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IT配電系統(tǒng)絕緣故障定位信號發(fā)生器的設計與應用

瀏覽次數:830更新日期:2014-04-28

胡月華1 ,楊帥2

(1.武漢科技大學,武漢  430081;2.安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定 201801)

[摘要]在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器工作原理的基礎上,闡述了信號發(fā)生器的硬件和軟件設計?;诒驹O計的產品已通過試驗檢驗,可應用于IT系統(tǒng)中,為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。

關鍵詞 IT系統(tǒng) 信號發(fā)生器 故障定位

引言

IT系統(tǒng)一旦出現(xiàn)單點接地故障就會變?yōu)門N-S系統(tǒng),雖然可以帶故障繼續(xù)運行,但已失去IT系統(tǒng)的優(yōu)點,增加了安全隱患,因此需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的對地絕緣狀況,并能通過儀表自動定位故障點支路,否則,一旦出現(xiàn)故障,只能依靠人工來實現(xiàn)絕緣故障點的定位查找,不僅費時費力,而且破壞了供電連續(xù)性。為此,本文設計了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器(以下簡稱信號發(fā)生器),它裝設于IT系統(tǒng)中,配合絕緣故障定位裝置實現(xiàn)絕緣故障定位功能。當IT系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時,信號發(fā)生器啟動并產生定位信號,注入到IT系統(tǒng)與地之間。絕緣故障定位裝置通過傳感器逐路巡檢,當檢測到定位信號流經某支路時,便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時,操作人員可有目地的針對該故障支路進行斷電或其它保護操作,不必逐條支路斷電進行排查,從而提高了工作效率,保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

信號發(fā)生器原理

信號發(fā)生器工作原理:IT系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時,輪流在系統(tǒng)某根線與大地之間注入定位信號,以便絕緣故障定位儀能在故障支路上監(jiān)測到定位信號。信號發(fā)生器原理如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生器原理圖

在IT系統(tǒng)中,注入的測試信號值足夠小,以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾,,甚至對系統(tǒng)負載造成危害;但又要有足夠大的峰值,以便在故障支路上形成足夠大的電流,使故障定位儀的電流互感器能正常監(jiān)測。

考慮以上兩種情況后,本文采用脈沖信號作為測試信號。脈沖信號幅度足夠大、寬度足夠窄,就可實現(xiàn)足夠小的值、足夠大的峰值兩個期望目標。從簡化設計的角度出發(fā),沒必要在信號發(fā)生器上直接產生高壓脈沖信號,可通過截取IT系統(tǒng)中交流信號的波峰來實現(xiàn)。

對于單相交流IT系統(tǒng), L1、L2線間電壓為AC 220V,其峰值為220V,滿足脈沖峰值足夠大的要求。為滿足值足夠小的要求,本文依照標準IEC61557-9的“定位信號電壓的值不允許超過50V”的規(guī)定,將電壓閾值設為50V。據此,可計算出脈沖寬度(由于脈沖寬度很小,為方便計算,可將此峰值脈沖視為幅度為220的矩形脈沖)為:

 

當交流電壓周期為50Hz時,脈沖寬度為:

當交流電壓為60Hz時,脈沖寬度為:

利用單片機的定時器功能,配合光耦,可以截取0.4ms的峰值脈沖。由于0.4ms<0.4304ms<0.5165ms,且實際截取的脈沖信號中,除波峰一點外,其余點幅度均小于 V,因此其值一定會小于設定的閾值(50V),滿足脈沖值足夠小的要求。

硬件設計

信號發(fā)生器的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控制模塊、監(jiān)測模塊、信號發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理框圖

信號發(fā)生器上電后,CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進行實時監(jiān)測,測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時,信號發(fā)生器根據測量出的頻率大小,確定測試信號的脈沖寬度以及脈沖頻率,截取系統(tǒng)波峰,產生測試信號,輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發(fā)生絕緣故障,故障支路可等效為一較小電阻,連接IT系統(tǒng)發(fā)生故障的線路以及大地,形成電流回路,因此測試信號能在故障支路上產生測試電流。絕緣故障定位儀逐路巡檢各支路時,在某支路上監(jiān)測到此測試電流,即可判定此條支路為故障支路。本設計中,中央控制模塊選用ST的32位ARM -M3內核單片機STM32F103。該芯片處理速度快,zui高運行速度可達72MHz;具有豐富的片內外圍資源,內部有20KB的片內RAM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、C、CAN等通信接口,大大簡化了外圍電路的設計。

軟件設計

信號發(fā)生器的控制程序由C語言編寫,在程序設計中采用了結構化程序設計方法,便于程序代碼的維護、移植和升級。系統(tǒng)上電后,首先完成各模塊的初始化和自檢,確保系統(tǒng)工作的可靠性;然后確定系統(tǒng)中各部分硬件電路正常后,自動進入正常工作模式。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

為了保障信號發(fā)生器運行準確與可靠,保證設備不會誤動,軟件上采用了特定的程序算法進行處理。

(1)數字濾波算法。信號發(fā)生器采用數字濾波算法濾除信號中諧波、噪聲等干擾,只讓有用的信號參與結果運算,從而使計算的結果更加可靠。

(2)IT系統(tǒng)交流頻率自適應法。因為工作環(huán)境的多樣性,工作電壓不一定就是50Hz,實際中的電壓頻率可能更高或更低,因此要通過監(jiān)測模塊實時監(jiān)測IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測模塊將比較L1、L2線間的電壓,UL1>UL2和UL1<UL2的時間分別記為t1和t2。因為電壓比較時存在一定的閾值電壓,所以會存在t1>t2或t2>t1的現(xiàn)象。如果t1+t2=20ms(即系統(tǒng)交流頻率為50Hz),出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障時,就可在     與   之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖,在 與 之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

如圖4所示,在系統(tǒng)電壓的每個周期,信號發(fā)生器截取2次脈沖,分別在L1-L2的正半波波峰處(圖4中行),以及L1-L2的負半波波峰處(圖4中第三行)。若故障點在L1線上,則在L1-L2的負半波波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正,能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到;若故障點在L2線上,則在L1-L2的正半波波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正,能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到。

圖4  L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

如果t1+t2=10ms,考慮到脈沖值小于50V的需求,那么可以不用每個周期截取2次脈沖(L1-L2正半波,L1-L2負半波),而選擇每兩個周期截取兩次脈沖(L1-L2正半波,L1-L2負半波)。其它頻率依次類推即可。
定位信號發(fā)生器實物如圖5所示,它采用DC 24V供電,面板上有“運行”、“通訊”以及“測試”LED指示燈顯示工作狀態(tài)。

圖5  信號發(fā)生器實物圖

當IT配電系統(tǒng)*運行時,信號發(fā)生器自動監(jiān)測系統(tǒng)頻率。當IT配電系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時,信號發(fā)生器產生測試脈沖信號,配合絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀定位故障支路。

信號發(fā)生器已通過型式試驗檢驗,各項指標均達到國家標準的要求,目前已成功應用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護室,如圖6所示。通過通信線路,絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀和信號發(fā)生器構成一個局域網絡。信號發(fā)生器上電后自動進入監(jiān)測模式,監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時,通過通信線路,啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀,進入信號發(fā)生模式和故障定位模式。

 

圖6 某醫(yī)院重癥監(jiān)護室IT系統(tǒng)應用圖

在實際工程應用中,信號發(fā)生器產生的脈沖波形如圖7所示。

圖7  信號發(fā)生器產生的波形圖

由圖7可知,該波形存在大量的雜波干擾,峰值也較理論的偏?。▓D中正弦波形為系統(tǒng)電壓,作為比照),但還是滿足絕緣故障定位要求。在絕緣故障定位儀端監(jiān)視到的波形,經過濾波等預處理操作后,如圖8所示。

圖8  絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形

由圖8可知,監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高,形成一個明顯的落差。通過設定適當的閾值,配合脈沖寬度等條件,可準確判斷出此支路是否有測試信號通過,即此支路是否有絕緣故障。

監(jiān)測到故障支路后,絕緣故障定位儀顯示故障支路數,同時通過通信線路,將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀收到信息后立即報警,通過界面顯示故障支路數,同時命令信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)出信號和故障定位,信號發(fā)生器再次進入監(jiān)測模式。

在現(xiàn)場對系統(tǒng)進行調試,模擬絕緣故障100次,絕緣故障定位率為,這充分證明了該信號發(fā)生器的可行性。

結束語

本文設計的信號發(fā)生器具有自適應IT系統(tǒng)頻率,注入高峰值、低值脈沖波形,多系統(tǒng)組網等功能,并可通過面板指示燈顯示當前工作狀態(tài)。該信號發(fā)生器符合國家相關標準,配合絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀,能為IT系統(tǒng)提供安全、可靠的供電解決方案。

文章來源:《電工技術》 2014年 第4期

參考文獻

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Part 9: Equipment for insulation fault location in IT systems