田維文 舒斌

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽 550000)

試析絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設計及其在直流系統(tǒng)中的應用

田維文 舒斌

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽 550000)

近年來直流系統(tǒng)接地而引起的故障頻頻發(fā)生,給電力用戶造成了巨大的經(jīng)濟損失,因此國內外很多廠家和科研院所都致力于直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的研究。但現(xiàn)階段直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測還比較困難,一方面是電力系統(tǒng)中運用了大量的微機保護,微機保護中大容量濾波電容的存在對現(xiàn)有監(jiān)測裝置產(chǎn)生了較大的干擾;另一方面是直流系統(tǒng)的電網(wǎng)結構比較復雜,存在大量的環(huán)網(wǎng)。針對目前直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測方面存在的問題,本文將就直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設計和應用展開探討。

直流系統(tǒng) 絕緣監(jiān)測 設計

1 直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

目前市場上投入運行的直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)多是基于電橋平衡原理的報警裝置，這使得系統(tǒng)僅能對非對稱性直流接地故障進行監(jiān)測，而無法對高阻抗接地故障進行有效監(jiān)測。此外，隨著采用繼電保護的繼電保護裝置在電力系統(tǒng)的大量運用，繼電保護裝置的安裝使用了大量的抗干擾電容，這將導致二次回路供電的直流系統(tǒng)對地電容電流的增大。如果采用向直流系統(tǒng)注入交流信號方式構成的微機型絕緣支路選線裝置，實際上因為系統(tǒng)分部電容過大，也無法實現(xiàn)對接地支路的有效監(jiān)測。

針對上述問題，可以采用超低雙音頻交流信號注入法來進行改善:設計一個由兩個頻率合成的超低音頻交流電壓信號，分別注入直流正、負兩根母線，從而在直流正、負母線與地之間產(chǎn)生一個可以用于檢測的超低雙音頻交流電流信號。通過檢測這個超低雙音頻交流電流信號，并且根據(jù)交流電壓和電流的數(shù)值關系，求出直流母線對地電阻的數(shù)值。根據(jù)注入的超低雙音頻交流電流信號流通路徑可以判斷出發(fā)生接地故障時，故障所在的支路及故障點的位置。

2 直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的設計

根據(jù)實際需求，本文將直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)劃分為如下幾個模塊:主控芯片模塊、接地信號拾取電路模塊、信號調理電路模塊、超低音頻發(fā)生與功放模塊、人機接口模塊、上位機通信接口模塊等。下面對各個模塊進行簡單的闡述（圖1為直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體設計框架）。

2.1 主控芯片模塊的設計

主控芯片模塊可以與系統(tǒng)中的其他模塊進行通信連接，完成信號的轉換、輸入、輸出和檢測等功能。本文中主控芯片模塊采用搭載有ARM Cortex-M3構架的STM32F103ZET（簡稱STM32）控制芯片構成的控制平臺，它在結合高性能、低能耗和低電壓特性的同時又保持了高度的集成性和簡易的開發(fā)特性。

此外系統(tǒng)選用STM32F103ZE作為超低雙音頻信號發(fā)生器的主控制器，主要是基于如下考慮:具有低功耗和高性能的特點，設計的信號發(fā)生器既能夠選用直流電池供電，也能夠直接外接交流穩(wěn)壓電源供電；搭載了ARM公司最新的、具有先進架構的Cortex-M3內核，因此延展性較好；具備A/D、D/A等豐富的外設，在減少系統(tǒng)設計硬件電路的同時，提高了信號發(fā)生器的穩(wěn)定性。

圖1 直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的硬件總體框架

2.2 接地信號拾取電路模塊的設計

本系統(tǒng)采用超低雙音頻信號拾取電路模塊。采用常規(guī)霍爾傳感器，可對直流系統(tǒng)的回路進行在線監(jiān)測，通過監(jiān)測信號來判斷故障產(chǎn)生的回路。在本系統(tǒng)中，除了采用固定霍爾傳感器模塊監(jiān)測數(shù)據(jù)外，還運用可移動檢測模塊，即運用特質的鉗形電流夾（其原理與霍爾傳感器一致，但外形特性不同）。當出現(xiàn)一點接地故障時，無需斷電檢查，采用的是在線同定方式，查找直流系統(tǒng)接地故障。

2.3 信號調理電路模塊的設計

作為直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，信號調理電路的輸入是傳感器的輸出電信號，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續(xù)標準設備或裝置要求的信號。在本系統(tǒng)中就是，將霍爾傳感器檢測出的電信號，經(jīng)過合理變換，傳輸給符合ARM中的A/D模塊檢測要求的信號。因為霍爾傳感器檢測采集的信號為模擬電信號，故需要采用模擬量信號調理電路。

2.4 超低音頻發(fā)生與功放模塊的設計

采用由ARM為主控芯片構成的超低雙音頻信號源發(fā)生平臺，硬件電路資源合理，綜合了其他方法的優(yōu)勢且人機界面友好，是適用于雙音頻信號發(fā)生器的最合適選擇。由于STM32輸出的超低雙音頻信號源輸出功率遠達不到注入直流系統(tǒng)的要求，因此需通過功放電路將信號調理為實際注入直流系統(tǒng)的信號參數(shù)，本系統(tǒng)主要的功放電路設計采用LMl875，用其作為信號源的功放電路。本系統(tǒng)應用時，將STM32設定輸出的實際信號經(jīng)過LMl875功放電路模塊后，信號輸出功率達到20W，幅值擴大為原來2倍，就可滿足注入直流系統(tǒng)信號的要求。

2.5 人機接口模塊的設計

本系統(tǒng)的人機接口模塊采用超低雙音頻信號的Cortex M3的開發(fā)平臺，搭載一塊3.2寸TFT真彩觸摸屏模塊，F(xiàn)SMC控制，彩屏模塊上配置顯示驅動芯片，ADS9834觸摸控制芯片。系統(tǒng)采用現(xiàn)在較為流行的觸摸屏控制與顯示，在一定程度上加大了編程的難度，但是可以做到直觀的顯示所需波形，并且觸摸控制靈敏且準確、人機界面良好。

2.6 上位機通信接口模塊

在上位機的數(shù)據(jù)采集中，勢必會用到通信，而目前常用的通信方式包括RS232串口通信、RS485通信等，在對上述通信方式進行對比分析后，系統(tǒng)最終采用了串口RS485作為和上位機之間的通信。

3 討論

電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展對直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要求其能夠及時發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)存在的隱患，而且要求其具有良好的檢測靈敏度，能夠隨著電力系統(tǒng)運行方式的變化而迅速進行調整，從而確保直流系統(tǒng)的安全運行。

田維文(1985—),男,貴州清鎮(zhèn)人,助理工程師,本科,從事高壓交流輸電的運行維護工作。