王 智, 徐 軍, 李 平, 胡 健(.上海同濟(jì)華潤(rùn)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 0009;.安科瑞電氣股份有限公司, 上海 080)

基于自適應(yīng)低頻信號(hào)的絕緣監(jiān)視裝置設(shè)計(jì)

王 智1, 徐 軍2, 李 平2, 胡 健2
(1.上海同濟(jì)華潤(rùn)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200092;2.安科瑞電氣股份有限公司, 上海 201801)

絕緣監(jiān)視裝置主要監(jiān)視低壓IT系統(tǒng)對(duì)地絕緣情況,具有故障預(yù)警、報(bào)警、事件記錄等功能。介紹絕緣監(jiān)視裝置的自適應(yīng)測(cè)量原理及軟、硬件的設(shè)計(jì)。指出絕緣監(jiān)視裝置可用于煤礦、船舶等IT系統(tǒng),以提供安全可靠的剩余電流保護(hù)解決方案。

IT系統(tǒng); 絕緣監(jiān)視裝置; 自適應(yīng)低頻信號(hào); 可靠性

0 引 言

隨著電氣行業(yè)的發(fā)展,人們對(duì)用電安全性和可靠性的要求越來(lái)越高,在某些特殊行業(yè)的特定場(chǎng)所會(huì)選擇IT系統(tǒng)進(jìn)行供電。例如,礦井下的抽風(fēng)機(jī)(不斷排出瓦斯氣體)、水泵(不間斷地抽水以防止井下人員被淹)的供電必須依賴可靠的IT系統(tǒng)。

根據(jù)JGJ 16—2008《民用建筑電器設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.3條規(guī)定,IT配電系統(tǒng)必須配備絕緣監(jiān)視裝置(Insulation Monitoring Device,IMD)。IMD的作用就是實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)線路的絕緣狀況,當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),能在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)出報(bào)警信號(hào),避免發(fā)生嚴(yán)重事故。傳統(tǒng)的測(cè)量方法有平衡電橋法、差流檢測(cè)法、單頻法和雙頻法等。這些測(cè)量方法都有各自的優(yōu)勢(shì),但由于應(yīng)用場(chǎng)所的不同以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響,存在著可靠性不足、測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)。

針對(duì)這些問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)頻率的絕緣監(jiān)視裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路的絕緣狀況。

1 測(cè)量原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

IT系統(tǒng)故障示意圖如圖1所示。其電源端帶電導(dǎo)體不接地,只作負(fù)載外殼的保護(hù)接地。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),故障電流不返回電源的直接通路,如果系統(tǒng)對(duì)地的泄漏電容不大,只能沿著PE線再通過(guò)無(wú)故障兩相對(duì)地電容返回到電源。故障電壓并不能引起電擊或電氣事故,對(duì)地的容性電流不能使回路上的剩余電流保護(hù)裝置切斷電源。因此,需要在系統(tǒng)中安裝IMD來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)地絕緣狀況,并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。

通過(guò)在系統(tǒng)對(duì)地之間注入測(cè)試信號(hào)的方法來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)絕緣狀況。若系統(tǒng)未出現(xiàn)絕緣故障,信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)對(duì)地泄漏電容進(jìn)入IT系統(tǒng),再回到IMD;若系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障,信號(hào)會(huì)同時(shí)經(jīng)過(guò)泄漏電容和絕緣電阻再進(jìn)入IT系統(tǒng)中,最終再回到IMD。根據(jù)測(cè)試信號(hào)的回路,IMD可以準(zhǔn)確監(jiān)視系統(tǒng)的安全狀況。

圖1 IT系統(tǒng)故障示意圖

《星星》是毛澤東以給林彪回信為由、以黨內(nèi)通信形式印發(fā)給紅四軍干部糾正黨內(nèi)悲觀思想的一封信。 當(dāng)時(shí)，中央革命根據(jù)地曾以《時(shí)局的估量與紅軍行動(dòng)問(wèn)題》為題印發(fā)過(guò)油印的單行本，發(fā)至黨內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)干部傳閱。 該信的公開(kāi)發(fā)表是在延安整風(fēng)期間。 1941年12月，毛澤東親自主持編印了黨內(nèi)秘密文件《六大以來(lái)》，將此文作為整風(fēng)運(yùn)動(dòng)文獻(xiàn)編入其中，題名為《毛澤東同志給林彪同志的信》(以下簡(jiǎn)稱“1941年版”)，此后，該文經(jīng)歷了中華人民共和國(guó)成立前和成立后兩個(gè)歷史階段的變化歷程。

1.2 自適應(yīng)低頻信號(hào)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時(shí),信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)絕緣電阻和泄漏電容。然而,當(dāng)系統(tǒng)容量很大或電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),系統(tǒng)對(duì)地的泄漏電容也會(huì)很大,達(dá)到幾十微法甚至上百微法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時(shí),若系統(tǒng)存在較大泄漏電容,設(shè)計(jì)過(guò)程中采用單頻法、雙頻法無(wú)法得到可靠的測(cè)試信息。

根據(jù)基爾霍夫定律,電流同時(shí)經(jīng)過(guò)電阻和電容時(shí),電容分得測(cè)試信號(hào)的一部分電流,經(jīng)過(guò)電阻的電流分量便會(huì)減小。當(dāng)容性電流很大時(shí),IMD采集到的測(cè)試信號(hào)便會(huì)存在很大誤差,甚至是錯(cuò)誤的。其原因是IMD內(nèi)部采樣電阻上的信號(hào)分辨率降低,IMD就無(wú)法準(zhǔn)確采樣到測(cè)試信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)低頻信號(hào)測(cè)量方式有效地解決了上述問(wèn)題。首先,IMD在初次測(cè)量時(shí)會(huì)注入一個(gè)基準(zhǔn)頻率的測(cè)試信號(hào)。若系統(tǒng)中存在泄漏電容,即使絕緣電阻測(cè)不準(zhǔn),也能測(cè)出泄漏電容的大小。在下次注入信號(hào)時(shí),IMD會(huì)根據(jù)系統(tǒng)泄漏電容的大小而自動(dòng)降低信號(hào)的頻率,直到能準(zhǔn)確測(cè)出絕緣電阻值。例如,在系統(tǒng)泄漏電容C<1 μF時(shí),系統(tǒng)注入1.25 Hz的低頻信號(hào);在C為1～10 μF時(shí),IMD自動(dòng)在1.25 Hz頻率的基礎(chǔ)上進(jìn)行分頻處理,通過(guò)降低測(cè)試信號(hào)頻率來(lái)增大電阻上的電流分量;當(dāng)C更大時(shí),IMD會(huì)再次進(jìn)行分頻處理,依此類推。該測(cè)試信號(hào)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)中電容的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)頻率,從而測(cè)出絕緣電阻值,保證了測(cè)量結(jié)果的精度和可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)C<500 μF時(shí),可以準(zhǔn)確測(cè)量出絕緣電阻和泄漏電容。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)主要包括微控制單元、信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)處理及采樣電路、通信電路、顯示和按鍵電路、存儲(chǔ)電路以及數(shù)字輸入/輸出電路。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。選用ST的32位微控制器作為控制單元,大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì),極大地提高了產(chǎn)品的性能。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 電路模塊功能

IMD注入信號(hào)由微控制單元的A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)減法、放大等信號(hào)處理電路最終注入PE線。微控制單元的12位精度A/D采樣器又可以精確地將IMD內(nèi)部取樣信號(hào)數(shù)字化。信號(hào)處理電路有效濾除了噪聲,得到較純凈信號(hào)。顯示和按鍵電路不僅可以實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)情況、準(zhǔn)確做出預(yù)警和報(bào)警、記錄故障信息,還可以設(shè)置IMD內(nèi)部參數(shù),提升了人機(jī)交互性。通信電路采用工業(yè)級(jí)的RS-485模塊和CAN模塊,既可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳,又能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信組網(wǎng)。存儲(chǔ)電路采用FM24C16B鐵電存儲(chǔ)器,具有16 KB容量、無(wú)限次數(shù)讀寫、掉電數(shù)據(jù)可保持10 a、寫數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)等特性,方便用戶查看。IMD還配備了3組繼電器,作為預(yù)警、報(bào)警和系統(tǒng)故障的數(shù)字輸出,從而使得IMD功能更加完善。

2.3 自檢功能設(shè)計(jì)

圖3 自檢電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件構(gòu)架

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,按照功能分為數(shù)據(jù)處理及計(jì)算模塊、顯示模塊、通信處理模塊、按鍵處理模塊等。主程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)處理、計(jì)算模塊主要采用數(shù)學(xué)算法提取出需要的信號(hào),如果發(fā)現(xiàn)計(jì)算出的結(jié)果小于設(shè)定的閾值,IMD會(huì)發(fā)出報(bào)警信息,記錄事件信息,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的存儲(chǔ)。顯示和按鍵模塊可顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、系統(tǒng)絕緣情況、事件記錄、版本號(hào)以及各項(xiàng)參數(shù)。

圖4 主程序結(jié)構(gòu)

主程序按照順序依次調(diào)用各個(gè)功能模塊,但有些模塊可能在本輪循環(huán)中不具備執(zhí)行條件。較好的解決辦法是采取事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制來(lái)加速主程序的循環(huán)速度,提升整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制就是給每個(gè)模塊安排標(biāo)志位,通過(guò)標(biāo)志來(lái)觸發(fā)該模塊代表的事件。標(biāo)志位處理流程如圖5所示。在每次進(jìn)入功能模塊時(shí),先判斷是否滿足執(zhí)行條件,如果滿足,則執(zhí)行,同時(shí)清除標(biāo)志位;否則,直接返回。

圖5 標(biāo)志位處理流程

3.2 離散傅里葉變換的運(yùn)用

在提取目標(biāo)信號(hào)時(shí),采用離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。由于向系統(tǒng)中注入的為低頻信號(hào),微控制單元通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器采樣,將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)后無(wú)法直接得到信號(hào)的數(shù)值信息。DFT算法可以將離散化的信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域,使數(shù)字信號(hào)處理在頻域采用數(shù)值運(yùn)算的方法進(jìn)行,大大增加了數(shù)字信號(hào)處理的靈活性。

例如,低頻信號(hào)為x(t),首先對(duì)x(t)進(jìn)行時(shí)域采樣,得到x(n)=x(nT),再對(duì)x(n)進(jìn)行DFT,得到

該因子可以用歐拉公式來(lái)表示,方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其計(jì)算過(guò)程。只要確定頻率,便可得到信號(hào)的數(shù)值信息。

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言需在復(fù)數(shù)域里來(lái)實(shí)現(xiàn)DFT,最終得到的結(jié)果也是復(fù)數(shù)。根據(jù)復(fù)數(shù)的性質(zhì),控制器可以計(jì)算出信號(hào)幅值、相位。

3.3 仿 真

為了驗(yàn)證該算法,在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真。假設(shè)系統(tǒng)電壓信號(hào)為380 V,頻率為50 Hz;IMD測(cè)試電壓信號(hào)為25 V,頻率為1.25 Hz。兩種頻率信號(hào)疊加后,得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

x(t)=380sin(2π×50t)+25sin(2π×1.25t)

信號(hào)時(shí)域如圖6所示。

圖6 信號(hào)時(shí)域圖

經(jīng)過(guò)DFT后,信號(hào)頻譜圖如圖7所示,從中可知信號(hào)的數(shù)值信息。即使IMD檢測(cè)出系統(tǒng)中存在很大泄漏電容而進(jìn)行多次的分頻處理,依舊可以準(zhǔn)確計(jì)算出測(cè)試信號(hào)的相關(guān)數(shù)值信息。

圖7 信號(hào)頻譜圖

微控制單元得到采樣信號(hào)的數(shù)值信息,還需根據(jù)相關(guān)電路定理進(jìn)行數(shù)值上的運(yùn)算,才能得到目標(biāo)阻抗。如果要算出絕緣電阻和泄漏電容,就需要根據(jù)導(dǎo)納的實(shí)部、虛部算出等效電阻、等效電容,而等效電阻、等效電容就是系統(tǒng)中存在的絕緣電阻、泄漏電容。

4 試驗(yàn)結(jié)果

目前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品通過(guò)了各項(xiàng)試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容包括產(chǎn)品的安全性能和電磁兼容性能,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。在不同泄漏電容的情況下,試驗(yàn)采用單頻法和本文闡述自適應(yīng)頻率法分別做了測(cè)試。各個(gè)階段電阻值如表1所示。

表1 各個(gè)階段電阻值 kΩ

根據(jù)IEC 61557-8—2007第4.6條中表1規(guī)定,相對(duì)不確定度必須在±15%以內(nèi)。由表1可以看出,系統(tǒng)泄漏電容越大,單頻法測(cè)量結(jié)果的偏差逐漸變大,而自適應(yīng)頻率法的測(cè)量結(jié)果更可靠,完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

分析了絕緣監(jiān)視裝置在IT系統(tǒng)中的工作原理,詳細(xì)闡述了硬件組成和軟件構(gòu)架、算法。MATLAB仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性,試驗(yàn)結(jié)果證明了基于自適應(yīng)頻率信號(hào)測(cè)量方法的可靠性。

[1] JGJ 16—2008 民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 邱關(guān)源,羅先覺(jué).電路[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

[3] IEC 61557-8—2007 Electrical safety in low voltage distribution systems up to AC 1 000 V and DC 1 500 V equipment for testing,measuring or monitoring of protective measures insulation monitoring devices for IT systems[S].

[4] 中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.工業(yè)與民用配電 設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版.北京:中國(guó)電力出版社,2005.

Design of Insulation Monitoring Device Based on Self-adaptive Low Frequency Signal

WANG Zhi1, XU Jun2, LI Ping2, HU Jian2

(1.Shanghai Tongji University Huarun Building and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China;2.Acrel Electric Co., Ltd., Shanghai 201801, China)

Insulation monitoring devices(IMD) are used to monitor the resistance of low voltage IT system,which have functions of pre-alarm and alarm for insulation faults,recording events etc.This paper introduced the measuring principle and the designs of hardware and software in details.The IMD products can be used in IT systems of mines and ships for a reliable residual current protection solution in those locations.

IT system; insulation monitoring device; self-adaptive low frequency signal; reliability

王 智(1983—),男,工程師,從事建筑電氣方面的研究。

TU 852

B

1674-8417(2015)04-0037-05

2014-11-19

陳 林(1990—),男,從事IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的研究。

李 平(1988—),男,從事IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的研究。

胡 健(1993—),男,從事IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的研究。