脈沖，分別在L1-L2的正半波波峰處（圖4中第二行），以及L1-L2的負半波波峰處（圖4中第三行）。若故障點在L1線上，則在L1-L2的負半波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；若故障點在L2線上，則在L1-L2的正半波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。

圖4  L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

    如果t1+t2=10ms，考慮到脈沖值小于50V的需求，那么可以不用每個周期截取2次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負半波），而選擇每兩個周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負半波）。其它頻率依次類推即可。

    定位信號發生器實物如圖5所示，它采用DC 24V供電，面板上有“運行”、“通訊”以及“測試”LED指示燈顯示工作狀態。

圖5  信號發生器實物圖

    當IT配電系統*運行時，信號發生器自動監測系統頻率。當IT配電系統發生單點接地故障時，信號發生器產生測試脈沖信號，配合絕緣監測儀、絕緣故障定位儀定位故障支路。

    信號發生器已通過型式試驗檢驗，各項指標均達到國家標準的要求，目前已成功應用于某醫院重癥監護室，如圖6所示。通過通信線路，絕緣監測儀、絕緣故障定位儀和信號發生器構成一個局域網絡。信號發生器上電后自動進入監測模式，監測IT系統的頻率。當絕緣監測儀監測到IT系統發生對地絕緣故障時，通過通信線路，啟動信號發生器和絕緣故障定位儀，進入信號發生模式和故障定位模式。

圖6 某醫院重癥監護室IT系統應用圖

在實際工程應用中，信號發生器產生的脈沖波形如圖7所示。

圖7  信號發生器產生的波形圖

    由圖7可知，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的偏小（圖中正弦波形為系統電壓，作為比照），但還是滿足絕緣故障定位要求。在絕緣故障定位儀端監視到的波形，經過濾波等預處理操作后，如圖8所示。

圖8  絕緣故障定位儀監測到的波形

    由圖8可知，監測到的脈沖波形比干擾波形要高，形成一個明顯的落差。通過設定適當的閾值，配合脈沖寬度等條件，可準確判斷出此支路是否有測試信號通過，即此支路是否有絕緣故障。

    監測到故障支路后，絕緣故障定位儀顯示故障支路數，同時通過通信線路，將故障支路信息返回給絕緣監測儀。絕緣監測儀收到信息后立即報警，通過界面顯示故障支路數，同時命令信號發生器和絕緣故障定位儀停止發出信號和故障定位，信號發生器再次進入監測模式。

    在現場對系統進行調試，模擬絕緣故障100次，絕緣故障定位率為*，這充分證明了該信號發生器的可行性。

4 結束語

    本文設計的信號發生器具有自適應IT系統頻率，注入高峰值、低值脈沖波形，多系統組網等功能，并可通過面板指示燈顯示當前工作狀態。該信號發生器符合國家相關標準，配合絕緣監測儀、絕緣故障定位儀，能為IT系統提供安全、可靠的供電解決方案。

文章來源：《電工技術》 2014年 第4期

參考文獻

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Part 9: Equipment for insulation fault location in IT systems