胡月華1 ，楊帥2
（1.武漢科技大學，武漢 430081；2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）
[摘要]在介紹絕緣定位用信號發生器工作原理的基礎上，闡述了信號發生器的硬件和軟件設計。基於本設計的產品已通過試驗檢驗，可應用於IT係統中，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
IT係統一旦出現單點接地故障就會變為TN-S係統，雖然可以帶故障繼續運行，但已失去IT係xi統tong的de優you點dian，增zeng加jia了le安an全quan隱yin患huan，因yin此ci需xu要yao實shi時shi監jian測ce係xi統tong的de對dui地di絕jue緣yuan狀zhuang況kuang，並bing能neng通tong過guo儀yi表biao自zi動dong定ding位wei故gu障zhang點dian支zhi路lu，否fou則ze，一yi旦dan出chu現xian故gu障zhang，隻zhi能neng依yi靠kao人ren工gong來lai實shi現xian絕jue緣yuan故gu障zhang點dian的de定ding位wei查zha找zhao，不bu僅jin費fei時shi費fei力li，而er且qie破po壞huai了le供gong電dian連lian續xu性xing。為wei此ci，本ben文wen設she計ji了le一yi種zhong絕jue緣yuan故gu障zhang定ding位wei用yong信xin號hao發fa生sheng器qi（以下簡稱信號發生器），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，caozuorenyuankeyoumudidezhenduigaiguzhangzhilujinxingduandianhuoqitabaohucaozuo，bubizhutiaozhiluduandianjinxingpaizha，congertigaolegongzuoxiaolv，baozhanglexitonggongdiandelianxuxing。
1 信號發生器原理
信號發生器工作原理：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。信xin號hao發fa生sheng器qi原yuan理li如ru圖tu1所示。
圖1 信號發生器原理圖
在IT係統中，注入的測試信號有效值必須足夠小，以免對IT係統形成太大幹擾，，甚至對係統負載造成危害；但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。
考慮以上兩種情況後，本文采用脈衝信號作為測試信號。脈衝信號幅度足夠大、寬度足夠窄，就可實現足夠小的有效值、足夠大的峰值兩個期望目標。從簡化設計的角度出發，沒必要在信號發生器上直接產生高壓脈衝信號，可通過截取IT係統中交流信號的波峰來實現。
對於單相交流IT係統， L1、L2線間電壓為AC 220V，其峰值為220V，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。據此，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220的矩形脈衝）為：
當交流電壓周期為50Hz時，脈衝寬度為：
當交流電壓為60Hz時，脈衝寬度為：
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，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
2 硬件設計
信號發生器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電阻，連接ITxitongfashengguzhangdexianluyijidadi，xingchengdianliuhuilu，yinciceshixinhaonengzaiguzhangzhilushangchanshengceshidianliu。jueyuanguzhangdingweiyizhuluxunjiangezhilushi，zaimouzhilushangjiancedaociceshidianliu，jikepandingcitiaozhiluweiguzhangzhilu。benshejizhong，zhongyangkongzhimokuaixuanyongST的32位ARM -M3內核單片機STM32F103。該芯片處理速度快，最高運行速度可達72MHz；具有豐富的片內外圍資源，內部有20KB的片內RAM和多達64KB的FLASH閃存，帶有多通道的12位A/D轉化模塊，以及多個SPI、C、CAN等通信接口，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由C語言編寫，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、移植和升級。係統上電後，首先完成各模塊的初始化和自檢，確保係統工作的可靠性；然後確定係統中各部分硬件電路正常後，自動進入正常工作模式。係統主程序流程如圖3所示。
圖3 係統主程序流程圖
為了保障信號發生器運行準確與可靠，保證設備不會誤動，軟件上采用了特定的程序算法進行處理。
（1）數字濾波算法。信號發生器采用數字濾波算法濾除信號中諧波、噪聲等幹擾，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線間的電壓，UL1 ＞UL2 和UL1 ＜UL2 的時間分別記為t1 和t2 。因為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），出現係統對地絕緣故障時，就可在
如圖4所示，在係統電壓的每個周期，信號發生器截取2次脈衝，分別在L1-L2的正半波波峰處（圖4中第二行），以及L1-L2的負半波波峰處（圖4中第三行）。若故障點在L1線上，則在L1-L2的負半波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；若故障點在L2線上，則在L1-L2的正半波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。
圖4 L1、L2間電壓及截取的脈衝電壓
如果t1 +t2 =10ms，考慮到脈衝有效值小於50V的需求，那麼可以不用每個周期截取2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）。其它頻率依次類推即可。
圖5 信號發生器實物圖
當IT配電係統無故障運行時，信號發生器自動監測係統頻率。當IT配電係統發生單點接地故障時，信號發生器產生測試脈衝信號，配合絕緣監測儀、絕緣故障定位儀定位故障支路。
信號發生器已通過型式試驗檢驗，各項指標均達到國家標準的要求，目前已成功應用於某醫院重症監護室，如圖6所示。通過通信線路，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，通過通信線路，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6 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7所示。
圖7 信號發生器產生的波形圖
由圖7可知，該波形存在大量的雜波幹擾，峰值也較理論的偏小（圖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要求。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後，如圖8所示。
圖8 絕緣故障定位儀監測到的波形
由圖8kezhi，jiancedaodemaichongboxingbiganraoboxingyaogao，xingchengyigemingxiandeluocha。tongguoshedingshidangdeyuzhi，peihemaichongkuandudengtiaojian，kezhunquepanduanchucizhilushifouyouceshixinhaotongguo，jicizhilushifouyoujueyuanguzhang。
jiancedaoguzhangzhiluhou，jueyuanguzhangdingweiyixianshiguzhangzhilushu，tongshitongguotongxinxianlu，jiangguzhangzhiluxinxifanhuigeijueyuanjianceyi。jueyuanjianceyishoudaoxinxihoulijibaojing，tongguojiemianxianshiguzhangzhilushu，tongshiminglingxinhaofashengqihejueyuanguzhangdingweiyitingzhifachuxinhaoheguzhangdingwei，xinhaofashengqizaicijinrujiancemoshi。
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%，這充分證明了該信號發生器的可行性。
4 結束語
本文設計的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，多係統組網等功能，並可通過麵板指示燈顯示當前工作狀態。該信號發生器符合國家相關標準，配合絕緣監測儀、絕緣故障定位儀，能為IT係統提供安全、可靠的供電解決方案。
文章來源：《電工技術》 2014年 第4期
參考文獻
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Part 9: Equipment for insulation fault location in IT systems
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