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(hào)發(fā)生器工作原理的基礎(chǔ)上，闡述了信號(hào)發(fā)生器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。基于本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)，可應(yīng)用于IT系統(tǒng)中，為應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)接地故障就會(huì)變?yōu)門(mén)N-S系統(tǒng)，雖然可以帶故障繼續(xù)運(yùn)行，但已失去IT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，增加了安全隱患，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的對(duì)地絕緣狀況，并能通過(guò)儀表自動(dòng)定位故障點(diǎn)支路，否則，一旦出現(xiàn)故障，只能依靠人工來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣故障點(diǎn)的定位查找，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且破壞了供電連續(xù)性。為此，本文設(shè)計(jì)了一種絕緣故障定位用信號(hào)發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)信號(hào)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(shí)現(xiàn)絕緣故障定位功能。當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時(shí)，信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)并產(chǎn)生定位信號(hào)，注入到IT系統(tǒng)與地之間。絕緣故障定位裝置通過(guò)傳感器逐路巡檢，當(dāng)檢測(cè)到定位信號(hào)流經(jīng)某支路時(shí)，便可確定該支路為絕緣故障所在回路。此時(shí)，操作人員可有目地的針對(duì)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(hào)發(fā)生器原理

    信號(hào)發(fā)生器工作原理：IT系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)，輪流在系統(tǒng)某根線與大地之間注入定位信號(hào)，以便絕緣故障定位儀能在故障支路上監(jiān)測(cè)到定位信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器原理如圖1所示。

圖1 信號(hào)發(fā)生器原理圖

    在IT系統(tǒng)中，注入的測(cè)試信號(hào)有效值必須足夠小，以免對(duì)IT系統(tǒng)形成太大干擾，，甚至對(duì)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(cè)。

    考慮以上兩種情況后，本文采用脈沖信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。脈沖信號(hào)幅度足夠大、寬度足夠窄，就可實(shí)現(xiàn)足夠小的有效值、足夠大的峰值兩個(gè)期望目標(biāo)。從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，沒(méi)必要在信號(hào)發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號(hào)，可通過(guò)截取IT系統(tǒng)中交流信號(hào)的波峰來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    對(duì)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(hào)電壓的有效值不允許超過(guò)50V”的規(guī)定，將電壓閾值設(shè)為50V。據(jù)此，可計(jì)算出脈沖寬度（由于脈沖寬度很小，為方便計(jì)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(shí)，脈沖寬度為：

    當(dāng)交流電壓為60Hz時(shí)，脈沖寬度為：

    利用單片機(jī)的定時(shí)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(shí)際截取的脈沖信號(hào)中，除波峰一點(diǎn)外，其余點(diǎn)幅度均小于V，因此其有效值一定會(huì)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(jì)

    信號(hào)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(cè)模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理框圖

    信號(hào)發(fā)生器上電后，CPU即通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊對(duì)IT系統(tǒng)的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地絕緣故障時(shí)，信號(hào)發(fā)生器根據(jù)測(cè)量出的頻率大小，確定測(cè)試信號(hào)的脈沖寬度以及脈沖頻率，截取系統(tǒng)波峰，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，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(cè)試信號(hào)能在故障支路上產(chǎn)生測(cè)試電流。絕緣故障定位儀逐路巡檢各支路時(shí)，在某支路上監(jiān)測(cè)到此測(cè)試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設(shè)計(jì)中，中央控制模塊選用ST的32位ARM -M3內(nèi)核單片機(jī)STM32F103。該芯片處理速度快，最高運(yùn)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(gè)SPI、C、CAN等通信接口，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。

    3 軟件設(shè)計(jì)

    信號(hào)發(fā)生器的控制程序由C語(yǔ)言編寫(xiě)，在程序設(shè)計(jì)中采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，便于程序代碼的維護(hù)、移植和升級(jí)。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(dòng)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(hào)發(fā)生器運(yùn)行準(zhǔn)確與可靠，保證設(shè)備不會(huì)誤動(dòng)，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(hào)發(fā)生器采用數(shù)字濾波算法濾除信號(hào)中諧波、噪聲等干擾，只讓有用的信號(hào)參與結(jié)果運(yùn)算，從而使計(jì)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?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境的多樣性，工作電壓不一定就是50Hz，實(shí)際中的電壓頻率可能更高或更低，因此要通過(guò)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)的交流頻率。監(jiān)測(cè)模塊將比較L1、L2線間的電壓，UL1＞UL2和UL1＜UL2的時(shí)間分別記為t1和t2。因?yàn)殡妷罕容^時(shí)存在一定的閾值電壓，所以會(huì)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(duì)地絕緣故障時(shí)，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(gè)周期，信號(hào)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(diǎn)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(cè)到；若故障點(diǎn)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(cè)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(gè)周期截取2次脈沖（L1-L2正半波，L1-L2負(fù)半波），而選擇每?jī)蓚�(gè)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(lèi)推即可。

    定位信號(hào)發(fā)生器實(shí)物如圖5所示，它采用DC 24V供電，面板上有“運(yùn)行”、“通訊”以及“測(cè)試”LED指示燈顯示工作狀態(tài)。

圖5 信號(hào)發(fā)生器實(shí)物圖

    當(dāng)IT配電系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)，信號(hào)發(fā)生器自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻率。當(dāng)IT配電系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生測(cè)試脈沖信號(hào)，配合絕緣監(jiān)測(cè)儀、絕緣故障定位儀定位故障支路。

    信號(hào)發(fā)生器已通過(guò)型式試驗(yàn)檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)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(guò)通信線路，絕緣監(jiān)測(cè)儀、絕緣故障定位儀和信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)發(fā)生器上電后自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式，監(jiān)測(cè)IT系統(tǒng)的頻率。當(dāng)絕緣監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)到IT系統(tǒng)發(fā)生對(duì)地絕緣故障時(shí)，通過(guò)通信線路，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生器和絕緣故障定位儀，進(jìn)入信號(hào)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(shí)際工程應(yīng)用中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖7所示。

圖7 信號(hào)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(guò)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(cè)到的波形

    由圖8可知，監(jiān)測(cè)到的脈沖波形比干擾波形要高，形成一個(gè)明顯的落差。通過(guò)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(cè)試信號(hào)通過(guò)，即此支路是否有絕緣故障。

    監(jiān)測(cè)到故障支路后，絕緣故障定位儀顯示故障支路數(shù)，同時(shí)通過(guò)通信線路，將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測(cè)儀。絕緣監(jiān)測(cè)儀收到信息后立即報(bào)警，通過(guò)界面顯示故障支路數(shù)，同時(shí)命令信號(hào)發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)出信號(hào)和故障定位，信號(hào)發(fā)生器再次進(jìn)入監(jiān)測(cè)模式。

    在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(hào)發(fā)生器的可行性。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)的信號(hào)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(guò)面板指示燈顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。該信號(hào)發(fā)生器符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，配合絕緣監(jiān)測(cè)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。

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