一種應用于交流IT系統(tǒng)的高精度絕緣監(jiān)測儀設計

摘要

IT系統(tǒng)配電方式應用在一些重要場所（如礦井、玻璃廠和集會場所的安全照明等），在這些場所，因意外導致的斷電將會造成慘重的人員傷亡和財產損失。裝設絕緣監(jiān)測裝置可以解決由于系統(tǒng)對地絕緣性能降低導致斷電的問題。介紹了一種用于工業(yè)IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測儀(IMD)，并詳述了絕緣監(jiān)測儀的硬件和軟件設計原理。目前該絕緣監(jiān)測儀已通過試驗驗證，并在市場上大量銷售，為工業(yè)IT配電系統(tǒng)提供了可靠的絕緣監(jiān)測。

關鍵詞:交流IT系統(tǒng) 絕緣監(jiān)測裝置 高壓IT配電系統(tǒng)

引言

在一些重要的工業(yè)場所（如：礦井、玻璃廠和某些集會場所的安全照明，某些電爐的試驗設備，冶金廠和化工廠等），意外斷電會有人員傷亡和重大的財產損失，因此需采用安全性和可靠性較高的IT系統(tǒng)供電。在IT系統(tǒng)中，隨著時間的推移，系統(tǒng)對地的絕緣程度下降，當出現(xiàn)第一點接地故障時，IT系統(tǒng)仍能正常運行，但此時IT系統(tǒng)已存在安全隱患，如果再出現(xiàn)不同相上的第二點接地故障，將會產生很大的短路電流，造成前端的斷路器脫扣，致使系統(tǒng)出現(xiàn)斷電事故。根據(jù)（JGJ 16-2008）《民用建筑電器設計規(guī)范》第7.2.3條規(guī)定， IT配電系統(tǒng)必須配備絕緣監(jiān)視儀。在系統(tǒng)出現(xiàn)第一點接地故障時，裝置產生警告或報警信息，及時提醒維修人員對系統(tǒng)進行故障排查，短時間內無需跳閘，從而保證了IT系統(tǒng)供電的可靠性和連續(xù)性。

國外對電力系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷技術的研究始于20世紀60年代，各個發(fā)達國家都很重視，但到了20世紀七八十年代，隨著傳感器技術、信號采集技術、數(shù)字分析技術和計算機技術的發(fā)展與應用，在線診斷技術才得到迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的測量方法有平衡電橋法、差流檢測法以及555定時器測量電阻法等。這些測量方法都有各自的優(yōu)勢，但由于應用場所的不同以及受現(xiàn)場環(huán)境的影響，上述測量方式還存在著可靠性不足、測量范圍較窄和測量精度不高等缺點。針對這些問題，本文提出一種基于交流IT的絕緣監(jiān)視裝置的設計：硬件上采用STM32內置的12位A-D采樣、四階低通濾波電路和128x32液晶顯示，軟件上采用軟件濾波和最小二乘法求斜率與偏移量。最大限度的提高了測量精度（3%）、測量范圍（0—999K）,并且在不同環(huán)境都能滿足精準監(jiān)測的需求。

絕緣監(jiān)測儀工作原理

絕緣監(jiān)測儀的工作原理如圖1所示：

圖1：絕緣監(jiān)測儀工作原理

圖中R1為分壓電阻，Rf是絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測的對象—系統(tǒng)對地電阻，電源端的帶電導體不接地，只作設備外殼的保護接地。正常情況下，系統(tǒng)與地是絕緣的，此時Rf等效于無窮大；當系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，如系統(tǒng)導線與外殼直接接觸，則導致系統(tǒng)與地直接連接，此時的Rf等效于0。絕緣監(jiān)測儀向系統(tǒng)注入直流信號，經(jīng)過Rf進入絕緣監(jiān)測儀，構成一個閉合回路，通過簡單的歐姆定律即可算出Rf的大小。該測量原理簡單可靠，適用于不含直流分量的IT系統(tǒng)，又因采用直流信號可以有效的避免系統(tǒng)電容造成的影響，使其測量的阻抗具有較高的準確度，可以很好地反映系統(tǒng)的絕緣性能。

硬件設計

本設計中，中央處理模塊選用ST公司生產的32位ARM cortex-M3內核的芯片（STM32F103RBT6），該芯片處理速度快，主頻可達72MHz，并且具有豐富的片內外圍資源，內部具有20KB的片內SRAM和多達64KB的FLASH閃存，帶有多通道的12位A-D轉化模塊，以及多個SPI、IIC、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設計。

該儀表除了最基本的測量系統(tǒng)對地電阻外，自帶兩路繼電器輸出，采用128x32液晶模塊作為人機接口，帶有RS 485通訊，遵循Modbus-RTU協(xié)議，有預警報警功能，各個參數(shù)可以自行設定。

本裝置硬件功能模塊主要包括電源模塊、信號注入模塊、信號測量模塊、人機接口、鐵電存儲模塊、通訊模塊和開關量輸出模塊等組成。硬件框圖如圖2所示：

圖2：絕緣監(jiān)測儀硬件模塊設計

1 信號測量電路

在交流IT系統(tǒng)中，具有不同電壓等級，如400V和760V（更高電壓等級的需要配合高壓耦合器使用）。因此絕緣監(jiān)測儀內部需要具有滿足這些不同電壓等級的降壓電路。絕緣監(jiān)測儀上電之后，信號注入模塊會持續(xù)注入一個特定的直流電壓到被監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)測量的是R₁、R₂、Rf的和，由于R₁、R₂的值是已知的，所以只要減去R₁、R₂，即可求出Rf。測量電路如圖3所示：

圖3. 信號測量電

2 濾波放大電路

在實際的電力系統(tǒng)中，由于高頻信號的存在，可能會對信號采樣造成干擾，所以要對采樣信號進行濾波處理，該設計采用四階低通濾波電路，電路截止特性好，曲線的衰減率陡，同時提高了測量準確度，濾波電路如圖4所示：

圖4：四階低通濾波電路

由于此電路由兩個相同二階電路組成，因此只需分析一個即可。對第一個二階電路：當頻率f=0時，C₁和C₆均開路，通帶放大倍數(shù)

(1)

設R6、C6和R7相交的點為M,輸入電壓信號為Ui，輸出電壓信號為Uo。根據(jù)放大器虛短虛斷，對M點列電流方程：

(2)

其中

(3)

解上面兩個方程可得：

(4)

對比壓控電壓源二階低通濾波電路模型可得：

(5)

式中，f₀表示截止頻率,代入數(shù)據(jù)得f₀ ≈2.567Hz，該濾波器允許頻率低于f₀的波形通過，大于該頻率的波形將會不同程度的衰減。

下面針對該電路進行仿真。輸入是一個雜波，其輸入含有直流信號，高頻信號。其波形如圖5所示：

圖5：輸入波形

從圖5可以看出，除了我們注入的直流波形外，還有一些高頻雜波信號，經(jīng)過濾波電路之后，波形如圖6所示：

圖6：濾波之后的波形

對比圖5和圖6，高頻雜波信號被濾除，濾波效果良好達到試驗預期要求。

2.3 自檢電路

根據(jù)IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)中的電氣安全防護措施的試驗、測量和監(jiān)控設備》第8部分:IT系統(tǒng)中絕緣監(jiān)控裝置第4.2規(guī)定，絕緣監(jiān)視裝置應包括一個測試裝置或裝有測試裝置連接器，以測試該絕緣監(jiān)控裝置是否能完成其功能。

圖7：最小二乘法進行線性擬合示意

針對這個要求，在儀表內部設計了自檢電路，且內置了高精度電阻R₂。如圖7所示。當起動自檢時，繼電器動作，在測試電路中取樣信號Sample和self-inspection之間作了切換。自檢的目的是為了模擬正常的信號，測試裝置是否能測量出內置電阻阻值，并且發(fā)出自檢正常信息。

軟件設計

絕緣監(jiān)測儀采用結構化程序設計思想，采用C語言進行編寫。裝置在上電時對內部時鐘和所需要的外設進行初始化，然后開始讀取存儲在鐵電中出廠調試的校準參數(shù)，校準系數(shù)存放在鐵電存儲器中，無須擔心掉電導致數(shù)據(jù)丟失。當裝置自檢了所有電路時，開始進入正常的監(jiān)控模式。程序流程圖如圖8所示：

圖8：軟件處理流程圖

1.最小二乘法進行線性擬合

理想情況下，絕緣監(jiān)測裝置在整個測量范圍內都應該是線性的，但由于電路內部元器件參數(shù)的差異，電阻測量值可能成曲線分布，此時需要用最小二乘法找出某個范圍內最接近校準點的直線。最小二乘法線性擬合示意圖如圖9所示：

圖9：最小二乘法進行線性擬合示意

若已知：y= ax + b，則方程為

把坐標值代入，求得系數(shù)a和b，并將系數(shù)保存起來，當求另一點縱坐標時，只需代入各參數(shù)即可。對于此監(jiān)測儀，圖中各點代表各校準點，代入數(shù)據(jù)即可求得斜率與0偏移量。傳統(tǒng)方式多是求關于兩點的斜率和偏移值，這樣測量精度就比較低。具體對比如圖10所示：

圖10：示意圖

1-理想儀表曲線 2-本文介紹儀表線性曲線 3-某市售儀表線性曲線

由圖9可以看出，該儀表所采用的最小二乘法所得出的線性曲線更接近于理想曲線。

2.數(shù)字濾波算法

在工業(yè)IT配電系統(tǒng)中，多數(shù)用電設備會產生很多的干擾信號，因此裝置需要濾除信號中的噪聲干擾，讓需要的信號參與結果運算。絕緣監(jiān)測儀在采集了數(shù)據(jù)之后，通過內部數(shù)字濾波算法濾除掉噪聲干擾，再計算出絕緣電阻的大小。在此采用中位值平均濾波法，其基本過程是：

首先對數(shù)據(jù)進行由大到小排序（冒泡法），去掉最小和最大的幾個值，保留中間的那些值（中位值濾波法）。如此進行幾次運算，取這幾次的平均值即可。（平均值濾波法）

試驗結果

絕緣監(jiān)測儀已通過相關的型式試驗，包括電氣性能試驗和電磁兼容（EMC)試驗。性能參數(shù)皆超過國際標準要求。在60℃的溫度下，絕緣監(jiān)測儀測得的數(shù)據(jù)與標準的阻值、某市售儀表的對比如下表所示。

表 60℃（空氣濕度95%）對比

根據(jù)IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)中的電氣安全防護措施的試驗、測量和監(jiān)控設備》第8部分:IT系統(tǒng)中絕緣監(jiān)控裝置第4.6表1規(guī)定，相對不確定度必須在±15%以內。由上表可是，555定時器法測量誤差波動范圍比較大，高準確度儀表顯示誤差均保持在3%以內，測量精度明顯高于該儀表，因而在不同環(huán)境中的使用效果更為穩(wěn)定、可靠。

結束語

由于IT系統(tǒng)的安全性和供電連續(xù)性好，所以在國內有良好的發(fā)展前景，其安全性和連續(xù)性都是建立在實時對其監(jiān)測的基礎上。然而市售的絕緣監(jiān)測儀表種類少，測量范圍窄，在不同環(huán)境下的測量精度不一致。針對這種情況，設計了高精度的絕緣監(jiān)測儀。該儀表采用的軟硬件測量和處理方式綜合性能較高，測量范圍廣（0-999K），測量精度高（-20-65℃空氣濕度95%的條件下精度均能控制在3%范圍內），這是傳統(tǒng)儀表所不具備的。

文章來源：《電氣應用》2015年8期。

參考文獻

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作者簡介：周菁，女，本科，就職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，聯(lián)系電話：0510-86179969，郵箱：2880157872@qq.com，手機：18860995117，QQ:2880157872