一種應用於交流IT係統的高精度絕緣監測儀設計

引言

在一些重要的工業(ye) 場所（如：礦井、玻璃廠和某些**場所的**照明，某些電爐的試驗設備，冶金廠和化工廠等），意外斷電會(hui) 造**員傷(shang) 亡和重大的財產(chan) 損失，因此需采用**性和可靠性較高的IT係統供電。在IT係統中，隨著時間的推移，係統對地的絕緣程度下降，當出現點接地故障時，IT係統仍能正常運行，但此時IT係統已存在**隱患，如果再出現不同相上的**點接地故障，將會(hui) 產(chan) 生很大的短路電流，造成前端的斷路器脫扣，致使係統出現斷電事故。根據（JGJ 16-2008）《民用建築電器設計規範》第7.2.3條規定， IT配電係統配備絕緣監視儀(yi) 。在係統出現點接地故障時，裝置產(chan) 生警告或報警信息，及時提醒維修人員對係統進行故障排查，短時間內(nei) 無需跳閘，從(cong) 而保證了IT係統供電的可靠性和連續性。

國外對電力係統監測與(yu) 故障診斷技術的研究始於(yu) 20世紀60年代，各個(ge) 發達國家都很重視，但到了20世紀七八十年代，隨著傳(chuan) 感器技術、信號采集技術、數字分析技術和計算機技術的發展與(yu) 應用，在線診斷技術才得到迅速發展 。傳(chuan) 統的測量方法有平衡電橋法、差流檢測法以及555定時器測量電阻法等。這些測量方法都有各自的優(you) 勢，但由於(yu) 應用場所的不同以及受現場環境的影響，上述測量方式還存在著可靠性不足、測量範圍較窄和測量精度不高等缺點。針對這些問題，本文提出一種基於(yu) 交流IT的絕緣監視裝置的設計：硬件上采用STM32內(nei) 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小二乘法求斜率與(yu) 偏移量。限度的提高了測量精度（3%）、測量範圍（0—999K）,並且在不同環境都能滿足精準監測的需求。

絕緣監測儀(yi) 工作原理  一種應用於(yu) 交流IT係統的高精度絕緣監測儀(yi) 設計

絕緣監測儀(yi) 的工作原理如圖1所示： 

圖1：絕緣監測儀(yi) 工作原理

圖中R1為(wei) 分壓電阻，Rf是絕緣監測儀(yi) 監測的對象—係統對地電阻，電源端的帶電導體(ti) 不接地，隻作設備外殼的保護接地。正常情況下，係統與(yu) 地是絕緣的，此時Rf等效於(yu) 無窮大；當係統出現絕緣故障時，如係統導線與(yu) 外殼直接接觸，則導致係統與(yu) 地直接連接，此時的Rf等效於(yu) 0。絕緣監測儀(yi) 向係統注入直流信號，經過Rf進入絕緣監測儀(yi) ，構成一個(ge) 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，適用於(yu) 不含直流分量的IT係統，又因采用直流信號可以的避免係統電容造成的影響，使其測量的阻抗具有較高的準確度，可以很好地反映係統的絕緣性能。

硬件設計一種應用於(yu) 交流IT係統的高精度絕緣監測儀(yi) 設計

   本設計中，中央處理模塊選用ST公司生產(chan) 的32位ARM cortex-M3內(nei) 核的芯片（STM32F103RBT6），該芯片處理速度快，主頻可達72MHz，並且具有豐(feng) 富的片內(nei) 外圍資源，內(nei) 部具有20KB的片內(nei) SRAM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(ge) SPI、IIC、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設計。

該儀(yi) 表除了基本的測量係統對地電阻外，自帶兩(liang) 路繼電器輸出，采用128x32液晶模塊作為(wei) 人機接口，帶有RS 485通訊，遵循Modbus-RTU協議，有預警報警功能，各個(ge) 參數可以自行設定。一種應用於(yu) 交流IT係統的高精度絕緣監測儀(yi) 設計

   本裝置硬件功能模塊主要包括電源模塊、信號注入模塊、信號測量模塊、人機接口、鐵電存儲(chu) 模塊、通訊模塊和開關(guan) 量輸出模塊等組成。硬件框圖如圖2所示：

圖2：絕緣監測儀(yi) 硬件模塊設計

1 信號測量電路

在交流IT係統中，具有不同電壓等級，如400V和760V（更高電壓等級的需要配合高壓耦合器使用）。因此絕緣監測儀(yi) 內(nei) 部需要具有滿足這些不同電壓等級的降壓電路。絕緣監測儀(yi) 上電之後，信號注入模塊會(hui) 持續注入一個(ge) 特定的直流電壓到被監測係統中，係統測量的是R1、R2、Rf的和，由於(yu) R1、R2的值是已知的，所以隻要減去R1、R2，即可求出Rf。測量電路如圖3所示： 

圖3. 信號測量電路

2 濾波放大電路

在實際的電力係統中，由於(yu) 高頻信號的存在，可能會(hui) 對信號采樣造成幹擾，所以要對采樣信號進行濾波處理，該設計采用四階低通濾波電路，電路截止特性好，曲線的衰減率陡，同時提高了測量準確度，濾波電路如圖4所示：

圖4：四階低通濾波電路

由於(yu) 此電路由兩(liang) 個(ge) 相同二階電路組成，因此隻需分析一個(ge) 即可。對個(ge) 二階電路：當頻率f=0時，C1和C6均開路，通帶放大倍數

                                              (1)  

設R6、C6和R7相交的點為(wei) M,輸入電壓信號為(wei) Ui，輸出電壓信號為(wei) Uo。根據放大器虛短虛斷，對M點列電流方程：

 (2)

其中 

            (3)

解上麵兩(liang) 個(ge) 方程可得：

 (4)

對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,代入數據得f0 ≈2.567Hz，該濾波器允許頻率低於(yu) f0的波形通過，大於(yu) 該頻率的波形將會(hui) 不同程度的衰減。

    下麵針對該電路進行仿真。輸入是一個(ge) 雜波，其輸入含有直流信號，高頻信號。其波形如圖5所示：

圖5：輸入波形

    從(cong) 圖5可以看出，除了我們(men) 注入的直流波形外，還有一些高頻雜波信號，經過濾波電路之後，波形如圖6所示： 

圖6：濾波之後的波形

    對比圖5和圖6，高頻雜波信號被濾除，濾波效果良好達到試驗預期要求。

2.3 自檢電路

    根據IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電係統中的電氣**防護措施的試驗、測量和監控設備》第8部分:IT係統中絕緣監控裝置第4.2規定，絕緣監視裝置應包括一個(ge) 測試裝置或裝有測試裝置連接器，以測試該絕緣監控裝置是否能完成其功能。

圖7：小二乘法進行線性擬合示意

針對這個(ge) 要求，在儀(yi) 表內(nei) 部設計了自檢電路，且內(nei) 置了高精度電阻R2。如圖7所示。當起動自檢時，繼電器動作，在測試電路中取樣信號Sample和self-inspection之間作了切換。自檢的目的是為(wei) 了模擬正常的信號，測試裝置是否能測量出內(nei) 置電阻阻值，並且發出自檢正常信息。

軟件設計

    絕緣監測儀(yi) 采用結構化程序設計思想，采用C語言進行編寫(xie) 。裝置在上電時對內(nei) 部時鍾和所需要的外設進行初始化，然後開始讀取存儲(chu) 在鐵電中出廠調試的校準參數，校準係數存放在鐵電存儲(chu) 器中，無須擔心掉電導致數據丟(diu) 失。當裝置自檢了所有電路時，開始進入正常的監控模式。程序流程圖如圖8所示：

圖8：軟件處理流程圖

    1.小二乘法進行線性擬合

理想情況下，絕緣監測裝置在整個(ge) 測量範圍內(nei) 都應該是線性的，但由於(yu) 電路內(nei) 部元器件參數的差異，電阻測量值可能成曲線分布，此時需要用小二乘法找出某個(ge) 範圍內(nei) 接近校準點的直線。小二乘法線性擬合示意圖如圖9所示：

圖9：小二乘法進行線性擬合示意

若已知：y= ax + b，則方程為(wei)  

    把坐標值代入，求得係數a和b，並將係數保存起來，當求另一點縱坐標時，隻需代入各參數即可。對於(yu) 此監測儀(yi) ，圖中各點代表各校準點，代入數據即可求得斜率與(yu) 0偏移量。傳(chuan) 統方式多是求關(guan) 於(yu) 兩(liang) 點的斜率和偏移值，這樣測量精度就比較低。具體(ti) 對比如圖10所示：

圖10：示意圖

1-理想儀(yi) 表曲線 2-本文介紹儀(yi) 表線性曲線 3-某市售儀(yi) 表線性曲線

    由圖9可以看出，該儀(yi) 表所采用的小二乘法所得出的線性曲線更接近於(yu) 理想曲線。

   2.數字濾波算法

在工業(ye) IT配電係統中，多數用電設備會(hui) 產(chan) 生很多的幹擾信號，因此裝置需要濾除信號中的噪聲幹擾，讓需要的信號參與(yu) 結果運算。絕緣監測儀(yi) 在采集了數據之後，通過內(nei) 部數字濾波算法濾除掉噪聲幹擾，再計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：      

首先對數據進行由大到小排序（冒泡法），去掉小和的幾個(ge) 值，保留中間的那些值（中位值濾波法）。如此進行幾次運算，取這幾次的平均值即可。（平均值濾波法）

試驗結果

絕緣監測儀(yi) 已通過相關(guan) 的型式試驗，包括電氣性能試驗和電磁兼容（EMC)試驗。性能參數皆超過國際標準要求。在60℃的溫度下，絕緣監測儀(yi) 測得的數據與(yu) 標準的阻值、某市售儀(yi) 表的對比如下表所示。

表  60℃（空氣濕度95%）對比

 根據IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電係統中的電氣**防護措施的試驗、測量和監控設備》第8部分:IT係統中絕緣監控裝置第4.6表1規定，相對不確定度在±15%以內(nei) 。由上表可是，555定時器法測量誤差波動範圍比較大，高準確度儀(yi) 表顯示誤差均保持在3%以內(nei) ，測量精度明顯高於(yu) 該儀(yi) 表，因而在不同環境中的使用效果更為(wei) 穩定、可靠。

結束語

由於(yu) IT係統的**性和供電連續性好，所以在國內(nei) 有良好的發展前景，其**性和連續性都是建立在實時對其監測的基礎上。然而市售的絕緣監測儀(yi) 表種類少，測量範圍窄，在不同環境下的測量精度不一致。針對這種情況，設計了高精度的絕緣監測儀(yi) 。該儀(yi) 表采用的軟硬件測量和處理方式綜合性能較高，測量範圍廣（0-999K），測量精度高（-20-65℃空氣濕度95%的條件下精度均能控製在3%範圍內(nei) ），這是傳(chuan) 統儀(yi) 表所不具備的。 

文章來源：《電氣應用》2015年8期。

參考文獻

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作者簡介：

師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為(wei) 智能建築供配電監控係統

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