胡月華1 ，楊帥2

（1.武漢科技大學(xué)，武漢 430081；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

    摘要：在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了信號發(fā)生器的硬件和軟件設(shè)計。基于本設(shè)計的產(chǎn)品已通過試驗檢驗，可應(yīng)用于IT系統(tǒng)中，為應(yīng)用場所提供安全可靠的供電解決方案。

    0 引言

    IT系統(tǒng)一旦出現(xiàn)單點接地故障就會變?yōu)門N-S系統(tǒng)，雖然可以帶故障繼續(xù)運行，但已失去IT系統(tǒng)的優(yōu)點，增加了安全隱患，因此需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的對地絕緣狀況，并能通過儀表自動定位故障點支路，否則，一旦出現(xiàn)故障，只能依靠人工來實現(xiàn)絕緣故障點的定位查找，不僅費時費力，而且破壞了供電連續(xù)性。為此，本文設(shè)計了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器（以下簡稱信號發(fā)生器），它裝設(shè)于IT系統(tǒng)中，配合絕緣故障定位裝置實現(xiàn)絕緣故障定位功能。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時，信號發(fā)生器啟動并產(chǎn)生定位信號，注入到IT系統(tǒng)與地之間。絕緣故障定位裝置通過傳感器逐路巡檢，當(dāng)檢測到定位信號流經(jīng)某支路時，便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時，操作人員可有目地的針對該故障支路進(jìn)行斷電或其它保護(hù)操作，不必逐條支路斷電進(jìn)行排查，從而提高了工作效率，保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。

    1 信號發(fā)生器原理

    信號發(fā)生器工作原理：IT系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時，輪流在系統(tǒng)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(jiān)測到定位信號。信號發(fā)生器原理如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生器原理圖

    在IT系統(tǒng)中，注入的測試信號有效值必須足夠小，以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾，，甚至對系統(tǒng)負(fù)載造成危害；但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(jiān)測。

    考慮以上兩種情況后，本文采用脈沖信號作為測試信號。脈沖信號幅度足夠大、寬度足夠窄，就可實現(xiàn)足夠小的有效值、足夠大的峰值兩個期望目標(biāo)。從簡化設(shè)計的角度出發(fā)，沒必要在信號發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號，可通過截取IT系統(tǒng)中交流信號的波峰來實現(xiàn)。

    對于單相交流IT系統(tǒng)， L1、L2線間電壓為AC 220V，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(biāo)準(zhǔn)IEC61557-9的“定位信號電壓的有效值不允許超過50V”的規(guī)定，將電壓閾值設(shè)為50V。據(jù)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）為：

    當(dāng)交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度為：

    當(dāng)交流電壓為60Hz時，脈沖寬度為：

    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，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V，因此其有效值一定會小于設(shè)定的閾值(50V)，滿足脈沖有效值足夠小的要求。

    2 硬件設(shè)計

    信號發(fā)生器的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控制模塊、監(jiān)測模塊、信號發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設(shè)計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計原理框圖

    信號發(fā)生器上電后，CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實時監(jiān)測，測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，信號發(fā)生器根據(jù)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(tǒng)波峰，產(chǎn)生測試信號，輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發(fā)生絕緣故障，故障支路可等效為一較小電阻，連接IT系統(tǒng)發(fā)生故障的線路以及大地，形成電流回路，因此測試信號能在故障支路上產(chǎn)生測試電流。絕緣故障定位儀逐路巡檢各支路時，在某支路上監(jiān)測到此測試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設(shè)計中，中央控制模塊選用ST的32位ARM -M3內(nèi)核單片機STM32F103。該芯片處理速度快，最高運行速度可達(dá)72MHz；具有豐富的片內(nèi)外圍資源，內(nèi)部有20KB的片內(nèi)RAM和多達(dá)64KB的FLASH閃存，帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)化模塊，以及多個SPI、C、CAN等通信接口，大大簡化了外圍電路的設(shè)計。

    3 軟件設(shè)計

    信號發(fā)生器的控制程序由C語言編寫，在程序設(shè)計中采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，便于程序代碼的維護(hù)、移植和升級。系統(tǒng)上電后，首先完成各模塊的初始化和自檢，確保系統(tǒng)工作的可靠性；然后確定系統(tǒng)中各部分硬件電路正常后，自動進(jìn)入正常工作模式。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

    為了保障信號發(fā)生器運行準(zhǔn)確與可靠，保證設(shè)備不會誤動，軟件上采用了特定的程序算法進(jìn)行處理。

    （1）數(shù)字濾波算法。信號發(fā)生器采用數(shù)字濾波算法濾除信號中諧波、噪聲等干擾，只讓有用的信號參與結(jié)果運算，從而使計算的結(jié)果更加精確可靠。

    （2）IT系統(tǒng)交流頻率自適應(yīng)法。因為工作環(huán)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(jiān)測模塊實時監(jiān)測IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測模塊將比較L1、L2線間的電壓，UL1＞UL2和UL1＜UL2的時間分別記為t1和t2。因為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(xiàn)象。如果t1+t2=20ms（即系統(tǒng)交流頻率為50Hz），出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障時，就可在與之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在與之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

    如圖4所示，在系統(tǒng)電壓的每個周期，信號發(fā)生器截取2次脈沖，分別在L1-L2的正半波波峰處（圖4中第二行），以及L1-L2的負(fù)半波波峰處（圖4中第三行）。若故障點在L1線上，則在L1-L2的負(fù)半波波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到；若故障點在L2線上，則在L1-L2的正半波波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到。

圖4 L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

    如果t1+t2=10ms，考慮到脈沖有效值小于50V的需求，那么可以不用每個周期截取2次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負(fù)半波），而選擇每兩個周期截取兩次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負(fù)半波）。其它頻率依次類推即可。

    定位信號發(fā)生器實物如圖5所示，它采用DC 24V供電，面板上有“運行”、“通訊”以及“測試”LED指示燈顯示工作狀態(tài)。

圖5 信號發(fā)生器實物圖

    當(dāng)IT配電系統(tǒng)無故障運行時，信號發(fā)生器自動監(jiān)測系統(tǒng)頻率。當(dāng)IT配電系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時，信號發(fā)生器產(chǎn)生測試脈沖信號，配合絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀定位故障支路。

    信號發(fā)生器已通過型式試驗檢驗，各項指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，目前已成功應(yīng)用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室，如圖6所示。通過通信線路，絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀和信號發(fā)生器構(gòu)成一個局域網(wǎng)絡(luò)。信號發(fā)生器上電后自動進(jìn)入監(jiān)測模式，監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當(dāng)絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，通過通信線路，啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀，進(jìn)入信號發(fā)生模式和故障定位模式。

圖6 某醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室IT系統(tǒng)應(yīng)用圖

    在實際工程應(yīng)用中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖7所示。

圖7 信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形圖

    由圖7可知，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的偏小（圖中正弦波形為系統(tǒng)電壓，作為比照），但還是滿足絕緣故障定位要求。在絕緣故障定位儀端監(jiān)視到的波形，經(jīng)過濾波等預(yù)處理操作后，如圖8所示。

圖8 絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形

    由圖8可知，監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高，形成一個明顯的落差。通過設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝担�配合脈沖寬度等條件，可準(zhǔn)確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(jiān)測到故障支路后，絕緣故障定位儀顯示故障支路數(shù)，同時通過通信線路，將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀收到信息后立即報警，通過界面顯示故障支路數(shù)，同時命令信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)出信號和故障定位，信號發(fā)生器再次進(jìn)入監(jiān)測模式。

    在現(xiàn)場對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，模擬絕緣故障100次，絕緣故障定位率為100%，這充分證明了該信號發(fā)生器的可行性。

    4 結(jié)束語

    本文設(shè)計的信號發(fā)生器具有自適應(yīng)IT系統(tǒng)頻率，注入高峰值、低有效值脈沖波形，多系統(tǒng)組網(wǎng)等功能，并可通過面板指示燈顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。該信號發(fā)生器符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，配合絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀，能為IT系統(tǒng)提供安全、可靠的供電解決方案。

    參考文獻(xiàn)

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