一种绝缘故障定位用信号发生器的设计与应用

杨帅1 李兴勤2 李平1 王长青1

（1.安科瑞电气股份有限公司，上海 201801）

（2. 四川西南广厦建筑设计院有限公司，四川 成都 610042）

    摘要：在隔离电源系统中，为防止由于多点接地而引发严重后果，需要实时对系统进行对地绝缘监测，并在监测到对地绝缘故障时，进行故障定位。本文在介绍绝缘定位用信号发生器的工作原理的基础上，详细阐述了信号发生器的硬件和软件设计。本文中设计的产品已通过试验检验，可应用于IT系统，为应用场所提供安全可靠的供电解决方案。

    0 引言　　

   在IT系统中，单点接地故障是一种很常见的故障。一旦出现单点接地故障，IT系统就会变为TN-S系统，虽然可以带故障继续运行，但已经失去了IT系统的优点，增加了安全隐患。因此需要实时监测系统的对地绝缘状况，并在监测到对地绝缘故障时，能通过仪表自动定位故障点支路。若没有自动定位功能，一旦出现故障，只能依靠人工对多达数十条、数百条，乃至成千上万条负载支路逐条断电查找，不仅费时费力，更严重破坏了供电连续性。这在某些需要连续供电的特殊场所（如医院手术室等）是不允许的[1]。

    基于上述情况，本文设计了一种绝缘故障定位用信号发生器，它装设于IT系统中， 配合绝缘故障定位装置实现绝缘故障定位功能。当IT系统发生绝缘故障时，信号发生器启动并产生定位信号，注入到IT系统与地之间。绝缘故障定位装置通过传感器逐路巡检，当检测到定位信号流经某支路时，便可确定该支路为绝缘故障所在回路。此时，操作人员可有目的性的针对该故障支路进行断电或其它保护操作，不必逐条支路断电进行排查，不仅提高了工作效率，也有效的保障了系统供电的连续性。因此，对电力系统供电的安全性、连续性和可靠性具有极其重要的意义。

    1 信号发生原理

    信号发生器的工作原理是当IT系统发生单点接地故障时，轮流在系统某根线与大地之间注入定位信号，以便绝缘故障定位仪能在故障支路上监测到定位信号。常采用图1所示发生原理。

图1 信号发生器的发生原理

    在IT系统中，注入的测试信号的有效值必须足够小，以免对IT系统形成太大干扰或对系统负载造成危害；又要有足够大的峰值，以便在故障支路上形成足够大的电流，使故障定位仪的电流互感器能正常监测。

    考虑以上两种情况，本文采用脉冲信号作为测试信号。如果脉冲信号幅度足够大，宽度足够窄，则可以实现有效值足够小、峰值足够两个期望目标。从简化设计的角度出发，没有必要在信号发生器上直接产生高压脉冲信号，可以通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现。

    对于单项交流IT系统，两根线L1、L2间电压为AC220V，其峰值为，满足脉冲峰值足够大的要求。为满足有效值足够小的要求，本文依照标准IEC61557-9的“定位信号电压的有效值不允许超过50V”的规定，将电压阈值设为50V[2]。依此，可计算出脉冲宽度（由于脉冲宽度很小，为方便计算，可将此峰值脉冲视为幅度为]的矩形脉冲）。

当交流电压周期为50Hz时，脉冲宽度

当交流电压为60Hz时，脉冲宽度

    利用单片机的定时器功能，配合光耦，可以精确截取0.4ms的峰值脉冲。由于0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，并且实际截取的脉冲信号中，除波峰一点外，其余点幅度均小于，因此其有效值一定会小于设定的阈值50V，可以满足脉冲有效值足够小的要求。

    2 硬件设计

    本设计的硬件功能模块主要包括电源模块、中央控制模块、监测模块、信号发生模块、通信模块、指示灯模块。硬件设计原理框图如图2所示。

图2 硬件设计原理框图

    信号发生器上电后，CPU即通过监测模块对IT系统的电压进行实时监测，测量出IT系统的交流频率。当系统发生对地绝缘故障时，信号发生器根据测量出的频率大小，确定测试信号的脉冲宽度以及脉冲频率，截取系统波峰，产生测试信号，轮流加到L1-PE、L2-PE间。由于发生绝缘故障，故障支路可等效为一较小值电阻，连接IT系统发生故障的线以及大地，形成电流回路，测试信号能在故障支路上产生测试电流，绝缘故障定位仪逐路巡回监测各支路时，在某个支路上监测到此测试电流，即可判定此条支路为故障支路。本设计中，中央控制模块选用ST公司生产的32位ARM CortexTM-M3内核单片机STM32F103，该芯片处理速度快，最高运行速度可达72MHz。芯片具有丰富的片内和外围资源，片内RAM 20KB和FLASH闪存64KB，带有多通道的12位A/D转化模块，以及多个SPI、I2C、CAN等通讯接口，大大简化了外围电路的设计。

    3 软件设计

    信号发生器的控制程序用C语言编写完成，在程序设计中采用了结构化程序设计方法，便于程序代码的维护、移植和升级。系统上电后，首先完成各个模块的初始化和自检，确保系统工作的可靠性，然后确定系统中的各个部分硬件电路正常后，自动进入正常工作模式，系统主程序流程图如图3所示。

图3 软件流程图

    为了充分保证信号发生器运行的准确性与可靠性。软件上采用了特定的程序算法进行处理，主要包括：

    （1）数字滤波算法。随着电力系统的日渐复杂，电网中的谐波含量不断增加。信号发生器采集到的第一手信号中自然也包含了大量了谐波分量，以及其他一些噪声干扰。这些干扰如果不滤除，会给后续计算带来影响。为了避免这些影响，软件在采集到数据之后，采用了数字滤波算法进行处理，滤除掉信号中谐波、噪声等干扰的部分，只让有用的信号参与结果运算，从而使计算的结果更加精确可靠。

    （2）IT系统交流频率自适应法。因为工作环境的多样性，工作电压不一定就是50Hz，实际中的电压频率可能更高或更低，因此要通过监测模块实时监测IT系统的交流频率。监测模块将比较L1、L2两根线之间的电压，对UL1＞UL2和UL1＜UL2的情况分别计时，记为t1和t2。由于电压比较时存在一定的阈值电压，所以会存在t1＞t2或t2＞t1的现象。如果t1+t2=20ms，即系统交流频率为50Hz，如果此时出现系统对地绝缘故障，即可在(t1/2-0.2)ms与(t1/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲，在(t2/2-0.2)ms与(t2/2+0.2)ms之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。

图4 L1、L2间电压及截取的脉冲电压

    如图4所示，系统电压的每个周期，信号发生器截取两次脉冲，分别在L1-L2的正半波的波峰处（如图4第二行），以及L1-L2的负半波的波峰处（如图4第三行）。如果故障点发生在L1线上，则在L1-L2的负半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正，能被绝缘故障定位仪监测到；如果故障点发生在L2线上，则在L1-L2的正半波的波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正，能被绝缘故障定位仪监测到。

    如果t1+t2=10ms，考虑到脉冲有效值小于50V的需求，可以不用每个周期截取两次脉冲（L1-L2正半波，L1-L2负半波），而选择每两个周期截取两次脉冲（L1-L2正半波，L1-L2负半波）。其他频率依次类推即可。

    4 信号发生器在医疗IT绝缘监测及故障定位系统的应用

    基于本文设计的信号发生器，已成功应用于某医院重症监护室，系统应用如图5所示。通过通讯线路，将绝缘监测仪、绝缘故障定位仪和信号发生器构成一个局域网络。信号发生器上电后自动进入监测模式，监测IT系统的频率。当绝缘监测仪监测到IT系统发生对地绝缘故障时，通过通讯线路，启动信号发生器和绝缘故障定位仪，进入信号发生模式和故障定位模式。

图5 某医院重症监护室IT系统应用图

    在实际工程应用中，信号发生器产生的脉冲波形如图6所示，由图可看出，该波形存在大量的杂波干扰，峰值也较理论的 偏小（图6中正弦波形为系统电压，作为比照），但还是满足绝缘故障定位的要求的，在绝缘故障定位仪端监视到的波形，经过滤波等预处理操作之后，如图7所示。

图6 信号发生器产生的波形

图7 绝缘故障定位仪监测到的波形

    由图7可看出，监测到的脉冲波形比干扰波形要高的多，形成一个明显的落差，通过设定适当的阈值，配合脉冲宽度等条件，可以准确地判断出此支路是否有测试信号通过，即此支路是否有绝缘故障。

    监测到故障支路后，绝缘故障定位仪显示故障支路数，同时通过通讯线路，将故障支路信息返回给绝缘监测仪。绝缘监测仪立即报警，通过界面显示故障支路数，同时通过通讯线路，命令信号发生器和绝缘故障定位仪停止发生信号和故障定位，信号发生器再次进入监测模式。

    此次工程施工完成后，在现场对系统进行调试，模拟绝缘故障100次，绝缘故障定位率为100%。充分证明本设计在工程应用中是可行的。

    5 结语

    本文设计的绝缘故障定位用信号发生器，具有自适应IT系统频率，注入高峰值、低有效值脉冲波形等功能，并可以通过面板指示灯指示当前工作状态。基于本设计的产品符合相关国家标准的要求，并能为IT系统提供安全、可靠的供电解决方案。本文最后还对医院重症监护室的IT系统绝缘故障定位做了初步探讨，给医院建筑电气设计者提供一点参考。在应用中，不同工程的实际情况非常复杂，还会遇到许多新的问题，望同仁们进一步探讨。

    文章来源：《智能建筑电气技术》2014年 第1期

    参考文献：

    [1] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[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<