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一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器的設(shè)計與應(yīng)用

瀏覽次數(shù):1693更新日期:2014-03-21

楊帥1  李興勤2 李平1 王長青1

(1.安科瑞電氣股份有限公司,上海 201801)
(2. 四川西南廣廈建筑設(shè)計院有限公司,四川 成都 610042)

摘要:在隔離電源系統(tǒng)中,為防止由于多點接地而引發(fā)嚴(yán)重后果,需要實時對系統(tǒng)進行對地絕緣監(jiān)測,并在監(jiān)測到對地絕緣故障時,進行故障定位。本文在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器的工作原理的基礎(chǔ)上,詳細(xì)闡述了信號發(fā)生器的硬件和軟件設(shè)計。本文中設(shè)計的產(chǎn)品已通過試驗檢驗,可應(yīng)用于IT系統(tǒng),為應(yīng)用場所提供安全可靠的供電解決方案。
  關(guān)鍵詞:IT系統(tǒng)  信號發(fā)生器  故障定位
引言  

在IT系統(tǒng)中,單點接地故障是一種很常見的故障。一旦出現(xiàn)單點接地故障,IT系統(tǒng)就會變?yōu)門N-S系統(tǒng),雖然可以帶故障繼續(xù)運行,但已經(jīng)失去了IT系統(tǒng)的優(yōu)點,增加了安全隱患。因此需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的對地絕緣狀況,并在監(jiān)測到對地絕緣故障時,能通過儀表自動定位故障點支路。若沒有自動定位功能,一旦出現(xiàn)故障,只能依靠人工對多達數(shù)十條、數(shù)百條,乃至成千上萬條負(fù)載支路逐條斷電查找,不僅費時費力,更嚴(yán)重破壞了供電連續(xù)性。這在某些需要連續(xù)供電的特殊場所(如醫(yī)院手術(shù)室等)是不允許的[1]。
     基于上述情況,本文設(shè)計了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器,它裝設(shè)于IT系統(tǒng)中, 配合絕緣故障定位裝置實現(xiàn)絕緣故障定位功能。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時,信號發(fā)生器啟動并產(chǎn)生定位信號,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)檢測到定位信號流經(jīng)某支路時,便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時,操作人員可有目的性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,不僅提高了工作效率,也的保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。因此,對電力系統(tǒng)供電的安全性、連續(xù)性和可靠性具有其重要的意義。
信號發(fā)生原理

信號發(fā)生器的工作原理是當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時,輪流在系統(tǒng)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(jiān)測到定位信號。常采用圖1所示發(fā)生原理。

圖1 信號發(fā)生器的發(fā)生原理

  在IT系統(tǒng)中,注入的測試信號的值足夠小,以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾或?qū)ο到y(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。
  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,則可以實現(xiàn)值足夠小、峰值足夠兩個期望目標(biāo)。從簡化設(shè)計的角度出發(fā),沒有必要在信號發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號,可以通過截取IT系統(tǒng)中交流信號的波峰來實現(xiàn)。
  對于單項交流IT系統(tǒng),兩根線L1、L2間電壓為AC220V,其峰值為 ,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 ]的矩形脈沖)。

                             

                         當(dāng)交流電壓周期為50Hz時,脈沖寬度

                                     

                         當(dāng)交流電壓為60Hz時,脈沖寬度

                              

     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,并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 ,因此其值一定會小于設(shè)定的閾值50V,可以滿足脈沖值足夠小的要求。
硬件設(shè)計

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

圖2 硬件設(shè)計原理框圖

信號發(fā)生器上電后,CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進行實時監(jiān)測,測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時,信號發(fā)生器根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)發(fā)生故障的線以及大地,形成電流回路,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(jiān)測各支路時,在某個支路上監(jiān)測到此測試電流,即可判定此條支路為故障支路。本設(shè)計中,中央控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核單片機STM32F103,該芯片處理速度快,zui高運行速度可達72MHz。芯片具有豐富的片內(nèi)和外圍資源,片內(nèi)RAM 20KB和FLASH閃存64KB,帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)化模塊,以及多個SPI、I2C、CAN等通訊接口,大大簡化了外圍電路的設(shè)計。
軟件設(shè)計

  信號發(fā)生器的控制程序用C語言編寫完成,在程序設(shè)計中采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法,便于程序代碼的維護、移植和升級。系統(tǒng)上電后,首先完成各個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)中的各個部分硬件電路正常后,自動進入正常工作模式,系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

  為了充分保證信號發(fā)生器運行的準(zhǔn)確性與可靠性。軟件上采用了特定的程序算法進行處理,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。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,會給后續(xù)計算帶來影響。為了避免這些影響,軟件在采集到數(shù)據(jù)之后,采用了數(shù)字濾波算法進行處理,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(jié)果運算,從而使計算的結(jié)果更加可靠。
   (2)IT系統(tǒng)交流頻率自適應(yīng)法。因為工作環(huán)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(jiān)測模塊實時監(jiān)測IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測模塊將比較L1、L2兩根線之間的電壓,對UL1>UL2和UL1<UL2的情況分別計時,記為t1和t2。由于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(xiàn)象。如果t1+t2=20ms,即系統(tǒng)交流頻率為50Hz,如果此時出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障,即可在(t1/2-0.2)ms與(t1/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖,在(t2/2-0.2)ms與(t2/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

 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)測到;如果故障點發(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)測到。
  如果t1+t2=10ms,考慮到脈沖值小于50V的需求,可以不用每個周期截取兩次脈沖(L1-L2正半波,L1-L2負(fù)半波),而選擇每兩個周期截取兩次脈沖(L1-L2正半波,L1-L2負(fù)半波)。其他頻率依次類推即可。
信號發(fā)生器在醫(yī)療IT絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的應(yīng)用

  基于本文設(shè)計的信號發(fā)生器,已成功應(yīng)用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護室,系統(tǒng)應(yīng)用如圖5所示。通過通訊線路,將絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀和信號發(fā)生器構(gòu)成一個局域網(wǎng)絡(luò)。信號發(fā)生器上電后自動進入監(jiān)測模式,監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當(dāng)絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時,通過通訊線路,啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀,進入信號發(fā)生模式和故障定位模式。

圖5 某醫(yī)院重癥監(jiān)護室IT系統(tǒng)應(yīng)用圖

  在實際工程應(yīng)用中,信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖6所示,由圖可看出,該波形存在大量的雜波干擾,峰值也較理論的 偏小(圖6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7所示。

圖6  信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形

圖7  絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形

由圖7可看出,監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高的多,形成一個明顯的落差,通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?,配合脈沖寬度等條件,可以準(zhǔn)確地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(jiān)測到故障支路后,絕緣故障定位儀顯示故障支路數(shù),同時通過通訊線路,將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀立即報警,通過界面顯示故障支路數(shù),同時通過通訊線路,命令信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)生信號和故障定位,信號發(fā)生器再次進入監(jiān)測模式。
  此次工程施工完成后,在現(xiàn)場對系統(tǒng)進行調(diào)試,模擬絕緣故障100次,絕緣故障定位率為。充分證明本設(shè)計在工程應(yīng)用中是可行的。
結(jié)語      

    本文設(shè)計的絕緣故障定位用信號發(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)計的產(chǎn)品符合相關(guān)國家標(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。本文zui后還對醫(yī)院重癥監(jiān)護室的IT系統(tǒng)絕緣故障定位做了初步探討,給醫(yī)院建筑電氣設(shè)計者提供一點參考。在應(yīng)用中,不同工程的實際情況非常復(fù)雜,還會遇到許多新的問題,望同仁們進一步探討。

 文章來源:《智能建筑電氣技術(shù)》2014年 第1期

 參考文獻:
[1] JGJ 16-2008 民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].
[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

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