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一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

时间:2014-10-15 来源:未知 编辑:编辑部 点击:次 字体设置:
摘要:在隔离电源系统中,为防止由于多点接地而引发严重后果,需要实时对系统进行对地绝缘监测,并在监测到对地绝缘故障时,进行故障定位。本文在介绍绝缘定位用信号发生器的工作原理的基础上,详细阐述了信号发生器的硬件和软件设计。本文中设计的产品已通过试验检验,可应用于IT系统,为应用场所提供安全可靠的供电解决方案。

关键词:IT系统  信号发生器  故障定位

0 引言

在IT系统中,单点接地故障是一种很常见的故障。一旦出现单点接地故障,IT系统就会变为TN-S系统,虽然可以带故障继续运行,但已经失去了IT系统的优点,增加了安全隐患。因此需要实时监测系统的对地绝缘状况,并在监测到对地绝缘故障时,能通过仪表自动定位故障点支路。若没有自动定位功能,一旦出现故障,只能依靠人工对多达数十条、数百条,乃至成千上万条负载支路逐条断电查找,不仅费时费力,更严重破坏了供电连续性。这在某些需要连续供电的特殊场所(如医院手术室等)是不允许的。

基于上述情况,本文设计了一种绝缘故障定位用信号发生器,它装设于IT系统中, 配合绝缘故障定位装置实现绝缘故障定位功能。当IT系统发生绝缘故障时,信号发生器启动并产生定位信号,注入到IT系统与地之间。绝缘故障定位装置通过传感器逐路巡检,当检测到定位信号流经某支路时,便可确定该支路为绝缘故障所在回路。此时,操作人员可有目的性的针对该故障支路进行断电或其它保护操作,不必逐条支路断电进行排查,不仅提高了工作效率,也有效的保障了系统供电的连续性。因此,对电力系统供电的安全性、连续性和可靠性具有极其重要的意义。

1 信号发生原理

信号发生器的工作原理是当IT系统发生单点接地故障时,轮流在系统某根线与大地之间注入定位信号,以便绝缘故障定位仪能在故障支路上监测到定位信号。常采用图1所示发生原理。
图1 信号发生器的发生原理
  在IT系统中,注入的测试信号的有效值必须足够小,以免对IT系统形成太大干扰或对系统负载造成危害;又要有足够大的峰值,以便在故障支路上形成足够大的电流,使故障定位仪的电流互感器能正常监测。
  考虑以上两种情况,本文采用脉冲信号作为测试信号。如果脉冲信号幅度足够大,宽度足够窄,则可以实现有效值足够小、峰值足够两个期望目标。从简化设计的角度出发,没有必要在信号发生器上直接产生高压脉冲信号,可以通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现。
  对于单项交流IT系统,两根线L1、L2间电压为AC220V,其峰值为,满足脉冲峰值足够大的要求。为满足有效值足够小的要求,本文依照标准IEC61557-9的“定位信号电压的有效值不允许超过50V”的规定,将电压阈值设为50V[2]。依此,可计算出脉冲宽度(由于脉冲宽度很小,为方便计算,可将此峰值脉冲视为幅度为]的矩形脉冲)。                            
                        当交流电压周期为50Hz时,脉冲宽度
                                    
                        当交流电压为60Hz时,脉冲宽度
                              
利用单片机的定时器功能,配合光耦,可以精确截取0.4ms的峰值脉冲。由于0.4ms<0.4304ms<0.5165ms,并且实际截取的脉冲信号中,除波峰一点外,其余点幅度均小于,因此其有效值一定会小于设定的阈值50V,可以满足脉冲有效值足够小的要求。

2 硬件设计

本设计的硬件功能模块主要包括电源模块、中央控制模块、监测模块、信号发生模块、通信模块、指示灯模块。硬件设计原理框图如图2所示。
 
图2 硬件设计原理框图
        信号发生器上电后,CPU即通过监测模块对IT系统的电压进行实时监测,测量出IT系统的交流频率。当系统发生对地绝缘故障时,信号发生器根据测量出的频率大小,确定测试信号的脉冲宽度以及脉冲频率,截取系统波峰,产生测试信号,轮流加到L1-PE、L2-PE间。由于发生绝缘故障,故障支路可等效为一较小值电阻,连接IT系统发生故障的线以及大地,形成电流回路,测试信号能在故障支路上产生测试电流,绝缘故障定位仪逐路巡回监测各支路时,在某个支路上监测到此测试电流,即可判定此条支路为故障支路。本设计中,中央控制模块选用ST公司生产的32位ARM CortexTM-M3内核单片机STM32F103,该芯片处理速度快,最高运行速度可达72MHz。芯片具有丰富的片内和外围资源,片内RAM 20KB和FLASH闪存64KB,带有多通道的12位A/D转化模块,以及多个SPI、I2C、CAN等通讯接口,大大简化了外围电路的设计。

3 软件设计

信号发生器的控制程序用C语言编写完成,在程序设计中采用了结构化程序设计方法,便于程序代码的维护、移植和升级。系统上电后,首先完成各个模块的初始化和自检,确保系统工作的可靠性,然后确定系统中的各个部分硬件电路正常后,自动进入正常工作模式,系统主程序流程图如图3所示。
 
图3 软件流程图
  为了充分保证信号发生器运行的准确性与可靠性。软件上采用了特定的程序算法进行处理,主要包括:
  (1)数字滤波算法。随着电力系统的日渐复杂,电网中的谐波含量不断增加。信号发生器采集到的第一手信号中自然也包含了大量了谐波分量,以及其他一些噪声干扰。这些干扰如果不滤除,会给后续计算带来影响。为了避免这些影响,软件在采集到数据之后,采用了数字滤波算法进行处理,滤除掉信号中谐波、噪声等干扰的部分,只让有用的信号参与结果运算,从而使计算的结果更加精确可靠。
        (2)IT系统交流频率自适应法。因为工作环境的多样性,工作电压不一定就是50Hz,实际中的电压频率可能更高或更低,因此要通过监测模块实时监测IT系统的交流频率。监测模块将比较L1、L2两根线之间的电压,对UL1>UL2和UL1<UL2的情况分别计时,记为t1和t2。由于电压比较时存在一定的阈值电压,所以会存在t1>t2或t2>t1的现象。如果t1+t2=20ms,即系统交流频率为50Hz,如果此时出现系统对地绝缘故障,即可在(t1/2-0.2)ms与(t1/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲,在(t2/2-0.2)ms与(t2/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。
 图4  L1、L2间电压及截取的脉冲电压
 如图4所示,系统电压的每个周期,信号发生器截取两次脉冲,分别在L1-L2的正半波的波峰处(如图4第二行),以及L1-L2的负半波的波峰处(如图4第三行)。如果故障点发生在L1线上,则在L1-L2的负半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正,能被绝缘故障定位仪监测到;如果故障点发生在L2线上,则在L1-L2的正半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正,能被绝缘故障定位仪监测到。
  如果t1+t2=10ms,考虑到脉冲有效值小于50V的需求,可以不用每个周期截取两次脉冲(L1-L2正半波,L1-L2负半波),而选择每两个周期截取两次脉冲(L1-L2正半波,L1-L2负半波)。其他频率依次类推即可。

4 信号发生器在医疗IT绝缘监测及故障定位系统的应用

基于本文设计的信号发生器,已成功应用于某医院重症监护室,系统应用如图5所示。通过通讯线路,将绝缘监测仪、绝缘故障定位仪和信号发生器构成一个局域网络。信号发生器上电后自动进入监测模式,监测IT系统的频率。当绝缘监测仪监测到IT系统发生对地绝缘故障时,通过通讯线路,启动信号发生器和绝缘故障定位仪,进入信号发生模式和故障定位模式。
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