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一種應用于交直流不接地系統絕緣監測裝置的設計與開發

2016/12/29  閱讀(82479)

趙雪蓮1  沈標2  

(1.青海三佳工程設計咨詢有限公司,青海 810000)

(2.安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定 201801)

 

摘  要: 介紹了一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,提供了一種新的硬件平臺,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

    在一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配電系統必須配備絕緣監視儀[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。目前國內一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。本文提出一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,構成一個閉合回路,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,zui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,波形呈現一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zui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:

    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一個信號抬升電壓V6,低通濾波電路對信號幅度影響很小,則:

 

    V4也是圖1中R2和R4的分壓,設電源電壓V5,則:

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),之后經過一個如圖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,zui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一半。直流系統中電阻的計算同交流系統所述一樣,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,這種方式必須考慮系統zui大電阻及電容,測量周期必須滿足zui大電阻和zui大電容的要求,因此這時的周期也是zui長的,且不能改變。自適應頻率是一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一次脈沖的周期。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,一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一次脈沖周期。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zui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:波形一   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,如果取一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,zui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,功能和性能均滿足國際標準要求。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

    本文介紹了一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一種可靠的監測。

 文章來源:《智能建筑電氣技術》2016年3期。

 

參考文獻

[1] 王厚余.論it系統的應用.中國航空工業規劃設計研究院(北京).

[2] JGJ 16-2008民用建筑電氣設計規范[S].

[3] 劉國平.船舶電氣與通信.*版.北京:海洋出版社,2004.

[4] 王巍,王金全,楊濤,等.低壓IT系統幾個關鍵問題探討[J].建筑電氣,2011(11):47-50.

[5] 馬濤,王金全,金偉一,等.三相四線制IT系統絕緣監測技術方案研究[J].船電技術.2008(5):277-280.

[6] IEC 61557-8Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000Va.c.and1500V d.c. - Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part8:Insulation monitoring devices for IT systems



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