一种应用于交流IT系统的高精度绝缘监测仪设计

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关键词: 摘要:本文提出一种基于交流IT的绝缘监视装置的设计。该仪表采用的软硬件测量和处理方式综合性能较高,测量范围广(0-999...
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  • 摘要:本文提出一种基于交流IT的绝缘监视装置的设计。该仪表采用的软硬件测量和处理方式综合性能较高,测量范围广(0-999K) ,测量精度高(-20-65℃空气湿度95%的条件下精度均能控制在3%范围内) ,这是传统仪表所不具备的 。

引言

   在一些重要的工业场所(如:矿井 、玻璃厂和某些集会场所的安全照明,某些电炉的试验设备,冶金厂和化工厂等) ,意外断电会造成人员伤亡和重大的财产损失,因此需采用安全性和可靠性较高的IT系统供电 。在IT系统中,随着时间的推移 ,系统对地的绝缘程度下降,当出现第一点接地故障时,IT系统仍能正常运行 ,但此时IT系统已存在安全隐患,如果再出现不同相上的第二点接地故障,将会产生很大的短路电流 ,造成前端的断路器脱扣,致使系统出现断电事故。根据(JGJ 16-2008)《民用建筑电器设计规范》第7.2.3条规定, IT配电系统必须配备绝缘监视仪。在系统出现第一点接地故障时 ,装置产生警告或报警信息 ,及时提醒维修人员对系统进行故障排查,短时间内无需跳闸,从而保证了IT系统供电的可靠性和连续性 。

   国外对电力系统监测与故障诊断技术的研究始于20世纪60年代 ,各个发达国家都很重视,但到了20世纪七八十年代,随着传感器技术 、信号采集技术、数字分析技术和计算机技术的发展与应用 ,在线诊断技术才得到迅速发展 。传统的测量方法有平衡电桥法、差流检测法以及555定时器测量电阻法等。这些测量方法都有各自的优势,但由于应用场所的不同以及受现场环境的影响,上述测量方式还存在着可靠性不足 、测量范围较窄和测量精度不高等缺点 。针对这些问题 ,本文提出一种基于交流IT的绝缘监视装置的设计:硬件上采用STM32内置的12位A-D采样、四阶低通滤波电路和128x32液晶显示,软件上采用软件滤波和最小二乘法求斜率与偏移量。最大限度的提高了测量精度(3%)、测量范围(0—999K),并且在不同环境都能满足精准监测的需求。

绝缘监测仪工作原理  

绝缘监测仪的工作原理如图1所示:

图1:绝缘监测仪工作原理

   图中R1为分压电阻,Rf是绝缘监测仪监测的对象—系统对地电阻 ,电源端的带电导体不接地,只作设备外壳的保护接地 。正常情况下,系统与地是绝缘的 ,此时Rf等效于无穷大;当系统出现绝缘故障时 ,如系统导线与外壳直接接触,则导致系统与地直接连接,此时的Rf等效于0。绝缘监测仪向系统注入直流信号 ,经过Rf进入绝缘监测仪,构成一个闭合回路,通过简单的欧姆定律即可算出Rf的大小。该测量原理简单可靠 ,适用于不含直流分量的IT系统,又因采用直流信号可以有效的避免系统电容造成的影响,使其测量的阻抗具有较高的准确度 ,可以很好地反映系统的绝缘性能 。

硬件设计

   本设计中,中央处理模块选用ST公司生产的32位ARM cortex-M3内核的芯片(STM32F103RBT6),该芯片处理速度快 ,主频可达72MHz,并且具有丰富的片内外围资源,内部具有20KB的片内SRAM和多达64KB的FLASH闪存 ,带有多通道的12位A-D转化模块 ,以及多个SPI 、IIC、CAN等通讯接口,大大简化了外围电路的设计。

   该仪表除了最基本的测量系统对地电阻外,自带两路继电器输出 ,采用128x32液晶模块作为人机接口,带有RS 485通讯,遵循Modbus-协议 ,有预警报警功能,各个参数可以自行设定。

   本装置硬件功能模块主要包括电源模块、信号注入模块 、信号测量模块、人机接口、铁电存储模块 、通讯模块和开关量输出模块等组成 。硬件框图如图2所示:

图2:绝缘监测仪硬件模块设计

1 信号测量电路

   在交流IT系统中,具有不同电压等级 ,如400V和760V(更高电压等级的需要配合高压耦合器使用) 。因此绝缘监测仪内部需要具有满足这些不同电压等级的降压电路。绝缘监测仪上电之后,信号注入模块会持续注入一个特定的直流电压到被监测系统中,系统测量的是R1、R2、Rf的和 ,由于R1 、R2的值是已知的,所以只要减去R1 、R2,即可求出Rf。测量电路如图3所示:

图3. 信号测量电路

2 滤波放大电路

   在实际的电力系统中 ,由于高频信号的存在 ,可能会对信号采样造成干扰,所以要对采样信号进行滤波处理,该设计采用四阶低通滤波电路 ,电路截止特性好,曲线的衰减率陡,同时提高了测量准确度 ,滤波电路如图4所示:

图4:四阶低通滤波电路

由于此电路由两个相同二阶电路组成,因此只需分析一个即可 。对第一个二阶电路:当频率f=0时,C1和C6均开路 ,通带放大倍数

          (1)

设R6、C6和R7相交的点为M,输入电压信号为Ui,输出电压信号为Uo。根据放大器虚短虚断,对M点列电流方程:

(2)

其中

       (3)

解上面两个方程可得:

  (4)

对比压控电压源二阶低通滤波电路模型可得:

    (5)

式中 ,f0表示截止频率,代入数据得f0 ≈2.567Hz,该滤波器允许频率低于f0的波形通过,大于该频率的波形将会不同程度的衰减。

   下面针对该电路进行仿真 。输入是一个杂波 ,其输入含有直流信号 ,高频信号。其波形如图5所示:

图5:输入波形

   从图5可以看出,除了我们注入的直流波形外,还有一些高频杂波信号 ,经过滤波电路之后,波形如图6所示:

图6:滤波之后的波形

   对比图5和图6,高频杂波信号被滤除 ,滤波效果良好达到试验预期要求。

2.3 自检电路

   根据IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备》第8部分:IT系统中绝缘监控装置第4.2规定,绝缘监视装置应包括一个测试装置或装有测试装置,以测试该绝缘监控装置是否能完成其功能 。

图7:最小二乘法进行线性拟合示意

   针对这个要求 ,在仪表内部设计了自检电路,且内置了高精度电阻R2。如图7所示。当起动自检时,继电器动作 ,在测试电路中取样信号Sample和self-inspection之间作了切换 。自检的目的是为了模拟正常的信号,测试装置是否能测量出内置电阻阻值,并且发出自检正常信息。

软件设计

   绝缘监测仪采用结构化程序设计思想 ,采用C语言进行编写。装置在上电时对内部时钟和所需要的外设进行初始化 ,然后开始读取存储在铁电中出厂调试的校准参数,校准系数存放在铁电存储器中,无须担心掉电导致数据丢失 。当装置自检了所有电路时 ,开始进入正常的监控模式 。程序流程图如图8所示:

图8:软件处理流程图

  1.最小二乘法进行线性拟合

   理想情况下,绝缘监测装置在整个测量范围内都应该是线性的,但由于电路内部元器件参数的差异 ,电阻测量值可能成曲线分布,此时需要用最小二乘法找出某个范围内最接近校准点的直线。最小二乘法线性拟合示意图如图9所示:

图9:最小二乘法进行线性拟合示意

若已知:y= ax + b,则方程为

   把坐标值代入 ,求得系数a和b,并将系数保存起来,当求另一点纵坐标时 ,只需代入各参数即可。对于此监测仪,图中各点代表各校准点,代入数据即可求得斜率与0偏移量 。传统方式多是求关于两点的斜率和偏移值 ,这样测量精度就比较低。具体对比如图10所示:

图10:示意图

1-理想仪表曲线 2-本文介绍仪表线性曲线 3-某市售仪表线性曲线

   由图9可以看出 ,该仪表所采用的最小二乘法所得出的线性曲线更接近于理想曲线。

2.数字滤波算法

   在工业IT配电系统中,多数用电设备会产生很多的干扰信号,因此装置需要滤除信号中的噪声干扰 ,让需要的信号参与结果运算 。绝缘监测仪在采集了数据之后,通过内部数字滤波算法滤除掉噪声干扰,再计算出绝缘电阻的大小。在此采用中位值平均滤波法 ,其基本过程是:首先对数据进行由大到小排序(冒泡法),去掉最小和最大的几个值,保留中间的那些值(中位值滤波法)。如此进行几次运算 ,取这几次的平均值即可 。(平均值滤波法)

试验结果

   绝缘监测仪已通过相关的型式试验,包括电气性能试验和电磁兼容(EMC)试验。性能参数皆超过国际标准要求。在60℃的温度下,绝缘监测仪测得的数据与标准的阻值 、某市售仪表的对比如下表所示 。

表  60℃(空气湿度95%)对比

   根据IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备》第8部分:IT系统中绝缘监控装置第4.6表1规定 ,相对不确定度必须在±15%以内。由上表可是,555定时器法测量误差波动范围比较大,高准确度仪表显示误差均保持在3%以内 ,测量精度明显高于该仪表 ,因而在不同环境中的使用效果更为稳定、可靠。

结束语

   由于IT系统的安全性和供电连续性好,所以在国内有良好的发展前景,其安全性和连续性都是建立在实时对其监测的基础上 。然而市售的绝缘监测仪表种类少 ,测量范围窄,在不同环境下的测量精度不一致 。针对这种情况,设计了高精度的绝缘监测仪。该仪表采用的软硬件测量和处理方式综合性能较高 ,测量范围广(0-999K),测量精度高(-20-65℃空气湿度95%的条件下精度均能控制在3%范围内),这是传统仪表所不具备的。

文章来源:《电气应用》2015年8期 。

参考文献

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Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part8:Insulation monitoring devices for IT systems

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