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一种应用于交直流不接地系统绝缘监测装置的设计与开发

赵雪莲1  沈标2  

(1.青海三佳工程设计咨询有限公司,青海 810000)

(2.安科瑞电气股份有限公司,上海 嘉定 201801)


摘  要: 介绍了一种用于工业不接地系统的绝缘监测装置(IMD),针对现有技术的不足,提供了一种新的硬件平台,可监测400V等级的交直流不接地系统,并详述了绝缘监测仪的硬件和软件设计原理。目前该绝缘监测仪已通过试验验证,并在市场上大量销售,为工业不接地配电系统提供了可靠的绝缘监测。


关键词: 交直流不接地系统  绝缘监测装置  自适应  IMD


0.前言

在一些对供电连续性要求较高的场所(如:矿井、化工厂、玻璃厂、冶金厂、某些集会场所的安全照明和某些电炉的试验设备等),设备故障断电会带来巨大的损失,因此采用不接地系统可以有效减少断电发生的频率,这是由于在不接地系统第一次出现接地故障时,系统还能够继续使用,不会出现断电的状况,如果第一次接地故障是人为导致,则对人体基本没有太大的伤害,但此时系统已经存在安全隐患,如果不及时排除故障,当再次出现异相接地故障时,系统就有可能断电,从而造成严重后果。安装绝缘监测装置,可以实时显示系统对地绝缘电阻,在系统第一次出现绝缘故障时,发出报警信号,及时提醒维修人员对系统进行故障排查,短时间内无需跳闸,从而保证了IT系统供电的可靠性和连续性[1]。JGJ 16-2008《民用建筑电器设计规范》第7.2.3条规定, IT配电系统必须配备绝缘监视仪[2]。国外对此也很重视,在上世纪六十年代,各个发达国家已经开始对电力系统的研究,但是其快速发展是在上世纪七十至八十年代。这十年间,数字电路的集成、计算机的迅速发展、各类传感器的出现推动了电子测量领域的发展。目前国内一些厂家愈发重视对绝缘监测产品的研究,主流的测量方式有直流信号注入法、交流信号注入法、平衡桥测量法等等。以上测量方式有各自的优势,但由于应用场所环境的差别(泄露电容、直流信号的存在等等)较大,可能存在着测量范围较窄、测量精度不高、系统中允许泄露电容较低、测量周期长、只能用于交流系统等缺点。本文提出一种新型绝缘监测装置的设计原理,该装置采用自适应系统频率的方法,有绝缘电阻测量范围广,允许系统泄露电容大,响应快,测量周期短等优势。


1.绝缘监测装置原理概述

图1所示为测量电路简图:


图1:绝缘监测装置原理简图


图1中R1和R3是阻值相等的耦合电阻,R2和R4是阻值相等的采样电阻,Rf是系统对地电阻,Ce为系统泄露电容,G为信号发生器。电源端的带电导体不接地,只作设备外壳的保护接地。绝缘监测仪通过G向系统注入+20V和-20V脉冲信号,经过R1、R2 、R3 、R4返回到绝缘监测仪,构成一个闭合回路,对R2和R4电压进行信号处理、采集,即可算出系统对地电阻和系统泄露电容。


2.硬件设计

   本装置硬件电路主要包括中央处理器模块、断线监测模块、信号注入模块等。中央处理器选用ARM cortex-M3内核的单片机,该芯片主频高,外设丰富,大大简化了外围电路的设计。

下面对硬件电路进行讨论:

   2.1 信号控制电路

   CPU通过控制模拟开关决定信号的输出。其中+2.5v信号来源于基准芯片,-2.5v经+2.5v进行反相后得到,随后进入信号发生电路。

   2.2 信号发生电路

   信号控制电路中所述的+2.5v或-2.5v信号经过高压运放放大后产生+20v或-20v脉冲信号,即为注入不接地系统的信号。

   2.3 信号检测电路

   信号发生电路中的±20v信号通过图1中耦合电阻和系统对地绝缘电阻后构成回路,通过检测两个采样电阻的信号来计算系统绝缘电阻;通过检测PE上的信号电压,判断PE/KE是否断线;在装置运行过程中,对系统类型进行实时检测,根据系统是否存在直流分量选择适当的测量方法。

   2.3.1 交流系统或离线状态

   信号从采样电阻流经截止频率小于10Hz的低通滤波电路。当系统是交流系统或处于离线状态时,由于存在的干扰信号主要来源于不接地系统的50Hz信号,而该频率远大于该滤波器的截止频率(小于10Hz),则干扰信号将会衰减到可忽略的幅度,而后通过信号处理电路分别对两路信号进行相加、放大、抬升,最终被单片机ADC采样。

   滤波效果可参考仿真结果。本电路在PSPICE中进行仿真,在L1和L2之间加300V(频率50Hz)电压(模拟不接地系统),信号经过四阶低通滤波电路前后的效果对比如图2所示。图2中波形是注入的±20v与300v系统电压叠加后的结果,可以看出,300v电压对采样电阻上的信号电压影响很大。参照图2的下图可知,经过低通滤波电路以后,300v(频率50Hz)的信号衰减到可以忽略的幅度。



图2. 滤波前后信号对比


   图2中两段信号分别是+20V和-20V交叉变换的结果,由于系统存在泄露电容,波形呈现一个缓慢充放电的曲线,这个过程也是采样电阻分压趋于稳定的过程。而分压电阻上的最终电压只跟系统电压和其所占比例有关,跟电容无关,故电阻的测量与波形正负半周稳定后的电压有关,下面简要陈述计算过程:



图3. 两路信号合成


   设图3中“ADC_R”(采样电压)稳定后电压是V1,此时的“VOUTF”处电V2,“VOUT1”和“VOUT2”电压V3,则在+20v时,有:

   V1和V2(抬升电压)已知,可以求出V3。设采样电阻电压为V4,由于从V4到V3只有低通滤波电路和一个信号抬升电压V6,低通滤波电路对信号幅度影响很小,则:


   V4也是图1中R2和R4的分压,设电源电压V5,则:

联立①、②、③式,即可求出绝缘电阻Rf。

   电容的计算则依赖于电阻的大小和波形的曲线。假设电压在关于时间t的波形上存在两个点M1和M2,对应的坐 标是(V1,t1),(V2,t2)根据电容充电公式:



对应M1和M2:

处理后有:

在实际计算的过程中,可以多次取点计算,求平均值,提高测量精度。

在-20v时,绝缘电阻Rf和泄露电容计算方式与此类似。

   2.3.2系统存在直流分量

   当系统存在直流分量时,仍然需要四阶滤波电路滤除系统交流信号(此时直流信号仍然存在),之后经过一个如图4所示的信号保持电路:


图4. 信号保持电路


   输入信号分为正、负半周信号,但两者均含有系统中的直流分量,通过开关的断开与闭合,可以实现正负半周信号相减,由于系统的直流电压幅度变化很小,相减后的信号中不再含有直流分量,此时的采样信号中只是±20V电压作用在采样电阻的结果,最后信号经过放大,进入单片机ADC采样模块。进入ADC采样的波形可以参照PSPICE仿真结果如图5:


图5. 两路独立信号波形


   无论是在﹢20v,还是-20v,系统都能独立监测绝缘状况,如此,测量周期至少比固定周期产品测量周期小一半。直流系统中电阻的计算同交流系统所述一样,电阻的大小取决于波形稳定后的电压值,电容的计算仍然依赖于电阻,计算方法类似于通过ADC采样信号可以反推出在+20V和-20V时图1中R2和R4的分压,即可求出绝缘电阻值与泄露电容值。

   2.4 仪表其它电路

   除了上述电路外,还有断线检测电路(PE/KE断线、L1/L2断线检测功能)、485通讯电路、其他通讯电路等等。


3.软件设计

   3.1 软件流程

   该绝缘监测装置采用结构化程序设计思想,采用C语言进行编写。主函数通过查询标志位的状态,决定是否执行对应的模块,各个模块的标志位在定时器内改变。这种方式提高了软件的实时性,后期的软件维护相对来说也比较方便。

   3.2 自适应频率

   目前市场上同行产品多数采用向系统注入固定周期信号的方法,这种方式必须考虑系统最大电阻及电容,测量周期必须满足最大电阻和最大电容的要求,因此这时的周期也是最长的,且不能改变。自适应频率是一种新型的周期调节的方式,通过监测系统信号波形来调整周期大小。在信号波形上取两个点的电压信号,当信号电压变化很小时,视为稳定,这时翻转脉冲信号,并保存该周期运行的时间作为下一次脉冲的周期。由于在正负半周都会对波形监测和计算,所以信号波形的调整会很及时,电阻的计算结果更新的相对也比较快。此外,一旦电阻和电容测量结果稳定,系统会计算理论周期,并与实际测量周期作对比,然后把理论测量周期赋值给下一次脉冲周期。该方式保证了在测量结果精度达标的前提下,测量周期能够达到最短。

   3.3 响应时间

   IEC61557-8第8部分“IT系统中绝缘监控装置”中第4.6表1规定,在纯交流系统中,当泄漏电容1uF、绝缘电阻为0.5倍报警值时,响应时间应小于10s。在测量精度达标的前提下,本装置响应速度能小于6s。下面就电阻突变对波形的影响作简要分析,祥见图6:


图6. 故障模拟波形图

实线:波形一   虚线:波形二


   t1之前系统周期已经稳定,假设在t1时刻(电压V1)电阻突然减小到报警值以下,波形发生变化,当到达采样时刻t2时,测得此时电压V2,CPU判断两者之差大于设定的值,下半周周期加倍,变为2T(之前为T),由于电容很小,系统会在2T时间运行结束之前提前稳定。虽然系统会在周期完成之前提前结束,但响应时间会增大,如果取一个完整的正负周期的信号作报警响应的依据,则大大增加了响应时间。为了解决这个问题,系统在半周结束之后计算电阻值(独立信号),如果该电阻值小于设定的报警值,则发出报警信号,响应值即为图6中的t2~t1,经实际测试,响应时间基本维持在5s以内,最长不超过6秒。

   3.4 软件其它描述

   软件校准采用线性分段式校准法,共8个校准点,保证了仪表的精度;为了滤除信号中的噪声干扰,数字滤波依次采用冒泡法(对数据排序)、中位值滤波法、平均值滤波法对数据进行处理,保证了信号的可靠性和稳定性。


4.试验结果

   该产品已通过许昌开普检验中心的的型式试验,功能和性能均满足国际标准要求。经试验验证,该仪表在电阻1K-5M、电容0-150uF的条件下,显示值与实际值的比值均保持在10%以内,测量精度达标,能满足各种环境中不接地系统绝缘监测的需求。


5.结语

   本文介绍了一种新型绝缘监测装置,与市场绝缘监测仪表相比,其优势在于可监测直流不接地系统、允许系统泄露电容大、测量周期短、响应时间短等。经过试验,本文介绍的绝缘监测装置在交流、直流不接地系统均可可靠工作,可以为不接地系统提供一种可靠的监测。

 文章来源:《智能建筑电气技术》2016年3期。


参考文献

[1] 王厚余.论it系统的应用.中国航空工业规划设计研究院(北京).

[2] JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范[S].

[3] 刘国平.船舶电气与通信.第一版.北京:海洋出版社,2004.

[4] 王巍,王金全,杨涛,等.低压IT系统几个关键问题探讨[J].建筑电气,2011(11):47-50.

[5] 马涛,王金全,金伟一,等.三相四线制IT系统绝缘监测技术方案研究[J].船电技术.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


发布时间:2017年1月4日 9:34 人气: 审核编辑:ZYW
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