一種絕緣故障定位用信號發生器的設計與應用

楊 帥 / 李興勤 / 李 平 / 王長青

1.安科瑞電氣股份有限公司， 上海 201801

2.四川西南廣廈建筑設計院有限公司， 四川 成都 610042

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，通過儀表自動定位故障點支路。若沒有自動定位功能，一旦出現故障，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查找，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地針對該故障支路進行斷電或其他保護操作，不必逐條支路斷電進行排查，不僅提高了工作效率，也有效地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。

圖1 信號發生器的發生原理

1 信號發生原理

信號發生器的工作原理是當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。常采用圖1所示的發生原理。

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系統形成太大干擾或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，則可以實現有效值足夠小、峰值足夠大兩個期望目標。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。

對于單項交流IT系統，兩根線L1、L2間電壓為AC220V，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[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)。

當交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度

當交流電壓為60Hz時，脈沖寬度

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，并且實際截取的脈沖信號中，除波峰一點外，其余點幅度均小于220V，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。

圖2 硬件設計原理框圖

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。硬件設計原理框圖如圖2所示。

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。若發生絕緣故障，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，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 CortexTM-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和外圍資源，片內RAM 20KB和FLASH閃存64KB，帶有多通道的12位A/D轉化模塊，以及多個SPI、I2C、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設計。

圖3 軟件流程圖

圖4 L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

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。

為了充分保證信號發生器運行的準確性與可靠性。軟件上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。信號發生器采集到的第一手信號中自然也包含了大量諧波分量以及其他一些噪聲干擾。這些干擾如果不濾除，會給后續計算帶來影響。為了避免這些影響，軟件在采集到數據之后，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UL1＞UL2和UL1＜UL2的情況分別計時，記為t1和t2。由于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，如果此時出現系統對地絕緣故障，即可在之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

圖5 某醫院重癥監護室IT系統應用圖

圖6 信號發生器產生的波形

圖7 絕緣故障定位儀監測到的波形

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t1+t2=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 信號發生器在醫療IT絕緣監測及故障定位系統的應用

基于本文設計的信號發生器，已成功應用于某醫院重癥監護室，系統應用如圖5所示。通過通訊線路，將絕緣監測儀、絕緣故障定位儀和信號發生器構成一個局域網絡。信號發生器上電后自動進入監測模式，監測IT系統的頻率。當絕緣監測儀監測到IT系統發生對地絕緣故障時，通過通訊線路，啟動信號發生器和絕緣故障定位儀，進入信號發生模式和故障定位模式。

在實際工程應用中，信號發生器產生的脈沖波形如圖6所示，由圖6可看出，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論值220 2偏小(圖6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7所示。

由圖7可看出，監測到的脈沖波形比干擾波形要高的多，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，可以準確地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，同時通過通訊線路，將故障支路信息返回給絕緣監測儀。絕緣監測儀立即報警，通過界面顯示故障支路數，同時通過通訊線路，命令信號發生器和絕緣故障定位儀停止發生信號和故障定位，信號發生器再次進入監測模式。

此次工程施工完成后，在現場對系統進行調試，模擬絕緣故障100次，絕緣故障定位率為100%。充分證明本設計在工程應用中是可行的。

5 結束語

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。基于本設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。本文最后對醫院重癥監護室的IT系統絕緣故障定位做了初步探討，給醫院建筑電氣設計者提供一些參考。在應用中，不同工程的實際情況非常復雜，還會遇到許多新的問題，望同仁們進一步探討。

[1]中華人民共和國住房和城市建設部.JGJ 16-2008民用建筑電氣設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2008.

[2]IEC 61557-9 Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1 000 V a.c.and 1 500 V d.c.— Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures —Part 9: Equipment for insulation fault location in IT systems.