IT 系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)的采樣設(shè)計(jì)

郭灝陽(yáng)，吳勇

（安徽理工大學(xué)，安徽淮南，232000）

0 引言

在不接地交/直流系統(tǒng)（IT 系統(tǒng)）中，系統(tǒng)中性點(diǎn)對(duì)地完全隔離，系統(tǒng)負(fù)載中的外殼經(jīng)接地保護(hù)線(xiàn)接地。由于IT系統(tǒng)供電穩(wěn)定性好，單相接地不斷電。

IT 配電系統(tǒng)發(fā)生單相絕緣故障后，其非故障相電壓會(huì)升高為線(xiàn)電壓，此時(shí)供電系統(tǒng)雖然可以持續(xù)工作，但是故障系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行可能導(dǎo)致非故障相絕緣薄弱的地方再次發(fā)生絕緣故障而導(dǎo)致相間短路。

在一些不允許隨便斷電或出現(xiàn)較大漏電流的場(chǎng)合必須使用IT 系統(tǒng)，例如冶金、化工、礦山、鐵路和重要醫(yī)療場(chǎng)所。但I(xiàn)T系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)絕緣接地故障時(shí)必須及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出來(lái)，否則IT 系統(tǒng)將變成TN 和TI 系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。

在我國(guó)由于不了解 IT 系統(tǒng)，除在礦井、冶金企業(yè)、醫(yī)療、鐵路采用 IT 系統(tǒng)外，在建筑物電氣裝置配電中幾乎不采用IT 系統(tǒng)[1]。

1 絕緣監(jiān)測(cè)原理

IT 系統(tǒng)用的絕緣監(jiān)測(cè)方法：

(1)向IT 供電系統(tǒng)注入設(shè)定初始頻率的低頻脈沖信號(hào)，利用該信號(hào)采并測(cè)量供電系統(tǒng)對(duì)地的電阻和電容；

(2)根據(jù)計(jì)算得到的電阻和電容值大小，自適應(yīng)地調(diào)整信號(hào)頻率，并以調(diào)整后的頻率向不接地供電系統(tǒng)注入交流信號(hào)；

(3)利用新的信號(hào)，測(cè)量供電系統(tǒng)對(duì)地電容值和電容值，根據(jù)計(jì)算的電容值進(jìn)一步調(diào)整測(cè)量信號(hào)的頻率，直到測(cè)得的電阻值滿(mǎn)足限定的精度要求。

根據(jù)圖1 所示可以更直觀(guān)地看到，對(duì)于IT 系統(tǒng)常用的絕緣檢測(cè)儀，通常采用外部注入，等效計(jì)算絕緣電阻的方式來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。

圖1 自適應(yīng)低頻脈沖注入法原理圖

圖中脈沖發(fā)生器G 產(chǎn)生低頻可變低頻脈沖，注入IT 系統(tǒng)后，通過(guò)接地線(xiàn)PE 流回絕緣檢測(cè)儀構(gòu)成回路，經(jīng)過(guò)低通濾波器和采樣電阻Rm 后采樣計(jì)算，就可以得到系統(tǒng)的絕緣電阻。根據(jù)回路電壓法，其中注入脈沖的高電平時(shí)計(jì)算公式為[2]：

Im為流經(jīng)采樣電阻的電流，R是分壓電阻，VDC為系統(tǒng)中流過(guò)的直流分量，VG為脈沖電壓。當(dāng)計(jì)算低電平注入脈沖時(shí)，與正向相同，改變VG的正負(fù)即可，則當(dāng)兩式相減化簡(jiǎn)后得到的絕緣電阻為：

若是在波形上任取兩個(gè)點(diǎn)t1、t2得到V1、V2代入電容充電公式為：

即可得到系統(tǒng)絕緣電容：

同樣的，在交流供電系統(tǒng)中，也可以使用同樣的測(cè)量方式計(jì)算，如圖2 所示，這里對(duì)原理圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，便于理解。

圖2 脈沖注入法簡(jiǎn)化原理圖

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

式中，Z為系統(tǒng)對(duì)地的絕緣總阻抗，其中絕緣阻抗電壓Uf,流經(jīng)總線(xiàn)的脈沖電流Ig，脈沖電壓Ug,在公式中分別對(duì)應(yīng)其各自的矢量值。可將采樣電阻Rs和分壓電阻設(shè)定值相等都為Ri,把絕緣電容Cf定義后，式(8)還可以寫(xiě)成。

其中，ω為注入信號(hào)的角頻率。雖然，交流阻抗的計(jì)算要比直流系統(tǒng)絕緣電阻的計(jì)算要復(fù)雜，但是從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，依然屬于低頻脈沖注入法，所以仍可以使用相同的公式(3)。下面將介紹絕緣檢測(cè)儀各個(gè)模塊[3]。

2 模塊分層介紹

利用DSP 產(chǎn)生一定頻率的PWM 方波，通過(guò)信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生±7.5V 低頻方波信號(hào)。信號(hào)注入IT 系統(tǒng)中，經(jīng)由PE 線(xiàn)路返回形成回路，得到反饋信號(hào)。

再經(jīng)由采樣電路處理后得到的壓流模擬信號(hào)，再由DSP內(nèi)算法處理得到IT 系統(tǒng)內(nèi)絕緣阻值。信號(hào)與設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)絕緣電阻經(jīng)對(duì)比后，最后傳到通信模塊使繼電器斷開(kāi)報(bào)警。

信號(hào)濾波：采用多路反饋MFB 五階低通濾波器作為預(yù)采集，包括兩個(gè)電壓跟隨器。還加入了一個(gè)軌對(duì)軌通用雙通道濾波器芯片LTC1067I，用作精密采樣，與前級(jí)系統(tǒng)作為反饋形成回路。

2.1 五階低通濾波預(yù)采集

V+和V-端口是經(jīng)過(guò)耦合分壓電路的模塊，經(jīng)過(guò)緩沖器后得到V1V2 兩路采樣保持電壓。此處流出的電壓V1V2 應(yīng)為0.98 倍的V+和V-增益。

輸入圖4 中經(jīng)耦合與CMOS 開(kāi)關(guān)控制后由D2 端口進(jìn)入，經(jīng)OPA1IC 模塊的放大器A 緩沖后輸出V5 去濾波，另一路經(jīng)由一個(gè)五階雙運(yùn)放采樣電路輸出V3 得到采樣電壓[4]。

圖4 五階低通濾波預(yù)采集原理圖

2.2 濾波與預(yù)采樣波形分析

濾波器前后波形電壓較為平穩(wěn)，無(wú)明顯諧振和失真，器件選型的抗噪能力也比較強(qiáng)，相應(yīng)的，濾波器的高增益和高品質(zhì)因數(shù)也有很大體現(xiàn)。

當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)五階低通濾波器之后，得到會(huì)有較大程度的衰減，電壓只能維持在±700mV 之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到主控板的測(cè)量精度和測(cè)量范圍，于是便在圖4 中加入PWM 抬升電路。最后便得到了可以觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)模型[5]。

2.3 參考電壓采樣

AREF 端口為采樣板的電壓參考端口，根據(jù)所有測(cè)量電壓V1、V2、V3 和V4 之和，以及后面的精密采樣模式得到了如圖5 的參考電壓圖。

圖5 參考電壓波形圖

當(dāng)開(kāi)始預(yù)采樣時(shí)，經(jīng)過(guò)3.8ms 之后，模擬參考電壓就會(huì)來(lái)到一個(gè)穩(wěn)定的8.9V，在主控板調(diào)節(jié)中，將此參數(shù)設(shè)置為“1”。

2.4 抬升電路與采樣電壓

使用中心頻率為100HzPWM 波控制電壓抬升電路得到了較為平緩的正弦交流抬升電壓，可將其穩(wěn)定控制在±2.8V 之內(nèi)。

濾波電壓與抬升電壓經(jīng)過(guò)反相加法電路可以得到電壓穩(wěn)定在±1.5V 之內(nèi)的采樣電壓。

3 絕緣監(jiān)測(cè)采樣仿真

3.1 絕緣監(jiān)測(cè)采樣電壓流程圖

根據(jù)前文，我們知道IT 系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)儀都是兩相多次測(cè)量，所以在主控板程序中需要先進(jìn)行一次預(yù)采集，得到絕緣電容C。再進(jìn)行采樣電壓的采集，才能有效且精準(zhǔn)地得到采樣電壓，進(jìn)而求出系統(tǒng)的絕緣電阻[6]。

首先，根據(jù)圖6，初始化后，當(dāng)?shù)谝淮晤A(yù)采集時(shí)可以得到系統(tǒng)設(shè)定絕緣電容，即為采集開(kāi)始標(biāo)志。然后，分別在正負(fù)相時(shí)多次采集電壓，提高準(zhǔn)確性。然后再計(jì)算絕緣電阻和分布電容。

圖6 絕緣監(jiān)測(cè)采樣電壓流程圖

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)流程圖和預(yù)采樣原理圖，對(duì)其原理圖在Multisim中進(jìn)行模擬仿真。得到的仿真數(shù)據(jù)和參數(shù)再導(dǎo)入Matlab 中仿真計(jì)算。

現(xiàn)在的IT 系統(tǒng)所使用的絕緣監(jiān)測(cè)方法均為交流脈沖注入法。以此為根據(jù)，我采用了LMS 自適應(yīng)濾波算法，加入文中所采用的參數(shù)以及數(shù)據(jù)，脈沖注入由主控板分擔(dān)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)為表1。

表1 絕緣電阻采樣仿真對(duì)比圖

此外采用文中的濾波模式及脈沖注入相結(jié)合，得到了反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于3s 的測(cè)量時(shí)間，這與傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)儀大概5s 的反應(yīng)時(shí)間比起來(lái)，得到了質(zhì)的提升[7]。

未接入IT 系統(tǒng)，脈沖為8.5V，100Hz。

4 結(jié)論

IT 系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)采樣設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)是一項(xiàng)較為前沿的技術(shù)，因?yàn)镮T 系統(tǒng)只在一些鐵路和醫(yī)療方面的應(yīng)用得到認(rèn)可，所以文中的設(shè)計(jì)仍有很大的不足。在實(shí)際的測(cè)量中需要考慮的噪音和諧振等眾多因素，甚至IT 系統(tǒng)在計(jì)算中不需要零序電壓，也是在流程中需要考慮的一部分。優(yōu)點(diǎn)：（1）較為新型的濾波采樣模塊，在自適應(yīng)測(cè)量中不常見(jiàn)，但是測(cè)量精度高；（2）研究中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間有些冗余，自適應(yīng)濾波算法可以大力縮減反應(yīng)時(shí)間；（3）與普通的脈沖注入法有比較大的相同之處，但在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了采樣模塊；（4）本文在理論上進(jìn)行了創(chuàng)新，在實(shí)際應(yīng)用上也得到了發(fā)展；（5）在對(duì)一些大功率或者大電壓的系統(tǒng)中仍有較為可觀(guān)的測(cè)量精度，與此同時(shí)，這也是本文中設(shè)計(jì)以后要攻破的方向。