一種應用于交流IT系統的高精度絕緣監測儀設計

摘要

IT系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），在這些場所，因意外導致的斷電將會造成慘重的人員傷亡和財產損失。裝設絕緣監測裝置可以解決由于系統對地絕緣性能降低導致斷電的問題。介紹了一種用于工業IT系統的絕緣監測儀(IMD)，并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，并在市場上大量銷售，為工業IT配電系統提供了可靠的絕緣監測。

關鍵詞:交流IT系統 絕緣監測裝置 高壓IT配電系統

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），意外斷電會有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系統供電。在IT系統中，隨著時間的推移，系統對地的絕緣程度下降，當出現第一點接地故障時，IT系統仍能正常運行，但此時IT系統已存在安全隱患，如果再出現不同相上的第二點接地故障，將會產生很大的短路電流，造成前端的斷路器脫扣，致使系統出現斷電事故。根據（JGJ 16-2008）《民用建筑電器設計規范》第7.2.3條規定， IT配電系統必須配備絕緣監視儀。在系統出現第一點接地故障時，裝置產生警告或報警信息，及時提醒維修人員對系統進行故障排查，短時間內無需跳閘，從而保證了IT系統供電的可靠性和連續性。

國外對電力系統監測與故障診斷技術的研究始于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定時器測量電阻法等。這些測量方法都有各自的優勢，但由于應用場所的不同以及受現場環境的影響，上述測量方式還存在著可靠性不足、測量范圍較窄和測量精度不高等缺點。針對這些問題，本文提出一種基于交流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%）、測量范圍（0—999K）,并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—系統對地電阻，電源端的帶電導體不接地，只作設備外殼的保護接地。正常情況下，系統與地是絕緣的，此時Rf等效于無窮大；當系統出現絕緣故障時，如系統導線與外殼直接接觸，則導致系統與地直接連接，此時的Rf等效于0。絕緣監測儀向系統注入直流信號，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，適用于不含直流分量的IT系統，又因采用直流信號可以有效的避免系統電容造成的影響，使其測量的阻抗具有較高的準確度，可以很好地反映系統的絕緣性能。

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，并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系統對地電阻外，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系統中，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）。因此絕緣監測儀內部需要具有滿足這些不同電壓等級的降壓電路。絕緣監測儀上電之后，信號注入模塊會持續注入一個特定的直流電壓到被監測系統中，系統測量的是R₁、R₂、Rf的和，由于R₁、R₂的值是已知的，所以只要減去R₁、R₂，即可求出Rf。測量電路如圖3所示：

圖3. 信號測量電

2 濾波放大電路

在實際的電力系統中，由于高頻信號的存在，可能會對信號采樣造成干擾，所以要對采樣信號進行濾波處理，該設計采用四階低通濾波電路，電路截止特性好，曲線的衰減率陡，同時提高了測量準確度，濾波電路如圖4所示：

圖4：四階低通濾波電路

由于此電路由兩個相同二階電路組成，因此只需分析一個即可。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)

解上面兩個方程可得：

(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于f₀的波形通過，大于該頻率的波形將會不同程度的衰減。

下面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，經過濾波電路之后，波形如圖6所示：

圖6：濾波之后的波形

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以下低壓配電系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系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，并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C語言進行編寫。裝置在上電時對內部時鐘和所需要的外設進行初始化，然后開始讀取存儲在鐵電中出廠調試的校準參數，校準系數存放在鐵電存儲器中，無須擔心掉電導致數據丟失。當裝置自檢了所有電路時，開始進入正常的監控模式。程序流程圖如圖8所示：

圖8：軟件處理流程圖

1.最小二乘法進行線性擬合

理想情況下，絕緣監測裝置在整個測量范圍內都應該是線性的，但由于電路內部元器件參數的差異，電阻測量值可能成曲線分布，此時需要用最小二乘法找出某個范圍內最接近校準點的直線。最小二乘法線性擬合示意圖如圖9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，求得系數a和b，并將系數保存起來，當求另一點縱坐標時，只需代入各參數即可。對于此監測儀，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。傳統方式多是求關于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于理想曲線。

2.數字濾波算法

在工業IT配電系統中，多數用電設備會產生很多的干擾信號，因此裝置需要濾除信號中的噪聲干擾，讓需要的信號參與結果運算。絕緣監測儀在采集了數據之后，通過內部數字濾波算法濾除掉噪聲干擾，再計算出絕緣電阻的大小。在此采用中位值平均濾波法，其基本過程是：

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以下低壓配電系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系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范圍比較大，高準確度儀表顯示誤差均保持在3%以內，測量精度明顯高于該儀表，因而在不同環境中的使用效果更為穩定、可靠。

結束語

由于IT系統的安全性和供電連續性好，所以在國內有良好的發展前景，其安全性和連續性都是建立在實時對其監測的基礎上。然而市售的絕緣監測儀表種類少，測量范圍窄，在不同環境下的測量精度不一致。針對這種情況，設計了高精度的絕緣監測儀。該儀表采用的軟硬件測量和處理方式綜合性能較高，測量范圍廣（0-999K），測量精度高（-20-65℃空氣濕度95%的條件下精度均能控制在3%范圍內），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

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作者簡介：周菁，女，本科，就職于江蘇安科瑞電器制造有限公司，聯系電話：0510-86179969，郵箱：2880157872@qq.com，手機：18860995117，QQ:2880157872