IT配電系統絕緣故障定位信號發生器的設計與應用

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生器工作原理的基礎上，闡述了信號發生器的硬件和軟件設計�；�于本設計的產品已通過試驗檢驗，可應用于IT系統中，為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。

    0 引言

    IT系統一旦出現單點接地故障就會變為TN-S系統，雖然可以帶故障繼續運行，但已失去IT系統的優點，增加了安全隱患，因此需要實時監測系統的對地絕緣狀況，并能通過儀表自動定位故障點支路，否則，一旦出現故障，只能依靠人工來實現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性。為此，本文設計了一種絕緣故障定位用信號發生器（以下簡稱信號發生器），它裝設于IT系統中，配合絕緣故障定位裝置實現絕緣故障定位功能。當IT系統發生絕緣故障時，信號發生器啟動并產生定位信號，注入到IT系統與地之間。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，保障了系統供電的連續性。

    1 信號發生器原理

    信號發生器工作原理：IT系統發生單點接地故障時，輪流在系統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測到定位信號。信號發生器原理如圖1所示。

圖1 信號發生器原理圖

    在IT系統中，注入的測試信號有效值必須足夠小，以免對IT系統形成太大干擾，，甚至對系統負載造成危害；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，就可實現足夠小的有效值、足夠大的峰值兩個期望目標。從簡化設計的角度出發，沒必要在信號發生器上直接產生高壓脈沖信號，可通過截取IT系統中交流信號的波峰來實現。

    對于單相交流IT系統， 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。為滿足有效值足夠小的要求，本文依照標準IEC61557-9的“定位信號電壓的有效值不允許超過50V”的規定，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，可以精確截取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，因此其有效值一定會小于設定的閾值(50V)，滿足脈沖有效值足夠小的要求。

    2 硬件設計

    信號發生器的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控制模塊、監測模塊、信號發生模塊、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

    信號發生器上電后，CPU即通過監測模塊對IT系統的電壓進行實時監測，測量出IT系統的交流頻率。當系統發生對地絕緣故障時，信號發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，截取系統波峰，產生測試信號，輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發生絕緣故障，故障支路可等效為一較小電阻，連接IT系統發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，最高運行速度可達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。

    3 軟件設計

    信號發生器的控制程序由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。系統上電后，首先完成各模塊的初始化和自檢，確保系統工作的可靠性；然后確定系統中各部分硬件電路正常后，自動進入正常工作模式。系統主程序流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

    為了保障信號發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精確可靠。

    （2）IT系統交流頻率自適應法。因為工作環境的多樣性，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，因此要通過監測模塊實時監測IT系統的交流頻率。監測模塊將比較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的現象。如果t1+t2=20ms（即系統交流頻率為50Hz），出現系統對地絕緣故障時，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。