直流系統(tǒng)絕緣接地巡檢裝置

1 引言

　　發(fā)電廠和變電站的直流電源作為主要電氣設(shè)備的保安電源及控制信號(hào)電源，是一個(gè)十分龐大的多分支供電網(wǎng)絡(luò)，其常見(jiàn)的故障是一點(diǎn)接地故障。在一般情況下，一點(diǎn)接地并不影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行，但如果不能迅速找到接地故障點(diǎn)并予以修復(fù)， 又發(fā)生另一點(diǎn)接地故障，就可能引起信號(hào)回路、控制回路、繼電保護(hù)裝置等的誤動(dòng)作。因此，減少這種絕緣故障，必須有一個(gè)可靠的絕緣監(jiān)測(cè)方法，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免重大事故的發(fā)生。
　　絕緣在線監(jiān)測(cè)的基本原理是電氣設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)中，利用其工作電壓來(lái)監(jiān)測(cè)絕緣的各種特征參數(shù)。因此，可以有效地反映絕緣的實(shí)際情況，從而對(duì)絕緣狀況做出比較準(zhǔn)確的判斷。
　　電力直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)分為直流監(jiān)測(cè)法和交流監(jiān)測(cè)法，交流監(jiān)測(cè)法排除了零點(diǎn)漂移，但是，由于各支路存在著分布電容，導(dǎo)致測(cè)得的接地電阻不僅含有電阻分量，也含有電抗分量，為一個(gè)復(fù)數(shù)，因此為提高精度必須去掉電抗分量，導(dǎo)致測(cè)量電路比較復(fù)雜，而且，對(duì)母線注入交流信號(hào)也導(dǎo)致了直流母線的紋波系數(shù)加大。本方案采用的是直流監(jiān)測(cè)法，采用改進(jìn)的直流電橋法檢測(cè)母線的接地電阻，分為母線的接地電阻監(jiān)測(cè)和支路的接地電阻監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，先對(duì)母線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)接地故障后，再對(duì)支路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
　　一般的直流絕緣監(jiān)測(cè)方法是利用直流電源的控制母線的工作電壓作為電源，通過(guò)檢測(cè)正負(fù)母線的對(duì)地漏電流來(lái)測(cè)量母線的絕緣電阻。此方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好；但是，由于現(xiàn)有直流測(cè)量方法的原因，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量直流電源合閘母線和各條電源饋出線的對(duì)地絕緣電阻，從而限制了其測(cè)量精度。
　　改進(jìn)的直流電橋法母線的接地電阻檢測(cè)是利用直流母線的工作電壓，采用小電流傳感器分別測(cè)量合閘母線、控制母線以及各條饋出線的對(duì)地漏電電流，分別計(jì)算出合閘母線、控制母線和各條饋出線的對(duì)地絕緣電阻，完成直流母線的絕緣電阻測(cè)量和接地選線，大大提高了測(cè)量精度和報(bào)警的準(zhǔn)確性。

2 改進(jìn)的直流電橋法絕緣電阻檢測(cè)原理

　　改進(jìn)的直流電橋法母線的接地電阻檢測(cè)是利用直流母線的工作電壓，采用小電流傳感器分別測(cè)量合閘母線、控制母線以及各條饋出線的對(duì)地漏電電流，然后根據(jù)測(cè)量得到的電流和電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系列出方程組求解接地電阻，測(cè)量電路見(jiàn)圖1。圖中：RKX+、RKX-分別為正控制母線和負(fù)母線的對(duì)地的絕緣電阻，RHX+、RHX-分別為正合閘母線和負(fù)母線的對(duì)地絕緣電阻，為待測(cè)量；L1、L2為小電流霍爾傳感器；R、R1、R2和R3都是已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻，K1、K2和K3分別為正負(fù)母線的標(biāo)準(zhǔn)電阻選擇開(kāi)關(guān)。測(cè)量時(shí)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)K1、K2、K3的接通和關(guān)斷，從而根據(jù)測(cè)量得到的流過(guò)R1、R2、R3的電流值和母線電壓值計(jì)算出合閘母線和控制母線的對(duì)地絕緣電阻。

2.1合閘母線對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量

　　閉合K1，此時(shí)測(cè)量電路的等效電路如圖2。其中，RHX+、RHX-為正、負(fù)合閘母線對(duì)地絕緣電阻，IH+1、IH-1分別為閉合K1時(shí)正、負(fù)合閘母線對(duì)地漏電流，ICH1為小電流傳感器可以測(cè)量的合閘母線電流差值，UH為合閘母線電壓，由此可得到方程式：

　　閉合K3，此時(shí)測(cè)量電路的等效電路如圖3。

　　

　　其中，RHX+、RHX-為正、負(fù)合閘母線對(duì)地絕緣電阻，IH+2、IH-2分別為閉合K3時(shí)正、負(fù)合閘母線對(duì)地漏電流，ICH2為小電流傳感器可以測(cè)量的合閘母線電流差值，UH為合閘母線電壓，由此可得到方程式：

　　兩組方程式聯(lián)立，ICH1、ICH2、I31、I32可直接從電路中測(cè)出，因此可解出合閘母線對(duì)地絕緣電阻為：

　　在得到的絕緣電阻表達(dá)式中，UH、I31、I32、ICH1、ICH2的測(cè)量精度可以達(dá)到較高的精度，R1、R3可以選用高精度的精密電阻，因此采用此種測(cè)量方法可以達(dá)到很好的測(cè)量精度。

2.2控制母線對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量

　　控制母線對(duì)地絕緣電阻的測(cè)量方中，開(kāi)關(guān)的閉合順序?yàn)镵2、K1，檢測(cè)電流為ICK1=IK+1-IK-1，計(jì)算公式與合閘母線的絕緣電阻的計(jì)算相似。

3 直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　硬件電路采用89C52單片機(jī)作為主控芯片，管理絕緣電阻測(cè)量、接地回路選線和與主機(jī)之間的通訊等。測(cè)量流過(guò)測(cè)量電阻的電流值和小電流傳感器的輸出的采樣采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器；小電流傳感器的切換采用繼電器陣列，盡量減小開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻，提高測(cè)量精度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

“看門(mén)狗”電路的設(shè)計(jì)

　　“看門(mén)狗”能使CPU從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)進(jìn)入正常的程序流程，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則：
　　（1）看門(mén)狗電路必須由硬件邏輯組成，不宜由可編程計(jì)數(shù)器充當(dāng)，因?yàn)镃PU失控后，可能修改可編程器件的參數(shù)，使看門(mén)狗失效。
　?。?）CPU必須在正確完成所有的工作后才能發(fā)掃描輸入信號(hào)，且程序中發(fā)掃描輸入信號(hào)的地方不能太多。否則，正好那里有死循環(huán)，看門(mén)狗就不產(chǎn)生計(jì)滿輸出信號(hào)，不能重新啟動(dòng)CPU。
　　X25045芯片具有512個(gè)字節(jié)的

。與89C52單片機(jī)連接采用SPI總線的方式。但由于89C52單片機(jī)內(nèi)沒(méi)有SPI總線，所以就采用軟件模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。89C52單片機(jī)與X25045“看門(mén)狗”芯片的連接見(jiàn)下圖：

X25045引腳連接
　　89C52單片機(jī)上接上X25045“看門(mén)狗”芯片 ，用89C52的P10引腳接X(jué)25045的片選端 來(lái)進(jìn)行X25045的片選端

來(lái)進(jìn)行X25045的片選。同時(shí)，其復(fù)位引腳RESET接89C52的復(fù)位引腳RST，而當(dāng)程序彈飛或死循環(huán)后，進(jìn)行CPU的復(fù)位。用于增強(qiáng)抗干擾能力，以確保不會(huì)有死機(jī)現(xiàn)象，提高了巡回監(jiān)測(cè)抗干擾能力。

A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行母線的接地檢查時(shí)，將要測(cè)的兩個(gè)電流值，即正母線的電流值和負(fù)母線的電流值，因?yàn)橐ㄟ^(guò)這兩個(gè)值,計(jì)算正負(fù)母線的絕緣電阻值。
　　將這兩個(gè)電流值通過(guò)一定阻值的電阻后轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)過(guò)變換電路，即正母線上的電壓通過(guò)同向放大器、負(fù)母線上的電壓通過(guò)反向放大器后，接入TLV1544 A/D轉(zhuǎn)換器中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后接入89C52的P1口進(jìn)行運(yùn)算處理。連接圖見(jiàn)下圖 ：

TLV1544的引腳連接圖
　　TLV1544的I/OCLK（第3腳）接上89C52單片機(jī)的P17腳，用來(lái)控制TLV1544的時(shí)鐘輸入。而TLV1544的數(shù)據(jù)輸入引腳和數(shù)據(jù)輸出引腳分別接89C52單片機(jī)的P15引腳與P16引腳。TLV1544芯片的片

（第16腳）則由89C52單片機(jī)的P11腳來(lái)控制，進(jìn)行片選。將經(jīng)過(guò)放大器后得到的兩個(gè)模擬量（兩個(gè)電壓值）IN_1和IN_2接入TLV1544的A0（第6腳）和A1（第7腳），來(lái)進(jìn)行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該裝置的系統(tǒng)監(jiān)控軟件是根據(jù)設(shè)計(jì)要求及硬件配置情況編制而成的，程序設(shè)計(jì)使用單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51語(yǔ)言，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。全部程序包括主程序以及芯片驅(qū)動(dòng)程序。主程序是直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)的核心，用來(lái)管理檢查路數(shù)、處理數(shù)據(jù)、調(diào)用其它芯片的驅(qū)動(dòng)程序。
　　經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試運(yùn)行，使用該裝置的具體測(cè)量結(jié)果如表一所示。
表1　絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)際測(cè)量運(yùn)行分析

　　注：所有測(cè)量結(jié)果單位為KΩ，母線測(cè)量電阻R1、R2、R3為25 KΩ,電流傳感器的量程為10mA
從測(cè)量結(jié)果可以看出：在絕緣電阻值比較小時(shí)測(cè)量精度比較高，而在絕緣電阻值比較大時(shí)測(cè)量精度降低。這是因?yàn)榻^緣電阻比較大時(shí)，流過(guò)電流傳感器和測(cè)量電阻的電流小，此時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的±1誤差降低了電流的測(cè)量精度，同時(shí)也降低了絕緣電阻的測(cè)量精度。在實(shí)際應(yīng)用中，絕緣電阻的報(bào)警門(mén)限一般為30 KΩ左右，而在絕緣電阻低于100 KΩ時(shí)測(cè)量精度高于2%，完全可以達(dá)到要求。

4 結(jié)論

　　1．采用本文討論的改進(jìn)直流電橋法測(cè)量直流母線的絕緣電阻，可以達(dá)到對(duì)合閘母線和控制母線分別檢測(cè)，從而避免了控制母線降壓硅鏈對(duì)測(cè)量精度的影響。
　　2．本裝置采用89C52單片機(jī)與若干集成電路芯片組成最小系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工藝簡(jiǎn)單且工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)，用“看門(mén)狗”來(lái)避免有死機(jī)現(xiàn)象，提高了在線監(jiān)測(cè)抗干擾能力。
　　3．與傳統(tǒng)的數(shù)字電路相比，自動(dòng)化程度高，工作性能好，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件功能，通過(guò)采樣、記憶、處理數(shù)據(jù)，合理實(shí)現(xiàn)了巡回監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)各支路的自動(dòng)化和智能化；能顯示接地支路編號(hào)，并報(bào)警提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)處理接地故障。
　　4．該裝置采用微機(jī)技術(shù)使裝置具有智能化、自動(dòng)化以及維修方便等特點(diǎn)。整個(gè)裝置可安裝在屏上，也可將其置于平臺(tái)上，直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)過(guò)調(diào)試，證明設(shè)計(jì)方案合理，運(yùn)行監(jiān)測(cè)可靠，達(dá)到指標(biāo)要求，是直流系統(tǒng)巡回監(jiān)測(cè)較理想的裝置。

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