一种应用于交直流不接地系统绝缘监测装置的设计与开发

赵雪莲1  沈标2 
（1.青海三佳工程设计咨询有限公司，青海 810000）
（2.安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘  要: 介绍了一种用于工业不接地系统的绝缘监测装置(IMD)，针对现有技术的不足，提供了一种新的硬件平台，可监测400V等级的交直流不接地系统，并详述了绝缘监测仪的硬件和软件设计原理。目前该绝缘监测仪已通过试验验证，并在市场上大量销售，为工业不接地配电系统提供了可靠的绝缘监测。
关键词: 交直流不接地系统  绝缘监测装置  自适应  IMD

 
0 前言
　　在一些对供电连续性要求较高的场所（如：矿井、化工厂、玻璃厂、冶金厂、某些集会场所的安全照明和某些电炉的试验设备等），设备故障断电会带来巨大的损失，因此采用不接地系统可以有效减少断电发生的频率，这是由于在不接地系统第一次出现接地故障时，系统还能够继续使用，不会出现断电的状况，如果第一次接地故障是人为导致，则对人体基本没有太大的伤害，但此时系统已经存在安全隐患，如果不及时排除故障，当再次出现异相接地故障时，系统就有可能断电，从而造成严重后果。安装绝缘监测装置，可以实时显示系统对地绝缘电阻，在系统第一次出现绝缘故障时，发出报警信号，及时提醒维修人员对系统进行故障排查，短时间内无需跳闸，从而保证了IT系统供电的可靠性和连续性[1]。JGJ 16-2008《民用建筑电器设计规范》第7.2.3条规定， IT配电系统必须配备绝缘监视仪[2]。国外对此也很重视，在上世纪六十年代，各个发达国家已经开始对电力系统的研究，但是其快速发展是在上世纪七十至八十年代。这十年间，数字电路的集成、计算机的迅速发展、各类传感器的出现推动了电子测量领域的发展。目前国内一些厂家愈发重视对绝缘监测产品的研究，主流的测量方式有直流信号注入法、交流信号注入法、平衡桥测量法等等。以上测量方式有各自的优势，但由于应用场所环境的差别（泄露电容、直流信号的存在等等）较大，可能存在着测量范围较窄、测量精度不高、系统中允许泄露电容较低、测量周期长、只能用于交流系统等缺点。本文提出一种新型绝缘监测装置的设计原理，该装置采用自适应系统频率的方法，有绝缘电阻测量范围广，允许系统泄露电容大，响应快，测量周期短等优势。
1．绝缘监测装置原理概述 
　　　图1所示为测量电路简图：

图1：绝缘监测装置原理简图

图1中R1和R3是阻值相等的耦合电阻，R2和R4是阻值相等的采样电阻，Rf是系统对地电阻，Ce为系统泄露电容，G为信号发生器。电源端的带电导体不接地，只作设备外壳的保护接地。绝缘监测仪通过G向系统注入+20V和-20V脉冲信号，经过R1、R2 、R3 、R4返回到绝缘监测仪，构成一个闭合回路，对R2和R4电压进行信号处理、采集，即可算出系统对地电阻和系统泄露电容。
2．硬件设计
   　本装置硬件电路主要包括中央处理器模块、断线监测模块、信号注入模块等。中央处理器选用ARM cortex-M3内核的单片机，该芯片主频高，外设丰富，大大简化了外围电路的设计。
下面对硬件电路进行讨论：
2.1 信号控制电路
　　CPU通过控制模拟开关决定信号的输出。其中+2.5v信号来源于基准芯片，-2.5v经+2.5v进行反相后得到，随后进入信号发生电路。
2.2 信号发生电路
　　信号控制电路中所述的+2.5v或-2.5v信号经过高压运放放大后产生+20v或-20v脉冲信号，即为注入不接地系统的信号。
2.3 信号检测电路
　　信号发生电路中的±20v信号通过图1中耦合电阻和系统对地绝缘电阻后构成回路，通过检测两个采样电阻的信号来计算系统绝缘电阻；通过检测PE上的信号电压，判断PE/KE是否断线；在装置运行过程中，对系统类型进行实时检测，根据系统是否存在直流分量选择适当的测量方法。
2.3.1 交流系统或离线状态
　　信号从采样电阻流经截止频率小于10Hz的低通滤波电路。当系统是交流系统或处于离线状态时，由于存在的干扰信号主要来源于不接地系统的50Hz信号，而该频率远大于该滤波器的截止频率（小于10Hz）,则干扰信号将会衰减到可忽略的幅度，而后通过信号处理电路分别对两路信号进行相加、放大、抬升，最终被单片机ADC采样。
　　滤波效果可参考仿真结果。本电路在PSPICE中进行仿真，在L1和L2之间加300V（频率50Hz）电压（模拟不接地系统），信号经过四阶低通滤波电路前后的效果对比如图2所示。图2中波形是注入的±20v与300v系统电压叠加后的结果，可以看出，300v电压对采样电阻上的信号电压影响很大。参照图2的下图可知，经过低通滤波电路以后，300v（频率50Hz）的信号衰减到可以忽略的幅度。

图2. 滤波前后信号对比

　　图2中两段信号分别是+20V和-20V交叉变换的结果，由于系统存在泄露电容，波形呈现一个缓慢充放电的曲线，这个过程也是采样电阻分压趋于稳定的过程。而分压电阻上的最终电压只跟系统电压和其所占比例有关，跟电容无关，故电阻的测量与波形正负半周稳定后的电压有关，下面简要陈述计算过程：
 

图3. 两路信号合成

设图3中“ADC_R”（采样电压）稳定后电压是V1，此时的“VOUTF”处电压V2，“VOUT1”和“VOUT2”电压V3，则在+20v时，有：

V1和V2（抬升电压）已知，可以求出V3。设采样电阻电压为V4，由于从V4到V3只有低通滤波电路和一个信号抬升电压V6，低通滤波电路对信号幅度影响很小，则：

V4也是图1中R2和R4的分压，设电源电压V5，则：

联立①、②、③式，即可求出绝缘电阻Rf。
电容的计算则依赖于电阻的大小和波形的曲线。假设电压在关于时间t的波形上存在两个点M1和M2，对应的坐标是（V1，t1），（V2，t2）根据电容充电公式：

对应M1和M2：

处理后有：

在实际计算的过程中，可以多次取点计算，求平均值，提高测量精度。
在-20v时，绝缘电阻Rf和泄露电容计算方式与此类似。
2.3.2系统存在直流分量
　　当系统存在直流分量时，仍然需要四阶滤波电路滤除系统交流信号（此时直流信号仍然存在），之后经过一个如图4所示的信号保持电路：

图4. 信号保持电路

输入信号分为正、负半周信号，但两者均含有系统中的直流分量，通过开关的断开与闭合，可以实现正负半周信号相减，由于系统的直流电压幅度变化很小，相减后的信号中不再含有直流分量，此时的采样信号中只是±20V电压作用在采样电阻的结果，最后信号经过放大，进入单片机ADC采样模块。进入ADC采样的波形可以参照PSPICE仿真结果如图5：

图5. 两路独立信号波形

无论是在﹢20v，还是-20v，系统都能独立监测绝缘状况，如此，测量周期至少比固定周期产品测量周期小一半。直流系统中电阻的计算同交流系统所述一样，电阻的大小取决于波形稳定后的电压值，电容的计算仍然依赖于电阻，计算方法类似于通过ADC采样信号可以反推出在+20V和-20V时图1中R2和R4的分压，即可求出绝缘电阻值与泄露电容值。
2.4 仪表其它电路
　　除了上述电路外，还有断线检测电路（PE/KE断线、L1/L2断线检测功能）、485通讯电路、其他通讯电路等等。
3.软件设计
3.1 软件流程
　　该绝缘监测装置采用结构化程序设计思想，采用C语言进行编写。主函数通过查询标志位的状态，决定是否执行对应的模块，各个模块的标志位在定时器内改变。这种方式提高了软件的实时性，后期的软件维护相对来说也比较方便。
 3.2 自适应频率
　　目前市场上同行产品多数采用向系统注入固定周期信号的方法，这种方式必须考虑系统最大电阻及电容，测量周期必须满足最大电阻和最大电容的要求，因此这时的周期也是最长的，且不能改变。自适应频率是一种新型的周期调节的方式，通过监测系统信号波形来调整周期大小。在信号波形上取两个点的电压信号，当信号电压变化很小时，视为稳定，这时翻转脉冲信号，并保存该周期运行的时间作为下一次脉冲的周期。由于在正负半周都会对波形监测和计算，所以信号波形的调整会很及时，电阻的计算结果更新的相对也比较快。此外，一旦电阻和电容测量结果稳定，系统会计算理论周期，并与实际测量周期作对比，然后把理论测量周期赋值给下一次脉冲周期。该方式保证了在测量结果精度达标的前提下，测量周期能够达到最短。
 3.3 响应时间
　　IEC61557-8第8部分“IT系统中绝缘监控装置”中第4.6表1规定，在纯交流系统中，当泄漏电容1uF、绝缘电阻为0.5倍报警值时，响应时间应小于10s。在测量精度达标的前提下，本装置响应速度能小于6s。下面就电阻突变对波形的影响作简要分析，祥见图6：

图6. 故障模拟波形图
实线：波形一   虚线：波形二

t1之前系统周期已经稳定，假设在t1时刻（电压V1）电阻突然减小到报警值以下，波形发生变化，当到达采样时刻t2时，测得此时电压V2,CPU判断两者之差大于设定的值，下半周周期加倍，变为2T（之前为T），由于电容很小，系统会在2T时间运行结束之前提前稳定。虽然系统会在周期完成之前提前结束，但响应时间会增大，如果取一个完整的正负周期的信号作报警响应的依据，则大大增加了响应时间。为了解决这个问题，系统在半周结束之后计算电阻值（独立信号），如果该电阻值小于设定的报警值，则发出报警信号，响应值即为图6中的t2~t1，经实际测试，响应时间基本维持在5s以内，最长不超过6秒。
3.4 软件其它描述
　　软件校准采用线性分段式校准法，共8个校准点，保证了仪表的精度；为了滤除信号中的噪声干扰，数字滤波依次采用冒泡法（对数据排序）、中位值滤波法、平均值滤波法对数据进行处理，保证了信号的可靠性和稳定性。

4．试验结果
　　该产品已通过许昌开普检验中心的的型式试验，功能和性能均满足国际标准要求。经试验验证，该仪表在电阻1K-5M、电容0-150uF的条件下，显示值与实际值的比值均保持在10%以内，测量精度达标，能满足各种环境中不接地系统绝缘监测的需求。

5.结语
 　　本文介绍了一种新型绝缘监测装置，与市场绝缘监测仪表相比，其优势在于可监测直流不接地系统、允许系统泄露电容大、测量周期短、响应时间短等。经过试验，本文介绍的绝缘监测装置在交流、直流不接地系统均可可靠工作，可以为不接地系统提供一种可靠的监测。
　文章来源：《智能建筑电气技术》2016年3期。

参考文献
[1] 王厚余.论it系统的应用.中国航空工业规划设计研究院（北京）.
[2] JGJ 16-2008民用建筑电气设计规范[S].
[3] 刘国平.船舶电气与通信.第一版.北京：海洋出版社，2004.
[4] 王巍，王金全，杨涛，等.低压IT系统几个关键问题探讨[J].建筑电气，2011（11）：47-50.
[5] 马涛，王金全，金伟一，等.三相四线制IT系统绝缘监测技术方案研究[J].船电技术.2008（5）：277-280.
[6] IEC 61557-8Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000Va.c.and1500V d.c. - Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part8:Insulation monitoring devices for IT systems