一種應(yīng)用于交流IT系統(tǒng)的高精度絕緣監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

周贊強(qiáng)1  沈標(biāo)2  李平3

（1.中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州310052）

（2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

（3.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘  要: IT系統(tǒng)配電方式應(yīng)用在一些重要場所（如礦井、玻璃廠和集會(huì)場所的安全照明等），在這些場所，因意外導(dǎo)致的斷電將會(huì)造成慘重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。裝設(shè)絕緣監(jiān)測裝置可以解決由于系統(tǒng)對(duì)地絕緣性能降低導(dǎo)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(shè)計(jì)原理。目前該絕緣監(jiān)測儀已通過試驗(yàn)驗(yàn)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(guān)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(huì)場所的安全照明，某些電爐的試驗(yàn)設(shè)備，冶金廠和化工廠等），意外斷電會(huì)造成人員傷亡和重大的財(cái)產(chǎn)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(shí)間的推移，系統(tǒng)對(duì)地的絕緣程度下降，當(dāng)出現(xiàn)*點(diǎn)接地故障時(shí)，IT系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，但此時(shí)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(diǎn)接地故障，將會(huì)產(chǎn)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(shè)計(jì)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)*點(diǎn)接地故障時(shí)，裝置產(chǎn)生警告或報(bào)警信息，及時(shí)提醒維修人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障排查，短時(shí)間內(nèi)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(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，各個(gè)發(fā)達(dá)國家都很重視，但到了20世紀(jì)七八十年代，隨著傳感器技術(shù)、信號(hào)采集技術(shù)、數(shù)字分析技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，在線診斷技術(shù)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(shí)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(yīng)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(diǎn)。針對(duì)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(shè)計(jì)：硬件上采用STM32內(nèi)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zui小二乘法求斜率與偏移量。zui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(duì)象—系統(tǒng)對(duì)地電阻，電源端的帶電導(dǎo)體不接地，只作設(shè)備外殼的保護(hù)接地。正常情況下，系統(tǒng)與地是絕緣的，此時(shí)Rf等效于無窮大；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，如系統(tǒng)導(dǎo)線與外殼直接接觸，則導(dǎo)致系統(tǒng)與地直接連接，此時(shí)的Rf等效于0。絕緣監(jiān)測儀向系統(tǒng)注入直流信號(hào)，經(jīng)過Rf進(jìn)入絕緣監(jiān)測儀，構(gòu)成一個(gè)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(hào)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(zhǔn)確度，可以很好地反映系統(tǒng)的絕緣性能。

硬件設(shè)計(jì)

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

    該儀表除了zui基本的測量系統(tǒng)對(duì)地電阻外，自帶兩路繼電器輸出，采用128x32液晶模塊作為人機(jī)接口，帶有RS 485通訊，遵循Modbus-RTU協(xié)議，有預(yù)警報(bào)警功能，各個(gè)參數(shù)可以自行設(shè)定。

    本裝置硬件功能模塊主要包括電源模塊、信號(hào)注入模塊、信號(hào)測量模塊、人機(jī)接口、鐵電存儲(chǔ)模塊、通訊模塊和開關(guān)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(shè)計(jì)

1 信號(hào)測量電路

    在交流IT系統(tǒng)中，具有不同電壓等級(jí)，如400V和760V（更高電壓等級(jí)的需要配合高壓耦合器使用）。因此絕緣監(jiān)測儀內(nèi)部需要具有滿足這些不同電壓等級(jí)的降壓電路。絕緣監(jiān)測儀上電之后，信號(hào)注入模塊會(huì)持續(xù)注入一個(gè)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(hào)測量電路

2 濾波放大電路

    在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，由于高頻信號(hào)的存在，可能會(huì)對(duì)信號(hào)采樣造成干擾，所以要對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理，該設(shè)計(jì)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(shí)提高了測量準(zhǔn)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(gè)相同二階電路組成，因此只需分析一個(gè)即可。對(duì)*個(gè)二階電路：當(dāng)頻率f=0時(shí)，C1和C6均開路，通帶放大倍數(shù)

           (1)

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

 (2)

其中

        (3)

解上面兩個(gè)方程可得：

   (4)

對(duì)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(huì)不同程度的衰減。

    下面針對(duì)該電路進(jìn)行仿真。輸入是一個(gè)雜波，其輸入含有直流信號(hào)，高頻信號(hào)。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(hào)，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(duì)比圖5和圖6，高頻雜波信號(hào)被濾除，濾波效果良好達(dá)到試驗(yàn)預(yù)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(hù)措施的試驗(yàn)、測量和監(jiān)控設(shè)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(yīng)包括一個(gè)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：zui小二乘法進(jìn)行線性擬合示意

    針對(duì)這個(gè)要求，在儀表內(nèi)部設(shè)計(jì)了自檢電路，且內(nèi)置了高精度電阻R2。如圖7所示。當(dāng)起動(dòng)自檢時(shí)，繼電器動(dòng)作，在測試電路中取樣信號(hào)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(hào)，測試裝置是否能測量出內(nèi)置電阻阻值，并且發(fā)出自檢正常信息。

軟件設(shè)計(jì)

    絕緣監(jiān)測儀采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，采用C語言進(jìn)行編寫。裝置在上電時(shí)對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘和所需要的外設(shè)進(jìn)行初始化，然后開始讀取存儲(chǔ)在鐵電中出廠調(diào)試的校準(zhǔn)參數(shù)，校準(zhǔn)系數(shù)存放在鐵電存儲(chǔ)器中，無須擔(dān)心掉電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)裝置自檢了所有電路時(shí)，開始進(jìn)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.zui小二乘法進(jìn)行線性擬合

    理想情況下，絕緣監(jiān)測裝置在整個(gè)測量范圍內(nèi)都應(yīng)該是線性的，但由于電路內(nèi)部元器件參數(shù)的差異，電阻測量值可能成曲線分布，此時(shí)需要用zui小二乘法找出某個(gè)范圍內(nèi)zui接近校準(zhǔn)點(diǎn)的直線。zui小二乘法線性擬合示意圖如圖9所示：

圖9：zui小二乘法進(jìn)行線性擬合示意

若已知：y= ax + b，則方程為

    把坐標(biāo)值代入，求得系數(shù)a和b，并將系數(shù)保存起來，當(dāng)求另一點(diǎn)縱坐標(biāo)時(shí)，只需代入各參數(shù)即可。對(duì)于此監(jiān)測儀，圖中各點(diǎn)代表各校準(zhǔn)點(diǎn)，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(guān)于兩點(diǎn)的斜率和偏移值，這樣測量精度就比較低。具體對(duì)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zui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(shè)備會(huì)產(chǎn)生很多的干擾信號(hào)，因此裝置需要濾除信號(hào)中的噪聲干擾，讓需要的信號(hào)參與結(jié)果運(yùn)算。絕緣監(jiān)測儀在采集了數(shù)據(jù)之后，通過內(nèi)部數(shù)字濾波算法濾除掉噪聲干擾，再計(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行由大到小排序（冒泡法），去掉zui小和zui大的幾個(gè)值，保留中間的那些值（中位值濾波法）。如此進(jìn)行幾次運(yùn)算，取這幾次的平均值即可。（平均值濾波法）

試驗(yàn)結(jié)果

    絕緣監(jiān)測儀已通過相關(guān)的型式試驗(yàn)，包括電氣性能試驗(yàn)和電磁兼容（EMC)試驗(yàn)。性能參數(shù)皆超過標(biāo)準(zhǔn)要求。在60℃的溫度下，絕緣監(jiān)測儀測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)的阻值、某市售儀表的對(duì)比如下表所示。

表  60℃（空氣濕度95%）對(duì)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(hù)措施的試驗(yàn)、測量和監(jiān)控設(shè)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(duì)不確定度必須在±15%以內(nèi)。由上表可是，555定時(shí)器法測量誤差波動(dòng)范圍比較大，高準(zhǔn)確度儀表顯示誤差均保持在3%以內(nèi)，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(jié)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(nèi)有良好的發(fā)展前景，其安全性和連續(xù)性都是建立在實(shí)時(shí)對(duì)其監(jiān)測的基礎(chǔ)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(duì)這種情況，設(shè)計(jì)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(nèi)），這是傳統(tǒng)儀表所不具備的。

文章來源：《電氣應(yīng)用》2015年8期。

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 Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part8:Insulation monitoring devices for IT systems