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一种绝缘故障定位用信号发生器的设计

已有 294 次阅读2014-4-4 09:25

一种绝缘故障定位用信号发生器的设计

孙丽莉

  摘要:在介绍绝缘定位用信号发生器的工作原理的基础上,阐述信号发生器的硬件和软件设计。基于本设计的产品已通过试验检验,可应用于IT系统中,为应用场所提供安全可靠的供电解决方案。
  关键词:IT系统;单点接地故障;对地绝缘监测信号发生器;故障定位;脉冲信号;数字滤波;频率自适应
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。否则,一旦出现故障,对绝缘故障点的定位查找,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来实现,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,是万万不允许的[1]。
  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,不仅大大的提高了工作效率,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,单相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,其信号发生原理如图所示。
 

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,带来不必要的隐患,甚至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,则可以实现足够小的有效值、足够大的峰值两个期望目标。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。
  普通电气设备所需电源为AC 220V、50/60Hz,针对某一特定应用场合,如二类医疗场所或某些集会场所的安全照明,可以由隔离变压器转换取得。L1、L2线间电压AC 220V,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,并且由于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、指示灯模块组成。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,则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外围资源,内部有20KB的片内RAM和多达64KB的FLASH闪存,带有多通道的12位A/D转化模块,以及多个SPI、、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与可靠,软件设计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,很多场所都不能避免。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的话,会对后续计算带来影响。为了避免这些影响,软件上在采集到数据之后,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,对的情况分别计时,记为。由于电压比较时存在一定的阈值电压,所以会存在的现象。如果,即系统交流频率为50Hz,如果此时出现系统对地绝缘故障,即可在之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲,在间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。如图4所示。

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,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 试验结果
  目前,基于该设计的产品样机已通过了型式试验检验,检验的内容包括产品的安全性能和电磁兼容性能,产品的各项指标均达到国家标准的要求。
  实际试验中,信号发生器产生的脉冲波形如图5所示,由图可知,该波形存在大量的杂波干扰,峰值也较理论的有些偏小(图中正弦波形为系统电压,作为比照),但还是满足绝缘故障定位的要求的,在绝缘故障定位仪端监视到的波形,经过滤波等预处理操作之后,如图6所示。

图5  信号发生器产生的波形

图6  绝缘故障定位仪监测到的波形

  由图6可看出,监测到的脉冲波形比干扰波形要的高的多,形成一个明显的落差,通过设定适当的阈值,配合脉冲宽度等条件,可以准确的判断出此支路是否有测试信号通过,即此支路是否有绝缘故障。
5 结语
  本文设计的绝缘故障定位用信号发生器,具有自适应IT系统频率,注入高峰值、低有效值脉冲波形等功能,并可以通过面板指示灯指示当前工作状态。基于本设计的产品符合相关国家标准的要求,并能为IT系统提供安全、可靠的供电解决方案。


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