楊 帥 / 李興勤 / 李 平 / 王長青

1.安科瑞電氣股份有限公司， 上海 201801

2.四川西南廣廈建筑設計院有限公司， 四川 成都 610042

0 引言

在IT系統(tǒng)中，單點接地故障是一種很常見的故障。一旦出現(xiàn)單點接地故障，IT系統(tǒng)就會變?yōu)門N-S系統(tǒng)，雖然可以帶故障繼續(xù)運行，但已經(jīng)失去了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，并在監(jiān)測到對地絕緣故障時，通過儀表自動定位故障點支路。若沒有自動定位功能，一旦出現(xiàn)故障，只能依靠人工對多達數(shù)十條、數(shù)百條乃至成千上萬條負載支路逐條斷電查找，不僅費時費力，更嚴重破壞了供電連續(xù)性。這在某些需要連續(xù)供電的特殊場所(如醫(yī)院手術(shù)室等)是不允許的[1]。

基于上述情況，本文設計了一種絕緣故障定位用信號發(fā)生器，它裝設于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，操作人員可有目的性地針對該故障支路進行斷電或其他保護操作，不必逐條支路斷電進行排查，不僅提高了工作效率，也有效地保障了系統(tǒng)供電的連續(xù)性。因此，對電力系統(tǒng)供電的安全性、連續(xù)性和可靠性具有極其重要的意義。

圖1 信號發(fā)生器的發(fā)生原理

1 信號發(fā)生原理

信號發(fā)生器的工作原理是當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。常采用圖1所示的發(fā)生原理。

在IT系統(tǒng)中，注入的測試信號的有效值必須足夠小，以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾或?qū)ο到y(tǒng)負載造成危害；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，本文采用脈沖信號作為測試信號。如果脈沖信號幅度足夠大，寬度足夠窄，則可以實現(xiàn)有效值足夠小、峰值足夠大兩個期望目標。從簡化設計的角度出發(fā)，沒有必要在信號發(fā)生器上直接產(chǎn)生高壓脈沖信號，可以通過截取IT系統(tǒng)中交流信號的波峰來實現(xiàn)。

對于單項交流IT系統(tǒng)，兩根線L1、L2間電壓為AC220V，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，本文依照標準IEC61557-9的“定位信號電壓的有效值不允許超過50V”的規(guī)定，將電壓閾值設為50V[2]。依此，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)。

當交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度

當交流電壓為60Hz時，脈沖寬度

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，并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220V，因此其有效值一定會小于設定的閾值50V，可以滿足脈沖有效值足夠小的要求。

圖2 硬件設計原理框圖

2 硬件設計

本設計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。硬件設計原理框圖如圖2所示。

信號發(fā)生器上電后，CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進行實時監(jiān)測，測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當系統(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。若發(fā)生絕緣故障，故障支路可等效為一較小值電阻，連接IT系統(tǒng)發(fā)生故障的線以及大地，形成電流回路，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回監(jiān)測各支路時，在某個支路上監(jiān)測到此測試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設計中，中央控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核單片機STM32F103，該芯片處理速度快，最高運行速度可達72MHz。芯片具有豐富的片內(nèi)和外圍資源，片內(nèi)RAM 20KB和FLASH閃存64KB，帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)化模塊，以及多個SPI、I2C、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設計。

圖3 軟件流程圖

圖4 L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓

3 軟件設計

信號發(fā)生器的控制程序用C語言編寫完成，在程序設計中采用了結(jié)構(gòu)化程序設計方法，便于程序代碼的維護、移植和升級。系統(tǒng)上電后，首先完成各個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)中的各個部分硬件電路正常后，自動進入正常工作模式，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

為了充分保證信號發(fā)生器運行的準確性與可靠性。軟件上采用了特定的程序算法進行處理，主要包括：

(1)數(shù)字濾波算法。隨著電力系統(tǒng)的日漸復雜，電網(wǎng)中的諧波含量不斷增加。信號發(fā)生器采集到的第一手信號中自然也包含了大量諧波分量以及其他一些噪聲干擾。這些干擾如果不濾除，會給后續(xù)計算帶來影響。為了避免這些影響，軟件在采集到數(shù)據(jù)之后，采用了數(shù)字濾波算法進行處理，濾除掉信號中諧波、噪聲等干擾部分，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)交流頻率自適應法。因為工作環(huán)境的多樣性，工作電壓不一定是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、L2兩根線之間的電壓，對UL1＞UL2和UL1＜UL2的情況分別計時，記為t1和t2。由于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，如果此時出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障，即可在之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。

圖5 某醫(yī)院重癥監(jiān)護室IT系統(tǒng)應用圖

圖6 信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形

圖7 絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形

如圖4所示，系統(tǒng)電壓的每個周期，信號發(fā)生器截取兩次脈沖，分別在L1-L2的正半波的波峰處(如圖4第二行)，以及L1-L2的負半波的波峰處(如圖4第三行)。如果故障點發(fā)生在L1線上，則在L1-L2的負半波的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；如果故障點發(fā)生在L2線上，則在L1-L2的正半波的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。

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

4 信號發(fā)生器在醫(yī)療IT絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的應用

基于本文設計的信號發(fā)生器，已成功應用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護室，系統(tǒng)應用如圖5所示。通過通訊線路，將絕緣監(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。信號發(fā)生器上電后自動進入監(jiān)測模式，監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，通過通訊線路，啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀，進入信號發(fā)生模式和故障定位模式。

在實際工程應用中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖6所示，由圖6可看出，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論值220 2偏小(圖6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的要求的，在絕緣故障定位儀端監(jiān)視到的波形，經(jīng)過濾波等預處理操作之后，如圖7所示。

由圖7可看出，監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高的多，形成一個明顯的落差，通過設定適當?shù)拈撝?，配合脈沖寬度等條件，可以準確地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)，同時通過通訊線路，將故障支路信息返回給絕緣監(jiān)測儀。絕緣監(jiān)測儀立即報警，通過界面顯示故障支路數(shù)，同時通過通訊線路，命令信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀停止發(fā)生信號和故障定位，信號發(fā)生器再次進入監(jiān)測模式。

此次工程施工完成后，在現(xiàn)場對系統(tǒng)進行調(diào)試，模擬絕緣故障100次，絕緣故障定位率為100%。充分證明本設計在工程應用中是可行的。

5 結(jié)束語

本文設計的絕緣故障定位用信號發(fā)生器，具有自適應IT系統(tǒng)頻率，注入高峰值、低有效值脈沖波形等功能，并可以通過面板指示燈指示當前工作狀態(tài)?；诒驹O計的產(chǎn)品符合相關(guān)國家標準的要求，并能為IT系統(tǒng)提供安全、可靠的供電解決方案。本文最后對醫(yī)院重癥監(jiān)護室的IT系統(tǒng)絕緣故障定位做了初步探討，給醫(yī)院建筑電氣設計者提供一些參考。在應用中，不同工程的實際情況非常復雜，還會遇到許多新的問題，望同仁們進一步探討。

[1]中華人民共和國住房和城市建設部.JGJ 16-2008民用建筑電氣設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[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.