楊帥1  李興勤2 李平1 王長青1

（1.安科瑞電氣股份有限公司
，上海 201801）
（2. 四川西南廣廈建築設計院有限公司，四川 成都 610042）

摘要：在(zai)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)
，為(wei)防(fang)止(zhi)由(you)於(yu)多(duo)點(dian)接(jie)地(di)而(er)引(yin)發(fa)嚴(yan)重(zhong)後(hou)果(guo)
，需(xu)要(yao)實(shi)時(shi)對(dui)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)對(dui)地(di)絕(jue)緣(yuan)監(jian)測(ce)

，並(bing)在(zai)監(jian)測(ce)到(dao)對(dui)地(di)絕(jue)緣(yuan)故(gu)障(zhang)時(shi)，進(jin)行(xing)故(gu)障(zhang)定(ding)位(wei)。本(ben)文(wen)在(zai)介(jie)紹(shao)絕(jue)緣(yuan)定(ding)位(wei)用(yong)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)
，詳(xiang)細(xi)闡(chan)述(shu)了(le)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)硬(ying)件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)。本(ben)文(wen)中(zhong)設(she)計(ji)的(de)產(chan)品(pin)已(yi)通(tong)過(guo)試(shi)驗(yan)檢(jian)驗(yan)
，可(ke)應(ying)用(yong)於(yu)IT係統，為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。
　　關鍵詞：IT係統  信號發生器  故障定位
0 引言　　

在IT係統中，單點接地故障是一種很常見的故障。一旦出現單點接地故障

，IT係統就會變為TN-S係統，雖然可以帶故障繼續運行，但已經失去了ITxitongdeyoudian，zengjialeanquanyinhuan。yincixuyaoshishijiancexitongdeduidijueyuanzhuangkuang，bingzaijiancedaoduidijueyuanguzhangshi

，nengtongguoyibiaozidongdingweiguzhangdianzhilu。ruomeiyouzidongdingweigongneng，yidanchuxianguzhang，zhinengyikaorengongduiduodashushitiao
、數百條，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性。這在某些需要連續供電的特殊場所（如醫院手術室等）是不允許的[1]。
     基於上述情況，本文設計了一種絕緣故障定位用信號發生器，它裝設於IT係統中
， 配合絕緣故障定位裝置實現絕緣故障定位功能。當IT係統發生絕緣故障時
，信號發生器啟動並產生定位信號
，注入到ITxitongyudizhijian。jueyuanguzhangdingweizhuangzhitongguochuanganqizhuluxunjian，dangjiancedaodingweixinhaoliujingmouzhilushi，biankequedinggaizhiluweijueyuanguzhangsuozaihuilu。cishi，caozuorenyuankeyoumudexingdezhenduigaiguzhangzhilujinxingduandianhuoqitabaohucaozuo，bubizhutiaozhiluduandianjinxingpaizha，bujintigaolegongzuoxiaolv

，yeyouxiaodebaozhanglexitonggongdiandelianxuxing。yinci，duidianlixitonggongdiandeanquanxing、連續性和可靠性具有極其重要的意義。
1 信號發生原理

信號發生器的工作原理是當IT係(xi)統(tong)發(fa)生(sheng)單(dan)點(dian)接(jie)地(di)故(gu)障(zhang)時(shi)，輪(lun)流(liu)在(zai)係(xi)統(tong)某(mou)根(gen)線(xian)與(yu)大(da)地(di)之(zhi)間(jian)注(zhu)入(ru)定(ding)位(wei)信(xin)號(hao)，以(yi)便(bian)絕(jue)緣(yuan)故(gu)障(zhang)定(ding)位(wei)儀(yi)能(neng)在(zai)故(gu)障(zhang)支(zhi)路(lu)上(shang)監(jian)測(ce)到(dao)定(ding)位(wei)信(xin)號(hao)。常(chang)采(cai)用(yong)圖(tu)1所示發生原理。

圖1 信號發生器的發生原理

　　在IT係統中
，注入的測試信號的有效值必須足夠小，以免對IT係統形成太大幹擾或對係統負載造成危害；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測。
　　考慮以上兩種情況，本文采用脈衝信號作為測試信號。如果脈衝信號幅度足夠大
，寬度足夠窄，則可以實現有效值足夠小
、峰值足夠兩個期望目標。從簡化設計的角度出發，沒有必要在信號發生器上直接產生高壓脈衝信號，可以通過截取IT係統中交流信號的波峰來實現。
　　對於單項交流IT係統
，兩根線L1、L2間電壓為AC220V，其峰值為 ，滿足脈衝峰值足夠大的要求。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”的規定，將電壓閾值設為50V[2]。依此，可計算出脈衝寬度（由於脈衝寬度很小，為方便計算，可將此峰值脈衝視為幅度為 ]的矩形脈衝）。

                       　　當交流電壓周期為50Hz時
，脈衝寬度

                    　　   當交流電壓為60Hz時，脈衝寬度

     利用單片機的定時器功能
，配合光耦，可以精確截取0.4ms的峰值脈衝。由於0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，並且實際截取的脈衝信號中，除波峰一點外，其餘點幅度均小於 ，因此其有效值一定會小於設定的閾值50V，可以滿足脈衝有效值足夠小的要求。
2 硬件設計

　　本設計的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控製模塊、監測模塊、信號發生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設計原理框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計原理框圖

信號發生器上電後
，CPU即通過監測模塊對IT係統的電壓進行實時監測，測量出IT係xi統tong的de交jiao流liu頻pin率lv。當dang係xi統tong發fa生sheng對dui地di絕jue緣yuan故gu障zhang時shi，信xin號hao發fa生sheng器qi根gen據ju測ce量liang出chu的de頻pin率lv大da小xiao
，確que定ding測ce試shi信xin號hao的de脈mai衝chong寬kuan度du以yi及ji脈mai衝chong頻pin率lv，截jie取qu係xi統tong波bo峰feng
，產chan生sheng測ce試shi信xin號hao，輪lun流liu加jia到daoL1-PE、L2-PE間。由於發生絕緣故障，故障支路可等效為一較小值電阻，連接ITxitongfashengguzhangdexianyijidadi，xingchengdianliuhuilu，ceshixinhaonengzaiguzhangzhilushangchanshengceshidianliu，jueyuanguzhangdingweiyizhuluxunhuijiancegezhilushi
，zaimougezhilushangjiancedaociceshidianliu，jikepandingcitiaozhiluweiguzhangzhilu。benshejizhong，zhongyangkongzhimokuaixuanyongST公司生產的32位ARM CortexTM-M3內核單片機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和外圍資源，片內RAM 20KB和FLASH閃存64KB，帶有多通道的12位A/D轉化模塊，以及多個SPI、I2C、CAN等通訊接口

，大大簡化了外圍電路的設計。
3 軟件設計

　　信號發生器的控製程序用C語言編寫完成
，在程序設計中采用了結構化程序設計方法，便於程序代碼的維護
、移(yi)植(zhi)和(he)升(sheng)級(ji)。係(xi)統(tong)上(shang)電(dian)後(hou)，首(shou)先(xian)完(wan)成(cheng)各(ge)個(ge)模(mo)塊(kuai)的(de)初(chu)始(shi)化(hua)和(he)自(zi)檢(jian)
，確(que)保(bao)係(xi)統(tong)工(gong)作(zuo)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)

，然(ran)後(hou)確(que)定(ding)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)各(ge)個(ge)部(bu)分(fen)硬(ying)件(jian)電(dian)路(lu)正(zheng)常(chang)後(hou)
，自(zi)動(dong)進(jin)入(ru)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)，係(xi)統(tong)主(zhu)程(cheng)序(xu)流(liu)程(cheng)圖(tu)如(ru)圖(tu)3所示。

圖3 軟件流程圖

　　為了充分保證信號發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）shuzilvbosuanfa。suizhedianlixitongderijianfuza，dianwangzhongdexiebohanliangbuduanzengjia。xinhaofashengqicaijidaodediyishouxinhaozhongziranyebaohanledalianglexiebofenliang
，yijiqitayixiezaoshengganrao。zhexieganraoruguobulvchu
，huigeihouxujisuandailaiyingxiang。weilebimianzhexieyingxiang，ruanjianzaicaijidaoshujuzhihou，caiyongleshuzilvbosuanfajinxingchuli，lvchudiaoxinhaozhongxiebo、噪聲等幹擾的部分
，隻讓有用的信號參與結果運算，從而使計算的結果更加精確可靠。
   （2）IT係統交流頻率自適應法。因為工作環境的多樣性，工作電壓不一定就是50Hz，實際中的電壓頻率可能更高或更低，因此要通過監測模塊實時監測IT係統的交流頻率。監測模塊將比較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。由於電壓比較時存在一定的閾值電壓，所以會存在t1＞t2或t2＞t1的現象。如果t1+t2=20ms，即係統交流頻率為50Hz
，如果此時出現係統對地絕緣故障，即可在(t1/2-0.2)ms與(t1/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈衝，在(t2/2-0.2)ms與(t2/2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈衝。

　圖4  L1、L2間電壓及截取的脈衝電壓

如圖4所示
，係統電壓的每個周期

，信號發生器截取兩次脈衝，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）。如果故障點發生在L1線上，則在L1-L2的負半波的波峰處截取的脈衝波形可以在故障支路上表現為正，能被絕緣故障定位儀監測到；如果故障點發生在L2線上
，則在L1-L2的正半波的波峰處截取的脈衝波形可以在故障支路上表現為正
，能被絕緣故障定位儀監測到。
　　如果t1+t2=10ms
，考慮到脈衝有效值小於50V的需求，可以不用每個周期截取兩次脈衝（L1-L2正半波，L1-L2負半波），而選擇每兩個周期截取兩次脈衝（L1-L2正半波，L1-L2負半波）。其他頻率依次類推即可。
4 信號發生器在醫療IT絕緣監測及故障定位係統的應用

　　基於本文設計的信號發生器
，已成功應用於某醫院重症監護室，係統應用如圖5所示。通過通訊線路，將絕緣監測儀、絕緣故障定位儀和信號發生器構成一個局域網絡。信號發生器上電後自動進入監測模式，監測IT係統的頻率。當絕緣監測儀監測到IT係統發生對地絕緣故障時，通過通訊線路
，啟動信號發生器和絕緣故障定位儀
，進入信號發生模式和故障定位模式。

圖5 某醫院重症監護室IT係統應用圖

　　在實際工程應用中
，信號發生器產生的脈衝波形如圖6所示，由圖可看出，該波形存在大量的雜波幹擾，峰值也較理論的 偏小（圖6中正弦波形為係統電壓，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視到的波形，經過濾波等預處理操作之後
，如圖7所示。

圖6  信號發生器產生的波形

圖7  絕緣故障定位儀監測到的波形

由圖7可(ke)看(kan)出(chu)，監(jian)測(ce)到(dao)的(de)脈(mai)衝(chong)波(bo)形(xing)比(bi)幹(gan)擾(rao)波(bo)形(xing)要(yao)高(gao)的(de)多(duo)

，形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)明(ming)顯(xian)的(de)落(luo)差(cha)，通(tong)過(guo)設(she)定(ding)適(shi)當(dang)的(de)閾(yu)值(zhi)
，配(pei)合(he)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)等(deng)條(tiao)件(jian)
，可(ke)以(yi)準(zhun)確(que)地(di)判(pan)斷(duan)出(chu)此(ci)支(zhi)路(lu)是(shi)否(fou)有(you)測(ce)試(shi)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)，即(ji)此(ci)支(zhi)路(lu)是(shi)否(fou)有(you)絕(jue)緣(yuan)故(gu)障(zhang)。
　　jiancedaoguzhangzhiluhou，jueyuanguzhangdingweiyixianshiguzhangzhilushu
，tongshitongguotongxunxianlu
，jiangguzhangzhiluxinxifanhuigeijueyuanjianceyi。jueyuanjianceyilijibaojing，tongguojiemianxianshiguzhangzhilushu，tongshitongguotongxunxianlu
，minglingxinhaofashengqihejueyuanguzhangdingweiyitingzhifashengxinhaoheguzhangdingwei，xinhaofashengqizaicijinrujiancemoshi。
　　此次工程施工完成後
，在現場對係統進行調試，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 結語      

    本文設計的絕緣故障定位用信號發生器，具有自適應IT係統頻率
，注入高峰值、低有效值脈衝波形等功能，並可以通過麵板指示燈指示當前工作狀態。基於本設計的產品符合相關國家標準的要求，並能為IT係統提供安全
、可靠的供電解決方案。本文最後還對醫院重症監護室的IT係xi統tong絕jue緣yuan故gu障zhang定ding位wei做zuo了le初chu步bu探tan討tao
，給gei醫yi院yuan建jian築zhu電dian氣qi設she計ji者zhe提ti供gong一yi點dian參can考kao。在zai應ying用yong中zhong
，不bu同tong工gong程cheng的de實shi際ji情qing況kuang非fei常chang複fu雜za，還hai會hui遇yu到dao許xu多duo新xin的de問wen題ti，望wang同tong仁ren們men進jin一yi步bu探tan討tao。

 文章來源：《智能建築電氣技術》2014年 第1期

 參考文獻：
[1] JGJ 16-2008 民用建築電氣設計規範[S].
[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