基于改進型雙頻注入法的絕緣監(jiān)測裝置設(shè)計

胡亦龍,曾鐵軍，李玉姣，余 松，劉 鎏，文 杰，劉 華，王新林

(1.南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南衡陽 421000；2.中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川成都 610200)

0 引言

核反應(yīng)堆穩(wěn)壓器采用IT系統(tǒng)[1](按國標GB4776—1984《電氣安全名詞術(shù)語》規(guī)定，是電源中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地以及設(shè)備的金屬外殼接地的系統(tǒng))供電。核反應(yīng)堆穩(wěn)壓器的電加熱管數(shù)量眾多[2]，長期工作于高溫、大電流環(huán)境，使得加熱管使用壽命大幅縮短，故障發(fā)生率高，需時常更換。IT系統(tǒng)因其特性，在發(fā)生第一次接地故障時，接地電流較小，可在不斷電狀態(tài)下繼續(xù)運行一段時間[3]。但為了用電安全，在出現(xiàn)接地故障時能夠及時排除，防止出現(xiàn)第二次接地故障，造成嚴重事故，因此需要對系統(tǒng)絕緣狀態(tài)進行實時監(jiān)測[4]。

針對這一需求，提出一種改進型的雙頻注入法[5-8]，基于此法設(shè)計并生產(chǎn)了一套絕緣監(jiān)測裝置，能夠?qū)╇娤到y(tǒng)進行實時在線監(jiān)測，并具有寬監(jiān)測范圍、高監(jiān)測精度的特性，提高了系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

絕緣監(jiān)測裝置采用改進型雙頻注入法作為監(jiān)測方法，通過同時向系統(tǒng)注入2種不同頻率的信號，對注入信號進行采集后，經(jīng)由處理器處理計算，得到系統(tǒng)實時的絕緣阻值，以此分析系統(tǒng)絕緣狀態(tài)，并通過聯(lián)機通訊至顯示界面進行顯示報警。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 雙頻注入法

傳統(tǒng)雙頻法從理論上可以不受分布電容的影響[9]，但是由于傳統(tǒng)雙頻信號是依次注入系統(tǒng)的，對兩種不同頻率信號的檢測也是依次完成的，考慮到裝置硬件、內(nèi)部軟件的濾波器穩(wěn)定需要時間(具體時間取決于濾波數(shù)據(jù)窗對應(yīng)的時間)，所以兩種頻率A/D信號的切換時間不能過短。因此，傳統(tǒng)雙頻法對于快速的絕緣降低情況可能來不及反應(yīng)，甚至可能由此導(dǎo)致測量不準。

把系統(tǒng)當作線性系統(tǒng)考慮，可以認為是注入源工頻50 Hz電源和低頻注入電源的疊加。低頻注入源為1.25 Hz和2.5 Hz信號的疊加，疊加后峰值為±7 V。選擇此頻率和幅值的注入源的原因主要有3個：一是為了遠離50 Hz工頻信號，方便信號的采集與處理；二是注入源幅值越低對電網(wǎng)的影響也會越小，但同時也要能夠被系統(tǒng)檢測提取；三是考慮兩個信號的頻率分離，f1/f2(f1>f2)要盡可能的大，一般取2[10]。

當只考慮低頻注入電源，且按2條支路考慮(可以適用于多條支路情況，這里為分析方便按2條支路考慮)，絕緣降低故障發(fā)生在支路f上，得如圖2所示電路。

圖2 注入信號單獨作用時系統(tǒng)等效圖

根據(jù)線性電路的疊加定理，對注入信號單獨作用于電網(wǎng)的情況分別列寫方程，根據(jù)式(1)，計算出相對地絕緣電阻阻值。

(1)

式中：k=f1/f2；當注入信號頻率為f1時，故障支路的對地電壓有效值為Uf1，漏電流有效值為If1；當頻率為f2時，故障支路的對地電壓有效值為Uf2，漏電流有效值為If2。

按照本方法計算出來的Rf實際上是絕緣故障支路和正常支路的絕緣電阻的并聯(lián)等效值。

當設(shè)定絕緣阻值為2 000 Ω，1.25 Hz和2.5 Hz每隔10 s交替注入系統(tǒng)，將雙頻法注入的電阻值顯示縱坐標限制在0～2 500 Ω時，雙頻注入法計算絕緣阻值圖如圖3所示。可以看出，在注入電流切換時，雙頻法計算出來的結(jié)果有較大的波動，導(dǎo)致監(jiān)測不準確。

圖3 限幅后雙頻法注入法計算結(jié)果

為了解決雙頻注入法因分時注入雙頻信號帶來監(jiān)測不準確的影響，采用同時注入雙頻信號的方法，將IT系統(tǒng)認為是線性系統(tǒng)，則式(1)同樣成立。此時要解決的是雙頻信號的同時注入和頻率分離問題。

1.2 改進型雙頻注入法

改進型雙頻注入法中兩個不同的頻率分量是同時注入電網(wǎng)的，所以在計算時需要將這兩個不同頻率信號進行分離。核反應(yīng)堆電加熱件系統(tǒng)在正常工作時不存在飽和問題，按照線性系統(tǒng)疊加理論，系統(tǒng)中所有的響應(yīng)也是兩個頻率分量的疊加。

對注入回路的電流電壓進行采樣，并經(jīng)過低通濾波后，工頻分量基本可以濾除。此時，將總的采樣值y(nTs)用2部分y1(nTs)、y2(nTs)之和來表示。

y(nTs)=y1(nTs)+y2(nTs)
y1(nTs)=Im1sin(ωnTs+α)
y2(nTs)=Im2sin(2ωnTs+β)

(2)

式中：Im1為注入頻率為ω的分量的幅值；Im2為注入頻率為2ω的分量的幅值；α為注入頻率為ω的分量的初相位；β為注入頻率為2ω的分量的初相位；n為任意常數(shù)；Ts為采樣時間間隔。

y[(n-N)Ts]=-y1(nTs)+y2(nTs)

(3)

聯(lián)立式(2)和式(3)，并解方程，可以求得：

(4)

然后根據(jù)式(4)進行頻率分離，即可得到較好的分離效果，分離后兩種不同頻率信號采用波形圖如圖4所示。

(a)濾波分離后1.25 Hz采樣電壓波形

(b)濾波分離后2.5 Hz采樣電壓波形圖4 濾波分離后采樣電壓波形圖

改進型雙頻注入法仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖5所示，設(shè)定絕緣阻值為2 000 Ω。

圖5 改進型雙頻注入法仿真數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從圖5可以看出，除了剛開始時的10 s數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，之后并沒有出現(xiàn)任何波動，驗證了此法可解決傳統(tǒng)雙頻注入法頻率切換過程中監(jiān)測出現(xiàn)波動問題。根據(jù)計算出來的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)設(shè)定絕緣阻值為2 000 Ω時，此改進雙頻注入法的誤差在0.01%左右。

2 裝置設(shè)計

絕緣監(jiān)測系統(tǒng)主要包括電源模塊、注入源模塊、信號采集模塊、核心處理模塊[11]。電源模塊將220 V AC電源經(jīng)過整理后轉(zhuǎn)換為±15 V DC電源，為各個模塊供電。注入源模塊主要是為裝置產(chǎn)生1.25 Hz和2.5 Hz的疊加信號，產(chǎn)生注入源的核心芯片采用STM32F103。先用MATLAB計算出疊加信號各點相關(guān)數(shù)值，然后將其儲存在微處理器中，通過定時器控制輸出頻率，從處理器I/O口輸出波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理后，經(jīng)過功率放大器放大至所需的幅值后注入IT系統(tǒng)。注入源模塊結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 注入源模塊結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)處理器I/O口輸出的注入源數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，波形是峰值為3.3 V的直流正弦波，通過減法電路將其轉(zhuǎn)換為交流，最后經(jīng)過功率放大電路將幅值放大到所需的±7 V。減法電路后注入源波形圖如圖7所示。

圖7 減法電路后注入源波形圖

信號采集模塊主要包括采樣電路設(shè)計以及電壓電路放大濾波電路設(shè)計。采樣電路主要采集采樣電阻兩端的電壓信號以及流經(jīng)線路上的電流信號，經(jīng)過處理后傳輸至核心處理芯片計算出絕緣電阻值。

考慮到當絕緣電阻達kΩ甚至MΩ級時，采樣電阻上的電壓最大也只能達到注入源幅值峰值電壓，僅有7 V，則流經(jīng)采樣電阻上的注入電流是μA等級的微弱信號，很難被采樣電路采集檢測，且易受外部環(huán)境干擾。

采樣模塊工作示意圖如圖8所示。設(shè)計采用高精度采樣芯片ADE7878，主要采集采樣電阻Rs兩端電壓信號，由于所采集的信號微弱，為消除共模干擾，先對2路電壓信號進行前置差分放大，再對信號進行濾波處理，設(shè)置兩級低通濾波電路，濾除工頻信號，最后輸入ADE7878當中。ADE7878電流采樣通道采用雙路差分輸入，而經(jīng)過差分放大輸出后，2路電壓采樣轉(zhuǎn)變?yōu)?路，因此ADE7878當中另一路的輸入接入模塊接地端(GND)。電壓采樣回路同樣經(jīng)過放大與雙級低通濾波模塊后注入ADE7878。

圖8 采樣模塊工作示意圖

最后由核心處理器MCU2進行絕緣電阻值的計算并實現(xiàn)其他功能。

核心處理器MCU2采用的是STM32F407，因為算法復(fù)雜程度較大，且所需控制端口較多，故選用STM32F407芯片，核心模塊由工作電源供電，通過接收A/D芯片的數(shù)據(jù)，在核心處理器內(nèi)計算總的絕緣阻值，并與設(shè)定值比較控制信號指示燈。人機界面采用的是液晶觸摸顯示屏，與STM32F407通過TTL電路進行數(shù)據(jù)交換。核心模塊還包含有RS485通信電路，能將實時數(shù)據(jù)進行遠傳，通過芯片上的USART引腳和I/O口進行連接。STM32F407的USART引腳通過轉(zhuǎn)換電路(轉(zhuǎn)換芯片)、瞬態(tài)防護、阻抗匹配和共模電感與其他設(shè)備通訊口通過軟排線進行連接，具有較高的抗干擾能力，核心模塊工作框圖如圖9所示。

圖9 核心模塊工作框圖

液晶顯示屏主要用于實現(xiàn)裝置預(yù)警、報警，并記錄預(yù)警和報警時間，顯示實時的絕緣曲線等。

3 試驗分析

裝置試驗主要包括離線試驗與在線試驗，離線試驗是直接將測定的高精度功率電阻一端接入注入源端口，電阻另外一端接入監(jiān)測裝置的GND端口，以此來比較實測的電阻值與裝置計算所得的阻值，并分析裝置離線測試效果。離線試驗結(jié)果表如表1所示。

表1 不同絕緣電阻值接入下離線試驗結(jié)果表

通過離線試驗結(jié)果表，可以看出隨著外部接入的電阻阻值增大，監(jiān)測誤差也會隨之增大，但是誤差一直保持在5%以內(nèi)，精度是比較高的。由此可以證明此裝置離線試驗是成功的。

在線試驗由于實際應(yīng)用中的IT配電系統(tǒng)變壓器二次側(cè)一般沒有引出中心線，絕緣監(jiān)測裝置測試系統(tǒng)接線如圖10所示。

圖10 絕緣監(jiān)測裝置測試系統(tǒng)接線圖

圖11 試驗系統(tǒng)圖

在線試驗系統(tǒng)實際接線如圖11所示。圖11中，非有效接地系統(tǒng)用試驗室的調(diào)壓器來模擬，分有3條支路，3條支路分別接入由3個三角形連接的功率電阻負載，負載電阻為3 kΩ。計算可得每條支路功率為48.13 W，然后用一個大功率電阻來模擬絕緣破壞時的對地電阻。

將絕緣監(jiān)測樣件的注入源端口連接試驗系統(tǒng)某相(比如U相)，向系統(tǒng)中注入2種低頻疊加信號，注入源端口的GND要與調(diào)壓器的中心點連接，因為實驗室采用的三相四線制，如果注入源端口的GND沒有與調(diào)壓器中心點連接，樣件是測試浮空狀態(tài)的。調(diào)壓器再通過與隔離變壓器連接，再由隔離變壓器分接3條支路并帶上負載電阻來模擬IT系統(tǒng)。為了試驗安全，模擬接地短路的支路上和注入源線路上分別接入一個空氣開關(guān)，待試驗開始是再將其閉合。

連線完成后先對測試系統(tǒng)上電，分別打開模擬接地支路與注入源線路上的空氣開關(guān)，對絕緣監(jiān)測裝置上電，通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)電壓輸出。然后通過絕緣監(jiān)測裝置上的液晶顯示屏觀察總絕緣電阻，看液晶顯示屏上顯示總絕緣電阻值是否與實際接入的模擬接地電阻值誤差在需求范圍內(nèi)。

在試驗開始前，可先設(shè)定絕緣閾值，當測量所得絕緣阻值低于設(shè)定的閾值時，可發(fā)出預(yù)警、報警，并傳輸至液晶顯示屏進行顯示。在線試驗結(jié)果表如表2所示。

表2 不同絕緣電阻值接入下在線試驗所測結(jié)果

隨著外接的模擬接地電阻的阻值升高，樣件實際計算所得的絕緣阻值誤差也是越來越大的，但是誤差一直在5%的合理范圍之內(nèi)。但是當絕緣阻值超過500 kΩ時，監(jiān)測將會出現(xiàn)不準確的情況，出現(xiàn)這樣的情況主要是因為隨著絕緣阻值升高，采樣所得電壓電流受干擾影響變化太過微弱所致，可適當提高采樣電阻阻值或者升高注入源幅值，以此增大監(jiān)測范圍。

4 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)雙頻注入法在注入頻率切換過程中導(dǎo)致監(jiān)測不準確的問題，提出改進型的雙頻注入法，并通過仿真實驗，驗證了改進型雙頻注入法在監(jiān)測過程中不會出現(xiàn)頻率切換帶來的監(jiān)測波動導(dǎo)致監(jiān)測不準確的問題。之后本文基于改進型雙頻注入法，設(shè)計并制作了絕緣監(jiān)測裝置，通過離線與在線試驗，驗證了此裝置在絕緣阻值在500 kΩ范圍內(nèi)，具有較高的監(jiān)測精度。并針對在絕緣阻值大于500 kΩ后，監(jiān)測不準確問題，提出了提高絕緣監(jiān)測范圍的方法。