趙雪蓮¹  沈標²  

（1.青海三佳工程設計谘詢有限公司

，青海 810000）

（2.安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定 201801）

摘  要: 介紹了一種用於工業不接地係統的絕緣監測裝置(IMD)，針對現有技術的不足，提供了一種新的硬件平台，可監測400V等deng級ji的de交jiao直zhi流liu不bu接jie地di係xi統tong，並bing詳xiang述shu了le絕jue緣yuan監jian測ce儀yi的de硬ying件jian和he軟ruan件jian設she計ji原yuan理li。目mu前qian該gai絕jue緣yuan監jian測ce儀yi已yi通tong過guo試shi驗yan驗yan證zheng

，並bing在zai市shi場chang上shang大da量liang銷xiao售shou
，為wei工gong業ye不bu接jie地di配pei電dian係xi統tong提ti供gong了le可ke靠kao的de絕jue緣yuan監jian測ce。

關鍵詞: 交直流不接地係統  絕緣監測裝置  自適應  IMD

0.前言

    在一些對供電連續性要求較高的場所（如：礦井
、化工廠

、玻璃廠
、冶金廠
、某些集會場所的安全照明和某些電爐的試驗設備等），設she備bei故gu障zhang斷duan電dian會hui帶dai來lai巨ju大da的de損sun失shi，因yin此ci采cai用yong不bu接jie地di係xi統tong可ke以yi有you效xiao減jian少shao斷duan電dian發fa生sheng的de頻pin率lv
，這zhe是shi由you於yu在zai不bu接jie地di係xi統tong第di一yi次ci出chu現xian接jie地di故gu障zhang時shi，係xi統tong還hai能neng夠gou繼ji續xu使shi用yong，不bu會hui出chu現xian斷duan電dian的de狀zhuang況kuang，如ru果guo第di一yi次ci接jie地di故gu障zhang是shi人ren為wei導dao致zhi，則ze對dui人ren體ti基ji本ben沒mei有you太tai大da的de傷shang害hai
，但dan此ci時shi係xi統tong已yi經jing存cun在zai安an全quan隱yin患huan
，如ru果guo不bu及ji時shi排pai除chu故gu障zhang，當dang再zai次ci出chu現xian異yi相xiang接jie地di故gu障zhang時shi，係xi統tong就jiu有you可ke能neng斷duan電dian，從cong而er造zao成cheng嚴yan重zhong後hou果guo。安an裝zhuang絕jue緣yuan監jian測ce裝zhuang置zhi，可ke以yi實shi時shi顯xian示shi係xi統tong對dui地di絕jue緣yuan電dian阻zu，在zai係xi統tong第di一yi次ci出chu現xian絕jue緣yuan故gu障zhang時shi

，發fa出chu報bao警jing信xin號hao
，及ji時shi提ti醒xing維wei修xiu人ren員yuan對dui係xi統tong進jin行xing故gu障zhang排pai查zha，短duan時shi間jian內nei無wu需xu跳tiao閘zha
，從cong而er保bao證zheng了leIT係統供電的可靠性和連續性^[1]。JGJ 16-2008《民用建築電器設計規範》第7.2.3條規定， IT配電係統必須配備絕緣監視儀^[2]。國guo外wai對dui此ci也ye很hen重zhong視shi，在zai上shang世shi紀ji六liu十shi年nian代dai，各ge個ge發fa達da國guo家jia已yi經jing開kai始shi對dui電dian力li係xi統tong的de研yan究jiu，但dan是shi其qi快kuai速su發fa展zhan是shi在zai上shang世shi紀ji七qi十shi至zhi八ba十shi年nian代dai。這zhe十shi年nian間jian，數shu字zi電dian路lu的de集ji成cheng、計算機的迅速發展、各類傳感器的出現推動了電子測量領域的發展。目前國內一些廠家愈發重視對絕緣監測產品的研究
，主流的測量方式有直流信號注入法、交流信號注入法、平衡橋測量法等等。以上測量方式有各自的優勢


，但由於應用場所環境的差別（泄露電容
、直流信號的存在等等）較大
，可能存在著測量範圍較窄
、測量精度不高、係統中允許泄露電容較低
、測量周期長、隻zhi能neng用yong於yu交jiao流liu係xi統tong等deng缺que點dian。本ben文wen提ti出chu一yi種zhong新xin型xing絕jue緣yuan監jian測ce裝zhuang置zhi的de設she計ji原yuan理li，該gai裝zhuang置zhi采cai用yong自zi適shi應ying係xi統tong頻pin率lv的de方fang法fa，有you絕jue緣yuan電dian阻zu測ce量liang範fan圍wei廣guang，允yun許xu係xi統tong泄xie露lu電dian容rong大da，響xiang應ying快kuai

，測ce量liang周zhou期qi短duan等deng優you勢shi。

1.絕緣監測裝置原理概述

圖1所示為測量電路簡圖：

圖1：絕緣監測裝置原理簡圖

    圖1中R1和R3是阻值相等的耦合電阻，R2和R4是阻值相等的采樣電阻，Rf是係統對地電阻，Ce為係統泄露電容，G為信號發生器。電源端的帶電導體不接地，隻作設備外殼的保護接地。絕緣監測儀通過G向係統注入+20V和-20V脈衝信號

，經過R1、R2 、R3 
、R4返回到絕緣監測儀，構成一個閉合回路

，對R2和R4電壓進行信號處理、采集，即可算出係統對地電阻和係統泄露電容。

2.硬件設計

    本裝置硬件電路主要包括中央處理器模塊

、斷線監測模塊、信號注入模塊等。中央處理器選用ARM cortex-M3內核的單片機，該芯片主頻高，外設豐富，大大簡化了外圍電路的設計。

下麵對硬件電路進行討論：

    2.1 信號控製電路

    CPU通過控製模擬開關決定信號的輸出。其中+2.5v信號來源於基準芯片，-2.5v經+2.5v進行反相後得到
，隨後進入信號發生電路。

    2.2 信號發生電路

    信號控製電路中所述的+2.5v或-2.5v信號經過高壓運放放大後產生+20v或-20v脈衝信號，即為注入不接地係統的信號。

    2.3 信號檢測電路

    信號發生電路中的±20v信號通過圖1中耦合電阻和係統對地絕緣電阻後構成回路，通過檢測兩個采樣電阻的信號來計算係統絕緣電阻；通過檢測PE上的信號電壓
，判斷PE/KE是否斷線；在裝置運行過程中，對係統類型進行實時檢測
，根據係統是否存在直流分量選擇適當的測量方法。

    2.3.1 交流係統或離線狀態

    信號從采樣電阻流經截止頻率小於10Hz的低通濾波電路。當係統是交流係統或處於離線狀態時，由於存在的幹擾信號主要來源於不接地係統的50Hz信號，而該頻率遠大於該濾波器的截止頻率（小於10Hz）,則幹擾信號將會衰減到可忽略的幅度，而後通過信號處理電路分別對兩路信號進行相加、放大
、抬升，最終被單片機ADC采樣。

    濾波效果可參考仿真結果。本電路在PSPICE中進行仿真，在L1和L2之間加300V（頻率50Hz）電壓（模擬不接地係統），信號經過四階低通濾波電路前後的效果對比如圖2所示。圖2中波形是注入的±20v與300v係統電壓疊加後的結果
，可以看出，300v電壓對采樣電阻上的信號電壓影響很大。參照圖2的下圖可知，經過低通濾波電路以後，300v（頻率50Hz）的信號衰減到可以忽略的幅度。

圖2. 濾波前後信號對比

    圖2中兩段信號分別是+20V和-20Vjiaochabianhuandejieguo

，youyuxitongcunzaixieludianrong
，boxingchengxianyigehuanmanchongfangdiandequxian
，zhegeguochengyeshicaiyangdianzufenyaquyuwendingdeguocheng。erfenyadianzushangdezuizhongdianyazhigenxitongdianyaheqisuozhanbiliyouguan，gendianrongwuguan，gudianzudeceliangyuboxingzhengfubanzhouwendinghoudedianyayouguan
，xiamianjianyaochenshujisuanguocheng：

圖3. 兩路信號合成

    設圖3中“ADC_R”（采樣電壓）穩定後電壓是V1，此時的“VOUTF”處電V2，“VOUT1”和“VOUT2”電壓V3，則在+20v時，有：

①

    V1和V2（抬升電壓）已知，可以求出V3。設采樣電阻電壓為V4，由於從V4到V3隻有低通濾波電路和一個信號抬升電壓V6，低通濾波電路對信號幅度影響很小，則：

②

    V4也是圖1中R2和R4的分壓，設電源電壓V5，則：

③

聯立①、②、③式
，即可求出絕緣電阻Rf。

    電容的計算則依賴於電阻的大小和波形的曲線。假設電壓在關於時間t的波形上存在兩個點M1和M2，對應的坐 標是（V1，t1）
，（V2，t2）根據電容充電公式：

對應M1和M2：

處理後有：

在實際計算的過程中，可以多次取點計算

，求平均值，提高測量精度。

在-20v時
，絕緣電阻Rf和泄露電容計算方式與此類似。

    2.3.2係統存在直流分量

    當係統存在直流分量時
，仍然需要四階濾波電路濾除係統交流信號（此時直流信號仍然存在），之後經過一個如圖4所示的信號保持電路：

圖4. 信號保持電路

    輸入信號分為正、負fu半ban周zhou信xin號hao，但dan兩liang者zhe均jun含han有you係xi統tong中zhong的de直zhi流liu分fen量liang，通tong過guo開kai關guan的de斷duan開kai與yu閉bi合he，可ke以yi實shi現xian正zheng負fu半ban周zhou信xin號hao相xiang減jian，由you於yu係xi統tong的de直zhi流liu電dian壓ya幅fu度du變bian化hua很hen小xiao，相xiang減jian後hou的de信xin號hao中zhong不bu再zai含han有you直zhi流liu分fen量liang
，此ci時shi的de采cai樣yang信xin號hao中zhong隻zhi是shi±20V電壓作用在采樣電阻的結果
，最後信號經過放大

，進入單片機ADC采樣模塊。進入ADC采樣的波形可以參照PSPICE仿真結果如圖5：

圖5. 兩路獨立信號波形

    無論是在﹢20v，還是-20v，係xi統tong都dou能neng獨du立li監jian測ce絕jue緣yuan狀zhuang況kuang，如ru此ci
，測ce量liang周zhou期qi至zhi少shao比bi固gu定ding周zhou期qi產chan品pin測ce量liang周zhou期qi小xiao一yi半ban。直zhi流liu係xi統tong中zhong電dian阻zu的de計ji算suan同tong交jiao流liu係xi統tong所suo述shu一yi樣yang，電dian阻zu的de大da小xiao取qu決jue於yu波bo形xing穩wen定ding後hou的de電dian壓ya值zhi，電dian容rong的de計ji算suan仍reng然ran依yi賴lai於yu電dian阻zu
，計ji算suan方fang法fa類lei似si於yu通tong過guoADC采樣信號可以反推出在+20V和-20V時圖1中R2和R4的分壓，即可求出絕緣電阻值與泄露電容值。

    2.4 儀表其它電路

    除了上述電路外，還有斷線檢測電路（PE/KE斷線
、L1/L2斷線檢測功能）、485通訊電路
、其他通訊電路等等。

3.軟件設計

    3.1 軟件流程

    該絕緣監測裝置采用結構化程序設計思想，采用Cyuyanjinxingbianxie。zhuhanshutongguozhaxunbiaozhiweidezhuangtai，juedingshifouzhixingduiyingdemokuai


，gegemokuaidebiaozhiweizaidingshiqineigaibian。zhezhongfangshitigaoleruanjiandeshishixing，houqideruanjianweihuxiangduilaishuoyebijiaofangbian。

    3.2 自適應頻率

    目mu前qian市shi場chang上shang同tong行xing產chan品pin多duo數shu采cai用yong向xiang係xi統tong注zhu入ru固gu定ding周zhou期qi信xin號hao的de方fang法fa
，這zhe種zhong方fang式shi必bi須xu考kao慮lv係xi統tong最zui大da電dian阻zu及ji電dian容rong，測ce量liang周zhou期qi必bi須xu滿man足zu最zui大da電dian阻zu和he最zui大da電dian容rong的de要yao求qiu，因yin此ci這zhe時shi的de周zhou期qi也ye是shi最zui長chang的de

，且qie不bu能neng改gai變bian。自zi適shi應ying頻pin率lv是shi一yi種zhong新xin型xing的de周zhou期qi調tiao節jie的de方fang式shi，通tong過guo監jian測ce係xi統tong信xin號hao波bo形xing來lai調tiao整zheng周zhou期qi大da小xiao。在zai信xin號hao波bo形xing上shang取qu兩liang個ge點dian的de電dian壓ya信xin號hao，當dang信xin號hao電dian壓ya變bian化hua很hen小xiao時shi，視shi為wei穩wen定ding
，這zhe時shi翻fan轉zhuan脈mai衝chong信xin號hao，並bing保bao存cun該gai周zhou期qi運yun行xing的de時shi間jian作zuo為wei下xia一yi次ci脈mai衝chong的de周zhou期qi。由you於yu在zai正zheng負fu半ban周zhou都dou會hui對dui波bo形xing監jian測ce和he計ji算suan
，所suo以yi信xin號hao波bo形xing的de調tiao整zheng會hui很hen及ji時shi
，電dian阻zu的de計ji算suan結jie果guo更geng新xin的de相xiang對dui也ye比bi較jiao快kuai。此ci外wai，一yi旦dan電dian阻zu和he電dian容rong測ce量liang結jie果guo穩wen定ding，係xi統tong會hui計ji算suan理li論lun周zhou期qi，並bing與yu實shi際ji測ce量liang周zhou期qi作zuo對dui比bi，然ran後hou把ba理li論lun測ce量liang周zhou期qi賦fu值zhi給gei下xia一yi次ci脈mai衝chong周zhou期qi。該gai方fang式shi保bao證zheng了le在zai測ce量liang結jie果guo精jing度du達da標biao的de前qian提ti下xia，測ce量liang周zhou期qi能neng夠gou達da到dao最zui短duan。

    3.3 響應時間

    IEC61557-8第8部分“IT係統中絕緣監控裝置”中第4.6表1規定，在純交流係統中，當泄漏電容1uF、絕緣電阻為0.5倍報警值時，響應時間應小於10s。在測量精度達標的前提下，本裝置響應速度能小於6s。下麵就電阻突變對波形的影響作簡要分析
，祥見圖6：

圖6. 故障模擬波形圖

實線：波形一   虛線：波形二

    t1之前係統周期已經穩定
，假設在t1時刻（電壓V1）電阻突然減小到報警值以下
，波形發生變化
，當到達采樣時刻t2時
，測得此時電壓V2,CPU判斷兩者之差大於設定的值，下半周周期加倍，變為2T（之前為T），由於電容很小
，係統會在2T時(shi)間(jian)運(yun)行(xing)結(jie)束(shu)之(zhi)前(qian)提(ti)前(qian)穩(wen)定(ding)。雖(sui)然(ran)係(xi)統(tong)會(hui)在(zai)周(zhou)期(qi)完(wan)成(cheng)之(zhi)前(qian)提(ti)前(qian)結(jie)束(shu)
，但(dan)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)會(hui)增(zeng)大(da)，如(ru)果(guo)取(qu)一(yi)個(ge)完(wan)整(zheng)的(de)正(zheng)負(fu)周(zhou)期(qi)的(de)信(xin)號(hao)作(zuo)報(bao)警(jing)響(xiang)應(ying)的(de)依(yi)據(ju)
，則(ze)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)了(le)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，係(xi)統(tong)在(zai)半(ban)周(zhou)結(jie)束(shu)之(zhi)後(hou)計(ji)算(suan)電(dian)阻(zu)值(zhi)（獨立信號），如果該電阻值小於設定的報警值，則發出報警信號
，響應值即為圖6中的t2~t1，經實際測試，響應時間基本維持在5s以內
，最長不超過6秒。

    3.4 軟件其它描述

    軟件校準采用線性分段式校準法

，共8個校準點


，保證了儀表的精度；為了濾除信號中的噪聲幹擾
，數字濾波依次采用冒泡法（對數據排序）

、中位值濾波法、平均值濾波法對數據進行處理，保證了信號的可靠性和穩定性。

4.試驗結果

    該產品已通過許昌開普檢驗中心的的型式試驗

，功能和性能均滿足國際標準要求。經試驗驗證，該儀表在電阻1K-5M、電容0-150uF的條件下，顯示值與實際值的比值均保持在10%以內，測量精度達標，能滿足各種環境中不接地係統絕緣監測的需求。

5.結語

    本文介紹了一種新型絕緣監測裝置
，與市場絕緣監測儀表相比
，其優勢在於可監測直流不接地係統
、允許係統泄露電容大、測量周期短、響應時間短等。經過試驗，本文介紹的絕緣監測裝置在交流、直流不接地係統均可可靠工作，可以為不接地係統提供一種可靠的監測。

　文章來源：《智能建築電氣技術》2016年3期。

參考文獻

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