安科瑞電氣股份有限公司

主營産品: 預付費電能管理系統,充電樁設備,導軌式電能表,開口式電流互感器,電力有源濾波器

6

聯系電話

18702111912

您現在的位置: 首頁> 技術文章 > 一種應用于交直流不接地系統絕緣監測裝置的設計與開發

消防防火門監控系統

消防電源監控系統

充電樁設備

開口式電流互感器

電力有源濾波器

預付費電能管理系統

電量傳感器

電力監控與保護

電能管理

電氣安全

系統集成

電能質量治理

供應變電所運維雲平台

自複式過欠壓保護器

模塊化浪湧保護器

公司信息

人:
趙娜
話:
86-021-69158306
機:
18702111912
真:
86-021-69153967
址:
上海市嘉定區育綠路253號
編:
201801
化:
址:
鋪:
/st110611/
給他留言

一種應用于交直流不接地系統絕緣監測裝置的設計與開發

2016/12/29  閱讀(86433)

趙雪蓮1  沈標2  

(1.青海三佳工程设计咨询有限公司,青海 810000)

(2.安科瑞電氣股份有限公司,上海 嘉定 201801)

 

摘  要: 介绍了一种用于工业不接地系统的绝缘监测装置(IMD),针对现有技术的不足,提供了一种新的硬件平台,可监测400V等级的交直流不接地系统,并详述了绝缘监测仪的硬件和软件设计原理。目前该绝缘监测仪已通过试驗驗證,并在市场上大量销售,为工业不接地配電系统提供了可靠的绝缘监测。

 

關鍵詞: 交直流不接地系统  绝缘监测装置  自适应  IMD

 

0.前言

    在一些对供電连续性要求较高的场所(如:矿井、化工厂、玻璃厂、冶金厂、某些集会场所的安全照明和某些電炉的试驗设备等),设备故障断電会带来巨大的损失,因此采用不接地系统可以有效减少断電发生的频率,这是由于在不接地系统*次出现接地故障时,系统还能够继续使用,不会出现断電的状况,如果*次接地故障是人为导致,则对人体基本没有太大的伤害,但此时系统已经存在安全隐患,如果不及时排除故障,当再次出现异相接地故障时,系统就有可能断電,从而造成严重后果。安装绝缘监测装置,可以实时显示系统对地绝缘電阻,在系统*次出现绝缘故障时,发出报警信号,及时提醒维修人员对系统进行故障排查,短时间内无需跳闸,从而保證了IT系统供電的可靠性和连续性[1]。JGJ 16-2008《民用建筑電器设计规范》第7.2.3条规定, IT配電系统必须配备绝缘监视仪[2]。国外对此也很重视,在上世纪六十年代,各個发达国家已经开始对電力系统的研究,但是其快速发展是在上世纪七十至八十年代。这十年间,數字電路的集成、计算机的迅速发展、各类傳感器的出现推动了電子测量领域的发展。目前国内一些厂家愈发重视对绝缘监测产品的研究,主流的测量方式有直流信号注入法、交流信号注入法、平衡桥测量法等等。以上测量方式有各自的优势,但由于应用场所环境的差别(泄露電容、直流信号的存在等等)较大,可能存在着测量范围较窄、测量精度不高、系统中允许泄露電容较低、测量周期长、只能用于交流系统等缺点。本文提出一种新型绝缘监测装置的设计原理,该装置采用自适应系统频率的方法,有绝缘電阻测量范围广,允许系统泄露電容大,响应快,测量周期短等优势。

 

1.絕緣監測裝置原理概述  

图1所示为测量電路简图:

 

 圖1:絕緣監測裝置原理簡圖

 

    图1中R1和R3是阻值相等的耦合電阻,R2和R4是阻值相等的采样電阻,Rf是系统对地電阻,Ce为系统泄露電容,G为信号发生器。電源端的带電导体不接地,只作设备外壳的保护接地。绝缘监测仪通过G向系统注入+20V和-20V脉冲信号,经过R1、R2 、R3 、R4返回到绝缘监测仪,构成一個闭合回路,对R2和R4電压进行信号处理、采集,即可算出系统对地電阻和系统泄露電容。

 

2.硬件設計

    本装置硬件電路主要包括中央处理器模块、断线监测模块、信号注入模块等。中央处理器选用ARM cortex-M3内核的單片机,该芯片主频高,外设丰富,大大简化了外围電路的设计。

下面对硬件電路进行讨论:

    2.1 信号控制電路

    CPU通过控制模拟开关决定信号的输出。其中+2.5号来源于基准芯片,-2.5v经+2.5v进行反相后得到,随后进入信号发生電路。

    2.2 信号发生電路

    信号控制電路中所述的+2.5v或-2.5号经过高压运放放大后产生+20v或-20v脉冲信号,即为注入不接地系统的信号。

    2.3 信号检测電路

    信号发生電路中的±20号通过图1中耦合電阻和系统对地绝缘電阻后构成回路,通过检测两個采样電阻的信号来计算系统绝缘電阻;通过检测PE上的信号電压,判断PE/KE是否断线;在装置运行过程中,对系统类型进行实时检测,根据系统是否存在直流分量选择适当的测量方法。

    2.3.1 交流系统或离线状态

    信号从采样電阻流经截止频率小于10Hz的低通滤波電路。当系统是交流系统或处于离线状态时,由于存在的干扰信号主要来源于不接地系统的50Hz信号,而该频率远大于该滤波器的截止频率(小于10Hz),则干扰信号将会衰减到可忽略的幅度,而后通过信号处理電路分别对两路信号进行相加、放大、抬升,zui终被單片机ADC采样。

    滤波效果可参考仿真結果。本電路在PSPICE中进行仿真,在L1和L2之间加300V(频率50Hz)電压(模拟不接地系统),信号经过四阶低通滤波電路前后的效果对比如图2所示。图2中波形是注入的±20v与300v系统電压叠加后的結果,可以看出,300v電压对采样電阻上的信号電压影响很大。参照图2的下图可知,经过低通滤波電路以后,300v(频率50Hz)的信号衰减到可以忽略的幅度。

 

 

 图2. 滤波前后信号对比

 

    图2中两段信号分别是+20V和-20V交叉变换的結果,由于系统存在泄露電容,波形呈现一個缓慢充放電的曲线,这個过程也是采样電阻分压趋于稳定的过程。而分压電阻上的zui终電压只跟系统電压和其所占比例有关,跟電容无关,故電阻的测量与波形正负半周稳定后的電压有关,下面简要陈述计算过程:

 

 

图3. 两路信号合成

 

    设图3中“ADC_R”(采样電压)稳定后電压是V1,此时的“VOUTF”处電V2,“VOUT1”和“VOUT2”電压V3,则在+20v时,有:

    V1和V2(抬升電压)已知,可以求出V3。设采样電阻電压为V4,由于从V4到V3只有低通滤波電路和一個信号抬升電压V6,低通滤波電路对信号幅度影响很小,则:

 

    V4也是图1中R2和R4的分压,设電源電压V5,则:

聯立①、②、③式,即可求出绝缘電阻Rf。

    電容的计算则依赖于電阻的大小和波形的曲线。假设電压在关于时间t的波形上存在两個点M1和M2,对应的坐 标是(V1,t1),(V2,t2)根据電容充電公式:

 

 

對應M1和M2:

處理後有:

在實際計算的過程中,可以多次取點計算,求平均值,提高測量精度。

在-20v时,绝缘電阻Rf和泄露電容计算方式与此类似。

    2.3.2系统存在直流分量

    当系统存在直流分量时,仍然需要四阶滤波電路滤除系统交流信号(此时直流信号仍然存在),之后经过一個如图4所示的信号保持電路:

 

 图4. 信号保持電路

 

    输入信号分为正、负半周信号,但两者均含有系统中的直流分量,通过开关的断开与闭合,可以实现正负半周信号相减,由于系统的直流電压幅度变化很小,相减后的信号中不再含有直流分量,此时的采样信号中只是±20V電压作用在采样電阻的結果,zui后信号经过放大,进入單片机ADC采样模块。进入ADC采样的波形可以参照PSPICE仿真結果如图5:

 

图5. 两路独立信号波形

 

    无论是在﹢20v,还是-20v,系统都能独立监测绝缘状况,如此,测量周期至少比固定周期产品测量周期小一半。直流系统中電阻的计算同交流系统所述一样,電阻的大小取决于波形稳定后的電压值,電容的计算仍然依赖于電阻,计算方法类似于通过ADC采样信号可以反推出在+20V和-20V时图1中R2和R4的分压,即可求出绝缘電阻值与泄露電容值。

    2.4 仪表其它電路

    除了上述電路外,还有断线检测電路(PE/KE断线、L1/L2断线检测功能)、485通讯電路、其他通讯電路等等。

 

3.軟件設計

    3.1 软件流程

    该绝缘监测装置采用结构化程序设计思想,采用C语言进行编写。主函数通过查询标志位的状态,决定是否执行对应的模块,各個模块的标志位在定时器内改变。这种方式提高了软件的实时性,后期的软件维护相对来说也比较方便。

    3.2 自适应频率

    目前市场上同行产品多数采用向系统注入固定周期信号的方法,这种方式必须考虑系统zui大電阻及電容,测量周期必须满足zui大電阻和zui大電容的要求,因此这时的周期也是zui长的,且不能改变。自适应频率是一种新型的周期调节的方式,通过监测系统信号波形来调整周期大小。在信号波形上取两個点的電压信号,当信号電压变化很小时,视为稳定,这时翻转脉冲信号,并保存该周期运行的时间作为下一次脉冲的周期。由于在正负半周都会对波形监测和计算,所以信号波形的调整会很及时,電阻的计算結果更新的相对也比较快。此外,一旦電阻和電容测量結果稳定,系统会计算理论周期,并与实际测量周期作对比,然后把理论测量周期赋值给下一次脉冲周期。该方式保證了在测量結果精度达标的前提下,测量周期能够达到zui短。

    3.3 响应时间

    IEC61557-8第8部分“IT系统中绝缘监控装置”中第4.6表1规定,在纯交流系统中,当泄漏電容1uF、绝缘電阻为0.5倍报警值时,响应时间应小于10s。在测量精度达标的前提下,本装置响应速度能小于6s。下面就電阻突变对波形的影响作简要分析,祥见图6:

 

 图6. 故障模拟波形图

实线:波形一   虚线:波形二

 

    t1之前系统周期已经稳定,假设在t1时刻(電压V1)電阻突然减小到报警值以下,波形发生变化,当到达采样时刻t2时,测得此时電压V2,CPU判断两者之差大于设定的值,下半周周期加倍,变为2T(之前为T),由于電容很小,系统会在2T时间运行结束之前提前稳定。虽然系统会在周期完成之前提前结束,但响应时间会增大,如果取一個完整的正负周期的信号作报警响应的依据,则大大增加了响应时间。为了解决这個问题,系统在半周结束之后计算電阻值(独立信号),如果该電阻值小于设定的报警值,则发出报警信号,响应值即为图6中的t2~t1,经实际测试,响应时间基本维持在5s以内,zui长不超过6秒。

    3.4 软件其它描述

    软件校准采用线性分段式校准法,共8個校准点,保證了仪表的精度;为了滤除信号中的噪声干扰,數字滤波依次采用冒泡法(对数据排序)、中位值滤波法、平均值滤波法对数据进行处理,保證了信号的可靠性和稳定性。

 

4.試驗結果

    该产品已通过许昌开普检驗中心的的型式试驗,功能和性能均满足国际标准要求。经试驗驗證,该仪表在電阻1K-5M、電容0-150uF的条件下,显示值与实际值的比值均保持在10%以内,测量精度达标,能满足各种环境中不接地系统绝缘监测的需求。

 

5.結語

    本文介绍了一种新型绝缘监测装置,与市场绝缘监测仪表相比,其优势在于可监测直流不接地系统、允许系统泄露電容大、测量周期短、响应时间短等。经过试驗,本文介绍的绝缘监测装置在交流、直流不接地系统均可可靠工作,可以为不接地系统提供一种可靠的监测。

 文章来源:《智能建筑電气技术》2016年3期。

 

參考文獻

[1] 王厚余.论it系统的应用.中国航空工业规划设计研究院(北京).

[2] JGJ 16-2008民用建筑電气设计规范[S].

[3] 刘国平.船舶電气与通信.*版.北京:海洋出版社,2004.

[4] 王巍,王金全,杨涛,等.低压IT系统几個关键问题探讨[J].建筑電气,2011(11):47-50.

[5] 马涛,王金全,金伟一,等.三相四线制IT系统绝缘监测技术方案研究[J].船電技术.2008(5):277-280.

[6] IEC 61557-8Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000Va.c.and1500V d.c. - Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part8:Insulation monitoring devices for IT systems



二维碼 在線交流

掃一掃訪問手機商鋪
在線留言