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          一種絕緣故障定位用信號發生器的設計
          發布日期:2014-02-13 11:36:56

          0 引言

            在IT系統中,單點接地故障是一種很常見的故障。一旦出現單點接地故障,IT系統就會變為TN-S系統,雖然可以帶故障繼續運行,但已經失去了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,并在監測到對地絕緣故障時,能通過儀表自動定位故障點支路。否則,一旦出現故障,對絕緣故障點的定位查找,只能依靠人工對多達數十條、數百條,乃至成千上萬條負載支路逐條斷電來實現,不僅費時費力,更嚴重破壞了供電連續性。這在某些需要連續供電的特殊場所,如醫院手術室等,是萬萬不允許的[1]。

            基于上述情況,本文設計了一種絕緣故障定位用信號發生器,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,操作人員可有目的性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,不僅大大的提高了工作效率,也有效的保障了系統供電的連續性。因此,對電力系統供電的安全性、連續性和可靠性具有極其重要的意義。

            1 信號發生原理

            信號發生器的工作原理是,單相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,其信號發生原理如圖所示。

           

          圖1 信號發生器的發生原理

            在IT系統中,注入的測試信號的有效值必須足夠小,以免對IT系統形成太大干擾,帶來不必要的隱患,甚至對系統負載造成危害;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,本文采用脈沖信號作為測試信號。如果脈沖信號幅度足夠大,寬度足夠窄,則可以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,沒有必要在信號發生器上直接產生高壓脈沖信號,可以通過截取IT系統中交流信號的波峰來實現。

            普通電氣設備所需電源為AC 220V、50/60Hz,針對某一特定應用場合,如二類醫療場所或某些集會場所的安全照明,可以由隔離變壓器轉換取得。L1、L2線間電壓AC 220V,其峰值為V,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[2]。依此,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)。

            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,并且由于實際截取的脈沖信號中,除波峰一點外,其余點幅度均小于 因此其有效值一定會小于設定的閾值50V,可以滿足脈沖有效值足夠小的要求。

            2 硬件設計

            本設計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、指示燈模塊組成。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值電阻,連接IT系統發生故障的線,以及大地,形成電流回路,則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回監測各支路時,在某個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公司生產的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。芯片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、CAN等通訊接口,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用C語言編寫完成,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,首先完成各個模塊的初始化和自檢,確保系統工作的可靠性,然后確定系統中的各個部分硬件電路正常后,自動進入正常工作模式,系統主程序流程圖如圖3所示。

          圖3 軟件流程圖

            為了充分保證信號發生器運行的準確與可靠,軟件設計采用了特定的程序算法進行處理,主要包括:

            (1)數字濾波算法。隨著電力系統的日漸復雜,電網中的諧波含量不斷增加,很多場所都不能避免。信號發生器采集到的第一手信號中自然也包含了大量了諧波分量,以及其他一些噪聲干擾。這些干擾如果不濾除的話,會對后續計算帶來影響。為了避免這些影響,軟件上在采集到數據之后,采用了數字濾波算法進行處理,濾除掉信號中諧波、噪聲等干擾的部分,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、L2兩根線之間的電壓,對  >  和<的情況分別計時,記為 和。由于電壓比較時存在一定的閾值電壓,所以會存在>或>的現象。如果+=20ms,即系統交流頻率為50Hz,如果此時出現系統對地絕緣故障,即可在 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。

            圖4 L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

            如圖4所示,系統電壓的每個周期,信號發生器截取兩次脈沖,分別在L1-L2的正半波的波峰處(如圖4第二行),以及L1-L2的負半波的波峰處(如圖4第三行)。如果故障點發生在L1線上,則在L1-L2的負半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現為正,能被絕緣故障定位儀監測到;如果故障點發生在L2線上,則在L1-L2的正半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現為正,能被絕緣故障定位儀監測到。如果  + =10ms,考慮到脈沖有效值小于50V的需求,可以不用每個周期截取兩次脈沖(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)。其他頻率依次類推即可。

            4 試驗結果

            目前,基于該設計的產品樣機已通過了型式試驗檢驗,檢驗的內容包括產品的安全性能和電磁兼容性能,產品的各項指標均達到國家標準的要求。

            實際試驗中,信號發生器產生的脈沖波形如圖5所示,由圖可知,該波形存在大量的雜波干擾,峰值也較理論 的有些偏小(圖中正弦波形為系統電壓,作為比照),但還是滿足絕緣故障定位的要求的,在絕緣故障定位儀端監視到的波形,經過濾波等預處理操作之后,如圖6所示。

          圖5 信號發生器產生的波形

          圖6 絕緣故障定位儀監測到的波形

            由圖6可看出,監測到的脈沖波形比干擾波形要的高的多,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,可以準確的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。

            5 結語

            本文設計的絕緣故障定位用信號發生器,具有自適應IT系統頻率,注入高峰值、低有效值脈沖波形等功能,并可以通過面板指示燈指示當前工作狀態;诒驹O計的產品符合相關國家標準的要求,并能為IT系統提供安全、可靠的供電解決方案。

           

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