一种应用于交流IT系统的高精度绝缘监测仪设计

引言

   在一些重要的工业场所（如：矿井、玻璃厂和某些集会场所的安全照明，某些电炉的试验设备，冶金厂和化工厂等），意外断电会造成人员伤亡和重大的财产损失，因此需采用安全性和可靠性较高的IT系统供电。在IT系统中，随着时间的推移，系统对地的绝缘程度下降，当出现第一点接地故障时，IT系统仍能正常运行，但此时IT系统已存在安全隐患，如果再出现不同相上的第二点接地故障，将会产生很大的短路电流，造成前端的断路器脱扣，致使系统出现断电事故。根据（JGJ 16-2008）《民用建筑电器设计规范》第7.2.3条规定， IT配电系统必须配备绝缘监视仪。在系统出现第一点接地故障时，装置产生警告或报警信息，及时提醒维修人员对系统进行故障排查，短时间内无需跳闸，从而保证了IT系统供电的可靠性和连续性。

   国外对电力系统监测与故障诊断技术的研究始于20世纪60年代，各个发达国家都很重视，但到了20世纪七八十年代，随着传感器技术、信号采集技术、数字分析技术和计算机技术的发展与应用，在线诊断技术才得到迅速发展 。传统的测量方法有平衡电桥法、差流检测法以及555定时器测量电阻法等。这些测量方法都有各自的优势，但由于应用场所的不同以及受现场环境的影响，上述测量方式还存在着可靠性不足、测量范围较窄和测量精度不高等缺点。针对这些问题，本文提出一种基于交流IT的绝缘监视装置的设计：硬件上采用STM32内置的12位A-D采样、四阶低通滤波电路和128x32液晶显示，软件上采用软件滤波和最小二乘法求斜率与偏移量。最大限度的提高了测量精度（3%）、测量范围（0—999K）,并且在不同环境都能满足精准监测的需求。

绝缘监测仪工作原理  

绝缘监测仪的工作原理如图1所示：

图1：绝缘监测仪工作原理

   图中R1为分压电阻，Rf是绝缘监测仪监测的对象—系统对地电阻，电源端的带电导体不接地，只作设备外壳的保护接地。正常情况下，系统与地是绝缘的，此时Rf等效于无穷大；当系统出现绝缘故障时，如系统导线与外壳直接接触，则导致系统与地直接连接，此时的Rf等效于0。绝缘监测仪向系统注入直流信号，经过Rf进入绝缘监测仪，构成一个闭合回路，通过简单的欧姆定律即可算出Rf的大小。该测量原理简单可靠，适用于不含直流分量的IT系统，又因采用直流信号可以有效的避免系统电容造成的影响，使其测量的阻抗具有较高的准确度，可以很好地反映系统的绝缘性能。

硬件设计

   本设计中，中央处理模块选用ST公司生产的32位ARM cortex-M3内核的芯片（STM32F103RBT6），该芯片处理速度快，主频可达72MHz，并且具有丰富的片内外围资源，内部具有20KB的片内SRAM和多达64KB的FLASH闪存，带有多通道的12位A-D转化模块，以及多个SPI、IIC、CAN等通讯接口，大大简化了外围电路的设计。

   该仪表除了最基本的测量系统对地电阻外，自带两路继电器输出，采用128x32液晶模块作为人机接口，带有RS 485通讯，遵循Modbus-RTU协议，有预警报警功能，各个参数可以自行设定。

   本装置硬件功能模块主要包括电源模块、信号注入模块、信号测量模块、人机接口、铁电存储模块、通讯模块和开关量输出模块等组成。硬件框图如图2所示：

图2：绝缘监测仪硬件模块设计

1 信号测量电路

   在交流IT系统中，具有不同电压等级，如400V和760V（更高电压等级的需要配合高压耦合器使用）。因此绝缘监测仪内部需要具有满足这些不同电压等级的降压电路。绝缘监测仪上电之后，信号注入模块会持续注入一个特定的直流电压到被监测系统中，系统测量的是R1、R2、Rf的和，由于R1、R2的值是已知的，所以只要减去R1、R2，即可求出Rf。测量电路如图3所示：

图3. 信号测量电路

2 滤波放大电路

   在实际的电力系统中，由于高频信号的存在，可能会对信号采样造成干扰，所以要对采样信号进行滤波处理，该设计采用四阶低通滤波电路，电路截止特性好，曲线的衰减率陡，同时提高了测量准确度，滤波电路如图4所示：

图4：四阶低通滤波电路

由于此电路由两个相同二阶电路组成，因此只需分析一个即可。对第一个二阶电路：当频率f=0时，C1和C6均开路，通带放大倍数

          (1)

设R6、C6和R7相交的点为M,输入电压信号为Ui，输出电压信号为Uo。根据放大器虚短虚断，对M点列电流方程：

(2)

其中

       (3)

解上面两个方程可得：

  (4)

对比压控电压源二阶低通滤波电路模型可得：

    (5)

式中，f0表示截止频率,代入数据得f0 ≈2.567Hz，该滤波器允许频率低于f0的波形通过，大于该频率的波形将会不同程度的衰减。

   下面针对该电路进行仿真。输入是一个杂波，其输入含有直流信号，高频信号。其波形如图5所示：

图5：输入波形

   从图5可以看出，除了我们注入的直流波形外，还有一些高频杂波信号，经过滤波电路之后，波形如图6所示：

图6：滤波之后的波形

   对比图5和图6，高频杂波信号被滤除，滤波效果良好达到试验预期要求。

2.3 自检电路

   根据IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备》第8部分:IT系统中绝缘监控装置第4.2规定，绝缘监视装置应包括一个测试装置或装有测试装置连接器，以测试该绝缘监控装置是否能完成其功能。

图7：最小二乘法进行线性拟合示意

   针对这个要求，在仪表内部设计了自检电路，且内置了高精度电阻R2。如图7所示。当起动自检时，继电器动作，在测试电路中取样信号Sample和self-inspection之间作了切换。自检的目的是为了模拟正常的信号，测试装置是否能测量出内置电阻阻值，并且发出自检正常信息。

软件设计

   绝缘监测仪采用结构化程序设计思想，采用C语言进行编写。装置在上电时对内部时钟和所需要的外设进行初始化，然后开始读取存储在铁电中出厂调试的校准参数，校准系数存放在铁电存储器中，无须担心掉电导致数据丢失。当装置自检了所有电路时，开始进入正常的监控模式。程序流程图如图8所示：

图8：软件处理流程图

  1.最小二乘法进行线性拟合

   理想情况下，绝缘监测装置在整个测量范围内都应该是线性的，但由于电路内部元器件参数的差异，电阻测量值可能成曲线分布，此时需要用最小二乘法找出某个范围内最接近校准点的直线。最小二乘法线性拟合示意图如图9所示：

图9：最小二乘法进行线性拟合示意

若已知：y= ax + b，则方程为

   把坐标值代入，求得系数a和b，并将系数保存起来，当求另一点纵坐标时，只需代入各参数即可。对于此监测仪，图中各点代表各校准点，代入数据即可求得斜率与0偏移量。传统方式多是求关于两点的斜率和偏移值，这样测量精度就比较低。具体对比如图10所示：

图10：示意图

1-理想仪表曲线 2-本文介绍仪表线性曲线 3-某市售仪表线性曲线

   由图9可以看出，该仪表所采用的最小二乘法所得出的线性曲线更接近于理想曲线。

2.数字滤波算法

   在工业IT配电系统中，多数用电设备会产生很多的干扰信号，因此装置需要滤除信号中的噪声干扰，让需要的信号参与结果运算。绝缘监测仪在采集了数据之后，通过内部数字滤波算法滤除掉噪声干扰，再计算出绝缘电阻的大小。在此采用中位值平均滤波法，其基本过程是：首先对数据进行由大到小排序（冒泡法），去掉最小和最大的几个值，保留中间的那些值（中位值滤波法）。如此进行几次运算，取这几次的平均值即可。（平均值滤波法）

试验结果

   绝缘监测仪已通过相关的型式试验，包括电气性能试验和电磁兼容（EMC)试验。性能参数皆超过国际标准要求。在60℃的温度下，绝缘监测仪测得的数据与标准的阻值、某市售仪表的对比如下表所示。

表  60℃（空气湿度95%）对比

   根据IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备》第8部分:IT系统中绝缘监控装置第4.6表1规定，相对不确定度必须在±15%以内。由上表可是，555定时器法测量误差波动范围比较大，高准确度仪表显示误差均保持在3%以内，测量精度明显高于该仪表，因而在不同环境中的使用效果更为稳定、可靠。

结束语

   由于IT系统的安全性和供电连续性好，所以在国内有良好的发展前景，其安全性和连续性都是建立在实时对其监测的基础上。然而市售的绝缘监测仪表种类少，测量范围窄，在不同环境下的测量精度不一致。针对这种情况，设计了高精度的绝缘监测仪。该仪表采用的软硬件测量和处理方式综合性能较高，测量范围广（0-999K），测量精度高（-20-65℃空气湿度95%的条件下精度均能控制在3%范围内），这是传统仪表所不具备的。

文章来源：《电气应用》2015年8期。

参考文献

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[4] 黄盛洁，姚文捷，等.电气设备绝缘在线监测与状态维修.第一版.北京：中国水利水电出版社,2004.

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[6] 何静等.基于单片机和555定时器的电阻测量电路的设计.电子工程师，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