周讚強1  沈標2  李平3

（1.中國聯合工程公司，浙江 杭州310052）

（2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

（3.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘  要: IT係統配電方式應用在一些重要場所（如礦井、玻璃廠和集會場所的安全照明等），在zai這zhe些xie場chang所suo
，因yin意yi外wai導dao致zhi的de斷duan電dian將jiang會hui造zao成cheng慘can重zhong的de人ren員yuan傷shang亡wang和he財cai產chan損sun失shi。裝zhuang設she絕jue緣yuan監jian測ce裝zhuang置zhi可ke以yi解jie決jue由you於yu係xi統tong對dui地di絕jue緣yuan性xing能neng降jiang低di導dao致zhi斷duan電dian的de問wen題ti。介jie紹shao了le一yi種zhong用yong於yu工gong業yeIT係統的絕緣監測儀(IMD)
，並詳述了絕緣監測儀的硬件和軟件設計原理。目前該絕緣監測儀已通過試驗驗證，並在市場上大量銷售
，為工業IT配電係統提供了可靠的絕緣監測。

關鍵詞: 交流IT係統  絕緣監測裝置  高壓IT配電係統
 

引言

   在一些重要的工業場所（如：礦井、玻璃廠和某些集會場所的安全照明
，某些電爐的試驗設備，冶金廠和化工廠等），意外斷電會造成人員傷亡和重大的財產損失，因此需采用安全性和可靠性較高的IT係統供電。在IT係統中
，隨著時間的推移
，係統對地的絕緣程度下降，當出現第一點接地故障時，IT係統仍能正常運行
，但此時ITxitongyicunzaianquanyinhuan，ruguozaichuxianbutongxiangshangdedierdianjiediguzhang，jianghuichanshenghendadeduanludianliu，zaochengqianduandeduanluqituokou，zhishixitongchuxianduandianshigu。genju（JGJ 16-2008）《民用建築電器設計規範》第7.2.3條規定， ITpeidianxitongbixupeibeijueyuanjianshiyi。zaixitongchuxiandiyidianjiediguzhangshi，zhuangzhichanshengjinggaohuobaojingxinxi，jishitixingweixiurenyuanduixitongjinxingguzhangpaizha，duanshijianneiwuxutiaozha
，congerbaozhengleIT係統供電的可靠性和連續性。

   國外對電力係統監測與故障診斷技術的研究始於20世紀60年代
，各個發達國家都很重視，但到了20世紀七八十年代，隨著傳感器技術
、信號采集技術、數字分析技術和計算機技術的發展與應用
，在線診斷技術才得到迅速發展 。傳統的測量方法有平衡電橋法、差流檢測法以及555定(ding)時(shi)器(qi)測(ce)量(liang)電(dian)阻(zu)法(fa)等(deng)。這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)都(dou)有(you)各(ge)自(zi)的(de)優(you)勢(shi)，但(dan)由(you)於(yu)應(ying)用(yong)場(chang)所(suo)的(de)不(bu)同(tong)以(yi)及(ji)受(shou)現(xian)場(chang)環(huan)境(jing)的(de)影(ying)響(xiang)，上(shang)述(shu)測(ce)量(liang)方(fang)式(shi)還(hai)存(cun)在(zai)著(zhe)可(ke)靠(kao)性(xing)不(bu)足(zu)、測量範圍較窄和測量精度不高等缺點。針對這些問題，本文提出一種基於交流IT的絕緣監視裝置的設計：硬件上采用STM32內置的12位A-D采樣、四階低通濾波電路和128x32液晶顯示，軟件上采用軟件濾波和最小二乘法求斜率與偏移量。最大限度的提高了測量精度（3%）
、測量範圍（0—999K）,並且在不同環境都能滿足精準監測的需求。

絕緣監測儀工作原理  

絕緣監測儀的工作原理如圖1所示：

圖1：絕緣監測儀工作原理

   圖中R1為分壓電阻，Rf是絕緣監測儀監測的對象—係統對地電阻
，電源端的帶電導體不接地
，隻作設備外殼的保護接地。正常情況下，係統與地是絕緣的，此時Rf等效於無窮大；當係統出現絕緣故障時
，如係統導線與外殼直接接觸，則導致係統與地直接連接，此時的Rf等效於0。絕緣監測儀向係統注入直流信號，經過Rf進入絕緣監測儀，構成一個閉合回路
，通過簡單的歐姆定律即可算出Rf的大小。該測量原理簡單可靠，適用於不含直流分量的IT係統，又因采用直流信號可以有效的避免係統電容造成的影響，使其測量的阻抗具有較高的準確度，可以很好地反映係統的絕緣性能。

硬件設計

   本設計中，中央處理模塊選用ST公司生產的32位ARM cortex-M3內核的芯片（STM32F103RBT6）
，該芯片處理速度快，主頻可達72MHz
，並且具有豐富的片內外圍資源

，內部具有20KB的片內SRAM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
、IIC、CAN等通訊接口
，大大簡化了外圍電路的設計。

   該儀表除了最基本的測量係統對地電阻外
，自帶兩路繼電器輸出，采用128x32液晶模塊作為人機接口，帶有RS 485通訊，遵循Modbus-RTU協議，有預警報警功能
，各個參數可以自行設定。

   本裝置硬件功能模塊主要包括電源模塊、信號注入模塊、信號測量模塊、人機接口、鐵電存儲模塊

、通訊模塊和開關量輸出模塊等組成。硬件框圖如圖2所示：

圖2：絕緣監測儀硬件模塊設計

1 信號測量電路

   在交流IT係統中
，具有不同電壓等級，如400V和760V（更高電壓等級的需要配合高壓耦合器使用）。yincijueyuanjianceyineibuxuyaojuyoumanzuzhexiebutongdianyadengjidejiangyadianlu。jueyuanjianceyishangdianzhihou，xinhaozhurumokuaihuichixuzhuruyigetedingdezhiliudianyadaobeijiancexitongzhong，xitongceliangdeshiR1、R2、Rf的和，由於R1、R2的值是已知的，所以隻要減去R1
、R2，即可求出Rf。測量電路如圖3所示：

圖3. 信號測量電路

2 濾波放大電路

   在(zai)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)
，由(you)於(yu)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)存(cun)在(zai)
，可(ke)能(neng)會(hui)對(dui)信(xin)號(hao)采(cai)樣(yang)造(zao)成(cheng)幹(gan)擾(rao)
，所(suo)以(yi)要(yao)對(dui)采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)濾(lv)波(bo)處(chu)理(li)
，該(gai)設(she)計(ji)采(cai)用(yong)四(si)階(jie)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)
，電(dian)路(lu)截(jie)止(zhi)特(te)性(xing)好(hao)
，曲(qu)線(xian)的(de)衰(shuai)減(jian)率(lv)陡(dou)
，同(tong)時(shi)提(ti)高(gao)了(le)測(ce)量(liang)準(zhun)確(que)度(du)
，濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)如(ru)圖(tu)4所示：

圖4：四階低通濾波電路

由於此電路由兩個相同二階電路組成，因此隻需分析一個即可。對第一個二階電路：當頻率f=0時，C1和C6均開路
，通帶放大倍數

         (1)

設R6、C6和R7相交的點為M,輸入電壓信號為Ui，輸出電壓信號為Uo。根據放大器虛短虛斷
，對M點列電流方程：

(2)

其中

       (3)

解上麵兩個方程可得：

  (4)

對比壓控電壓源二階低通濾波電路模型可得：

    (5)

式中，f0表示截止頻率,代入數據得f0 ≈2.567Hz
，該濾波器允許頻率低於f0的波形通過
，大於該頻率的波形將會不同程度的衰減。

   下麵針對該電路進行仿真。輸入是一個雜波
，其輸入含有直流信號，高頻信號。其波形如圖5所示：

圖5：輸入波形

   從圖5可以看出，除了我們注入的直流波形外，還有一些高頻雜波信號，經過濾波電路之後，波形如圖6所示：

圖6：濾波之後的波形

   對比圖5和圖6
，高頻雜波信號被濾除，濾波效果良好達到試驗預期要求。

2.3 自檢電路

   根據IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電係統中的電氣安全防護措施的試驗
、測量和監控設備》第8部分:IT係統中絕緣監控裝置第4.2規定，絕緣監視裝置應包括一個測試裝置或裝有測試裝置連接器，以測試該絕緣監控裝置是否能完成其功能。

圖7：最小二乘法進行線性擬合示意

   針對這個要求
，在儀表內部設計了自檢電路，且內置了高精度電阻R2。如圖7所示。當起動自檢時，繼電器動作，在測試電路中取樣信號Sample和self-inspection之間作了切換。自檢的目的是為了模擬正常的信號，測試裝置是否能測量出內置電阻阻值，並且發出自檢正常信息。

軟件設計

   絕緣監測儀采用結構化程序設計思想，采用Cyuyanjinxingbianxie。zhuangzhizaishangdianshiduineibushizhonghesuoxuyaodewaishejinxingchushihua，ranhoukaishiduqucunchuzaitiedianzhongchuchangtiaoshidexiaozhuncanshu，xiaozhunxishucunfangzaitiediancunchuqizhong，wuxudanxindiaodiandaozhishujudiushi。dangzhuangzhizijianlesuoyoudianlushi，kaishijinruzhengchangdejiankongmoshi。chengxuliuchengturutu8所示：

圖8：軟件處理流程圖

  1.最小二乘法進行線性擬合

   lixiangqingkuangxia，jueyuanjiancezhuangzhizaizhenggeceliangfanweineidouyinggaishixianxingde，danyouyudianluneibuyuanqijiancanshudechayi
，dianzuceliangzhikenengchengquxianfenbu
，cishixuyaoyongzuixiaoerchengfazhaochumougefanweineizuijiejinxiaozhundiandezhixian。zuixiaoerchengfaxianxingniheshiyiturutu9所示：

圖9：最小二乘法進行線性擬合示意

若已知：y= ax + b，則方程為

   把坐標值代入
，求得係數a和b，並將係數保存起來，當求另一點縱坐標時，隻需代入各參數即可。對於此監測儀，圖中各點代表各校準點
，代入數據即可求得斜率與0偏移量。傳統方式多是求關於兩點的斜率和偏移值
，這樣測量精度就比較低。具體對比如圖10所示：

圖10：示意圖

1-理想儀表曲線 2-本文介紹儀表線性曲線 3-某市售儀表線性曲線

   由圖9可以看出
，該儀表所采用的最小二乘法所得出的線性曲線更接近於理想曲線。

2.數字濾波算法

   在工業IT配pei電dian係xi統tong中zhong，多duo數shu用yong電dian設she備bei會hui產chan生sheng很hen多duo的de幹gan擾rao信xin號hao，因yin此ci裝zhuang置zhi需xu要yao濾lv除chu信xin號hao中zhong的de噪zao聲sheng幹gan擾rao
，讓rang需xu要yao的de信xin號hao參can與yu結jie果guo運yun算suan。絕jue緣yuan監jian測ce儀yi在zai采cai集ji了le數shu據ju之zhi後hou
，通tong過guo內nei部bu數shu字zi濾lv波bo算suan法fa濾lv除chu掉diao噪zao聲sheng幹gan擾rao，再zai計ji算suan出chu絕jue緣yuan電dian阻zu的de大da小xiao。在zai此ci采cai用yong中zhong位wei值zhi平ping均jun濾lv波bo法fa
，其qi基ji本ben過guo程cheng是shi：首先對數據進行由大到小排序（冒泡法），去掉最小和最大的幾個值
，保留中間的那些值（中位值濾波法）。如此進行幾次運算
，取這幾次的平均值即可。（平均值濾波法）

試驗結果

   絕緣監測儀已通過相關的型式試驗，包括電氣性能試驗和電磁兼容（EMC)試驗。性能參數皆超過國際標準要求。在60℃的溫度下，絕緣監測儀測得的數據與標準的阻值、某市售儀表的對比如下表所示。

表  60℃（空氣濕度95%）對比

   根據IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低壓配電係統中的電氣安全防護措施的試驗

、測量和監控設備》第8部分:IT係統中絕緣監控裝置第4.6表1規定，相對不確定度必須在±15%以內。由上表可是，555定時器法測量誤差波動範圍比較大，高準確度儀表顯示誤差均保持在3%以內，測量精度明顯高於該儀表，因而在不同環境中的使用效果更為穩定、可靠。

結束語

   由於ITxitongdeanquanxinghegongdianlianxuxinghao，suoyizaiguoneiyoulianghaodefazhanqianjing，qianquanxinghelianxuxingdoushijianlizaishishiduiqijiancedejichushang。ranershishoudejueyuanjianceyibiaozhongleishao
，celiangfanweizhai，zaibutonghuanjingxiadeceliangjingdubuyizhi。zhenduizhezhongqingkuang，shejilegaojingdudejueyuanjianceyi。gaiyibiaocaiyongderuanyingjiancelianghechulifangshizonghexingnengjiaogao，celiangfanweiguang（0-999K），測量精度高（-20-65℃空氣濕度95%的條件下精度均能控製在3%範圍內），這是傳統儀表所不具備的。

文章來源：《電氣應用》2015年8期。

參考文獻

[1] 王厚餘.論it係統的應用.中國航空工業規劃設計研究院（北京）.

[2] JGJ 16-2008民用建築電氣設計規範[S].

[3] 劉國平.船舶電氣與通信.第一版.北京：海洋出版社，2004.

[4] 黃盛潔，姚文捷，等.電氣設備絕緣在線監測與狀態維修.第一版.北京：中國水利水電出版社,2004.

[5] 華成英，童詩白.模擬電子基礎.第四版.高等教育出版社
，2006.

[6] 何靜等.基於單片機和555定時器的電阻測量電路的設計.電子工程師
，2008（2）.

[7] IEC 615578Electrical 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