IT配电系统绝缘故障定位信号发生器的设计与应用

胡月华1 ，杨帅2

（1.武汉科技大学，武汉 430081；2.安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801）

    摘要：在介绍绝缘定位用信号发生器工作原理的基础上，阐述了信号发生器的硬件和软件设计。基于本设计的产品已通过试验检验，可应用于IT系统中，为应用场所提供安全可靠的供电解决方案。

    0 引言

    IT系统一旦出现单点接地故障就会变为TN-S系统，虽然可以带故障继续运行，但已失去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，并能通过仪表自动定位故障点支路，否则，一旦出现故障，只能依靠人工来实现绝缘故障点的定位查找，不仅费时费力，而且破坏了供电连续性。为此，本文设计了一种绝缘故障定位用信号发生器（以下简称信号发生器），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，操作人员可有目地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，从而提高了工作效率，保障了系统供电的连续性。

    1 信号发生器原理

    信号发生器工作原理：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。信号发生器原理如图1所示。

图1 信号发生器原理图

    在IT系统中，注入的测试信号有效值必须足够小，以免对IT系统形成太大干扰，，甚至对系统负载造成危害；但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。

    考虑以上两种情况后，本文采用脉冲信号作为测试信号。脉冲信号幅度足够大、宽度足够窄，就可实现足够小的有效值、足够大的峰值两个期望目标。从简化设计的角度出发，没必要在信号发生器上直接产生高压脉冲信号，可通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现。

    对于单相交流IT系统， L1、L2线间电压为AC 220V，其峰值为220V，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。据此，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220的矩形脉冲）为：

    当交流电压周期为50Hz时，脉冲宽度为：

    当交流电压为60Hz时，脉冲宽度为：

    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，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V，因此其有效值一定会小于设定的阈值(50V)，满足脉冲有效值足够小的要求。

    2 硬件设计

    信号发生器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电阻，连接IT系统发生故障的线路以及大地，形成电流回路，因此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检各支路时，在某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的32位ARM -M3内核单片机STM32F103。该芯片处理速度快，最高运行速度可达72MHz；具有丰富的片内外围资源，内部有20KB的片内RAM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、C、CAN等通信接口，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由C语言编写，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；然后确定系统中各部分硬件电路正常后，自动进入正常工作模式。系统主程序流程如图3所示。

图3 系统主程序流程图

    为了保障信号发生器运行准确与可靠，保证设备不会误动，软件上采用了特定的程序算法进行处理。

    （1）数字滤波算法。信号发生器采用数字滤波算法滤除信号中谐波、噪声等干扰，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线间的电压，UL1＞UL2和UL1＜UL2的时间分别记为t1和t2。因为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），出现系统对地绝缘故障时，就可在与之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲，在与之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。

    如图4所示，在系统电压的每个周期，信号发生器截取2次脉冲，分别在L1-L2的正半波波峰处（图4中第二行），以及L1-L2的负半波波峰处（图4中第三行）。若故障点在L1线上，则在L1-L2的负半波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；若故障点在L2线上，则在L1-L2的正半波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。

图4 L1、L2间电压及截取的脉冲电压

    如果t1+t2=10ms，考虑到脉冲有效值小于50V的需求，那么可以不用每个周期截取2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）。其它频率依次类推即可。

    定位信号发生器实物如图5所示，它采用DC 24V供电，面板上有“运行”、“通讯”以及“测试”LED指示灯显示工作状态。

图5 信号发生器实物图

    当IT配电系统无故障运行时，信号发生器自动监测系统频率。当IT配电系统发生单点接地故障时，信号发生器产生测试脉冲信号，配合绝缘监测仪、绝缘故障定位仪定位故障支路。

    信号发生器已通过型式试验检验，各项指标均达到国家标准的要求，目前已成功应用于某医院重症监护室，如图6所示。通过通信线路，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，通过通信线路，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6 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7所示。

图7 信号发生器产生的波形图

    由图7可知，该波形存在大量的杂波干扰，峰值也较理论的偏小（图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要求。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后，如图8所示。

图8 绝缘故障定位仪监测到的波形

    由图8可知，监测到的脉冲波形比干扰波形要高，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，可准确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，同时通过通信线路，将故障支路信息返回给绝缘监测仪。绝缘监测仪收到信息后立即报警，通过界面显示故障支路数，同时命令信号发生器和绝缘故障定位仪停止发出信号和故障定位，信号发生器再次进入监测模式。

    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%，这充分证明了该信号发生器的可行性。

    4 结束语

    本文设计的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，多系统组网等功能，并可通过面板指示灯显示当前工作状态。该信号发生器符合国家相关标准，配合绝缘监测仪、绝缘故障定位仪，能为IT系统提供安全、可靠的供电解决方案。

    参考文献

    [1] GB-50054-2011 低压配电系统设计规范[S]

    [2] JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].

    [3] 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<