摘要： 在隔離電源系統(tǒng)中，為防止由于多點接地而引發(fā)嚴重后果，需要實時對系統(tǒng)進行對地絕緣監(jiān)測，并在監(jiān)測到對地絕緣故障時，進行故障定位。本文在介紹絕緣定位用信號發(fā)生器的工作原理的基礎上，詳細闡述了信號發(fā)生器的硬件和軟件設計。本文中設計的產(chǎn)品已通過試驗檢驗，可應用于IT系統(tǒng)，為應用場所提供安全可靠的供電解決方案。關鍵詞： IT系統(tǒng) 信號發(fā)生器 故障定位0 引言 在IT系統(tǒng)中，單點接地故障是一種很常見的故障。一旦出現(xiàn)單點接地故障，IT系統(tǒng)就會變?yōu)門N-S系統(tǒng)，雖然可以帶故障繼續(xù)運行，但已經(jīng)失去了IT系統(tǒng)的優(yōu)點，增加了安全隱患。因此需要實時監(jiān)測系統(tǒng)的對地絕緣狀況，并在監(jiān)測到對地絕緣故障時，能通過儀表自動定位故障點支路。若沒有自動定位功能，一旦出現(xiàn)故障，只能依靠人工對多達數(shù)十條、數(shù)百條，乃至成千上萬條負載支路逐條斷電查找，不僅費時費力，更嚴重破壞了供電連續(xù)性。這在某些需要連續(xù)供電的特殊場所（如醫(yī)院手術室等）是不允許的[1]。1 信號發(fā)生原理 信號發(fā)生器的工作原理是當IT系統(tǒng)發(fā)生單點接地故障時，輪流在系統(tǒng)某根線與大地之間注入定位信號，以便絕緣故障定位儀能在故障支路上監(jiān)測到定位信號。常采用圖1所示發(fā)生原理。
圖1 信號發(fā)生器的發(fā)生原理
在IT系統(tǒng)中，注入的測試信號的**值必須足夠小，以免對IT系統(tǒng)形成太大干擾或?qū)ο到y(tǒng)負載造成危害；又要有足夠大的峰值，以便在故障支路上形成足夠大的電流，使故障定位儀的電流互感器能正常監(jiān)測。[2] 。依此，可計算出脈沖寬度（由于脈沖寬度很小，為方便計算，可將此峰值脈沖視為幅度為
當交流電壓周期為50Hz時，脈沖寬度
當交流電壓為60Hz時，脈沖寬度
利用單片機的定時器功能，配合光耦，可以精確截取0.4ms的峰值脈沖。由于0.4ms＜0.4304ms＜0.5165ms，并且實際截取的脈沖信號中，除波峰一點外，其余點幅度均小于2 硬件設計 本設計的硬件功能模塊主要包括電源模塊、中央控制模塊、監(jiān)測模塊、信號發(fā)生模塊、通信模塊、指示燈模塊。硬件設計原理框圖如圖2所示。
圖2 硬件設計原理框圖
信號發(fā)生器上電后，CPU即通過監(jiān)測模塊對IT系統(tǒng)的電壓進行實時監(jiān)測，測量出IT系統(tǒng)的交流頻率。當系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，信號發(fā)生器根據(jù)測量出的頻率大小，確定測試信號的脈沖寬度以及脈沖頻率，截取系統(tǒng)波峰，產(chǎn)生測試信號，輪流加到L1-PE、L2-PE間。由于發(fā)生絕緣故障，故障支路可等效為一較小值電阻，連接IT系統(tǒng)發(fā)生故障的線以及大地，形成電流回路，測試信號能在故障支路上產(chǎn)生測試電流，絕緣故障定位儀逐路巡回監(jiān)測各支路時，在某個支路上監(jiān)測到此測試電流，即可判定此條支路為故障支路。本設計中，中央控制模塊選用ST公司生產(chǎn)的32位ARM CortexTM-M3內(nèi)核單片機STM32F103，該芯片處理速度快，**運行速度可達72MHz。芯片具有豐富的片內(nèi)和外圍資源，片內(nèi)RAM 20KB和FLASH閃存64KB，帶有多通道的12位A/D轉(zhuǎn)化模塊，以及多個SPI、I2 C、CAN等通訊接口，大大簡化了外圍電路的設計。3 軟件設計 信號發(fā)生器的控制程序用C語言編寫完成，在程序設計中采用了結構化程序設計方法，便于程序代碼的維護、移植和升級。系統(tǒng)上電后，首先完成各個模塊的初始化和自檢，確保系統(tǒng)工作的可靠性，然后確定系統(tǒng)中的各個部分硬件電路正常后，自動進入正常工作模式，系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。
圖3 軟件流程圖
為了充分保證信號發(fā)生器運行的準確性與可靠性。軟件上采用了特定的程序算法進行處理，主要包括：L1 ＞UL2 和UL1 ＜UL2 的情況分別計時，記為t1 和t2 。由于電壓比較時存在一定的閾值電壓，所以會存在t1 ＞t2 或t2 ＞t1 的現(xiàn)象。如果t1 +t2 =20ms，即系統(tǒng)交流頻率為50Hz，如果此時出現(xiàn)系統(tǒng)對地絕緣故障，即可在(t1 /2-0.2)ms與(t1 /2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖，在(t2 /2-0.2)ms與(t2 /2+0.2)ms之間截取一段寬度為0.4ms的脈沖。
圖4 L1、L2間電壓及截取的脈沖電壓
如圖4所示，系統(tǒng)電壓的每個周期，信號發(fā)生器截取兩次脈沖，分別在L1-L2的正半波的波峰處（如圖4第二行），以及L1-L2的負半波的波峰處（如圖4第三行）。如果故障點發(fā)生在L1線上，則在L1-L2的負半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到；如果故障點發(fā)生在L2線上，則在L1-L2的正半波的波峰處截取的脈沖波形可以在故障支路上表現(xiàn)為正，能被絕緣故障定位儀監(jiān)測到。4 信號發(fā)生器在醫(yī)療IT絕緣監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)的應用 基于本文設計的信號發(fā)生器，已成功應用于某醫(yī)院重癥監(jiān)護室，系統(tǒng)應用如圖5所示。通過通訊線路，將絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障定位儀和信號發(fā)生器構成一個局域網(wǎng)絡。信號發(fā)生器上電后自動進入監(jiān)測模式，監(jiān)測IT系統(tǒng)的頻率。當絕緣監(jiān)測儀監(jiān)測到IT系統(tǒng)發(fā)生對地絕緣故障時，通過通訊線路，啟動信號發(fā)生器和絕緣故障定位儀，進入信號發(fā)生模式和故障定位模式。
圖5 某醫(yī)院重癥監(jiān)護室IT系統(tǒng)應用圖
在實際工程應用中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖波形如圖6所示，由圖可看出，該波形存在大量的雜波干擾，峰值也較理論的
圖6 信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形
圖7 絕緣故障定位儀監(jiān)測到的波形
由圖7可看出，監(jiān)測到的脈沖波形比干擾波形要高的多，形成一個明顯的落差，通過設定適當?shù)拈撝担浜厦}沖寬度等條件，可以準確地判斷出此支路是否有測試信號通過，即此支路是否有絕緣故障。5 結語 本文設計的絕緣故障定位用信號發(fā)生器，具有自適應IT系統(tǒng)頻率，注入高峰值、低**值脈沖波形等功能，并可以通過面板指示燈指示當前工作狀態(tài)。基于本設計的產(chǎn)品符合相關國家標準的要求，并能為IT系統(tǒng)提供安全、可靠的供電解決方案。本文**還對醫(yī)院重癥監(jiān)護室的IT系統(tǒng)絕緣故障定位做了初步探討，給醫(yī)院建筑電氣設計者提供一點參考。在應用中，不同工程的實際情況非常復雜，還會遇到許多新的問題，望同仁們進一步探討。
文章來源：《智能建筑電氣技術》2014年 第1期
參考文獻：
作者簡介：
余靜，女，本科，武漢安科瑞電氣有限公司工程師，主要研究方向為智能電力監(jiān)控與電能管理系統(tǒng)，技術交流： 15827180236 QQ ： 423647716 郵箱： ACRELYUJING@163.com
資訊來源：
武漢安科瑞電氣有限公司
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