一種絕緣故障定位用信號發生器的設計與應用
楊帥¹  李興勤² 李平¹ 王長青¹
（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）

　　摘要：在隔離電源系統中，為防止由于多點接地而引發嚴重后果，需要實時對系統進行對地絕緣監測，并在監測到對地絕緣故障時，進行故障定位。本文在介紹絕緣定位用信號發生器的工作原理的基礎上，詳細闡述了信號發生器的硬件和軟件設計。本文中設計的產品已通過試驗檢驗，可應用于IT系統，為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。
　　關鍵詞：IT系統  信號發生器  故障定位
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，能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的針對該故障支路進行斷電或其它保護操作，不必逐條支路斷電進行排查，不僅提高了工作效率，也有效的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。
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所示發生原理。

圖1 信號發生器的發生原理

　　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，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]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，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。
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。

圖2 硬件設計原理框圖

        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。由于發生絕緣故障，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。
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。

圖3 軟件流程圖

　　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了諧波分量，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、噪聲等干擾的部分，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，工作電壓不一定就是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U_L1＞U_L2和U_L1＜U_L2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(t₁/2-0.2)ms與(t₁/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在(t₂/2-0.2)ms與(t₂/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

　圖4  L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

　　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。

圖5 某醫院重癥監護室IT系統應用圖

　　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，由圖可看出，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的偏小（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。

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

　　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。本文最后還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點參考。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。

文章來源：《智能建筑電氣技術》2014年 第1期

參考文獻：
[1] JGJ 16-2008 民用建筑電氣設計規范[S].
[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