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IT配电系统绝缘故障定位信号发生器的设计与应用
作者:杨帅 李兴勤 李平 王长青    来源:《电工技术》
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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[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。

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图1 信号发生器的发生原理

在IT系统中,注入的测试信号有效值必须足够小,以免对IT系统形成太大干扰,,甚至对系统负载造成危害;但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。

考虑以上两种情况后,本文采用脉冲信号作为测试信号。脉冲信号幅度足够大、宽度足够窄,就可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,没必要在信号发生器上直接产生高压脉冲信号,可通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现。

对于单相交流IT系统, L1、L2线间电压为AC 220V,其峰值为220V,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。据此,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220的矩形脉冲)为:

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当交流电压周期为50Hz时,脉冲宽度为:

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当交流电压为60Hz时,脉冲宽度为:

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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,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V,因此其有效值一定会小于设定的阈值(50V),满足脉冲有效值足够小的要求。

2 硬件设计

信号发生器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。

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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电阻,连接IT系统发生故障的线路以及大地,形成电流回路,因此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检各支路时,在某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的32位ARM -M3内核单片机STM32F103。该芯片处理速度快,最高运行速度可达72MHz;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、C、CAN等通信接口,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由C语言编写,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;然后确定系统中各部分硬件电路正常后,自动进入正常工作模式。系统主程序流程如图3所示。

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图3 软件流程图

为了保障信号发生器运行准确与可靠,保证设备不会误动,软件上采用了特定的程序算法进行处理。

(1)数字滤波算法。信号发生器采用数字滤波算法滤除信号中谐波、噪声等干扰,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线间的电压,UL1>UL2和UL1<UL2的时间分别记为t1和t2。因为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),出现系统对地绝缘故障时,就可在与之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲,在与之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。

如图4所示,在系统电压的每个周期,信号发生器截取2次脉冲,分别在L1-L2的正半波波峰处(图4中第二行),以及L1-L2的负半波波峰处(图4中第三行)。若故障点在L1线上,则在L1-L2的负半波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;若故障点在L2线上,则在L1-L2的正半波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。

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图4 L1、L2间电压及截取的脉冲电压

如果t1+t2=10ms,考虑到脉冲有效值小于50V的需求,那么可以不用每个周期截取2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)。其它频率依次类推即可。

定位信号发生器实物如图5所示,它采用DC 24V供电,面板上有“运行”、“通讯”以及“测试”LED指示灯显示工作状态。

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图5 某医院重症监护室IT系统应用图

当IT配电系统无故障运行时,信号发生器自动监测系统频率。当IT配电系统发生单点接地故障时,信号发生器产生测试脉冲信号,配合绝缘监测仪、绝缘故障定位仪定位故障支路。

信号发生器已通过型式试验检验,各项指标均达到国家标准的要求,目前已成功应用于某医院重症监护室,如图6所示。通过通信线路,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,通过通信线路,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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图6 信号发生器产生的波形

在实际工程应用中,信号发生器产生的脉冲波形如图7所示。

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图7 绝缘故障定位仪监测到的波形

由图7可知,该波形存在大量的杂波干扰,峰值也较理论的偏小(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要求。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后。监测到的脉冲波形比干扰波形要高,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,可准确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。

监测到故障支路后,绝缘故障定位仪显示故障支路数,同时通过通信线路,将故障支路信息返回给绝缘监测仪。绝缘监测仪收到信息后立即报警,通过界面显示故障支路数,同时命令信号发生器和绝缘故障定位仪停止发出信号和故障定位,信号发生器再次进入监测模式。

在现场对系统进行调试,模拟绝缘故障100次,绝缘故障定位率为100%,这充分证明了该信号发生器的可行性。

4 结束语

本文设计的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,多系统组网等功能,并可通过面板指示灯显示当前工作状态。该信号发生器符合国家相关标准,配合绝缘监测仪、绝缘故障定位仪,能为IT系统提供安全、可靠的供电解决方案。

参考文献
[1] GB-50054-2011 低压配电系统设计规范[S]
[2] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].
[3] 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(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (5/12/2014)
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