Design and Development of IMD in AC-DC Ungrounded Systems

Zhao Xuelian / Shen Biao



Design and Development of IMD in AC-DC Ungrounded Systems

Zhao Xuelian / Shen Biao

AbstractDescribes the insulation monitoring for an industrial ungrounded system Device (IMD), for the deficiencies of the prior art by providing a new hardware platform can be monitored 400V class AC and DC ungrounded system, and It details the hardware and software design principles insulation monitors. At present, the insulation monitoring device has passed the test verification, and a large number of sales in the market, Industrial ungrounded distribution system provides reliable insulation monitoring.

KeywordsAC-DC ungrounded，insulation monitoring device，adaptive system，IMD

0引言

在一些对供电连续性要求较高的场所(如矿井、化工厂、玻璃厂、冶金厂、某些集会场所的安全照明和某些电炉的试验设备等)，设备故障断电会带来巨大的损失，因此采用不接地系统可以有效减少断电发生的频率，这是由于在不接地系统第一次出现接地故障时，系统还能够继续使用，不会出现断电的状况，如果第一次接地故障是人为导致，则对人体基本没有太大的伤害，但此时系统已经存在安全隐患，如果不及时排除故障，当再次出现异相接地故障时，系统就有可能断电，从而造成严重的后果。安装绝缘监测装置，可以实时显示系统对地绝缘电阻，在系统第一次出现绝缘故障时，发出报警信号，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[1]。JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》第7.2.3条规定，IT配电系统必须配备绝缘监视仪[2]。国外对此也很重视，在上世纪六十年代，各个发达国家已经开始进行对电力系统的研究，但其快速发展是在上世纪七十至八十年代，这十年间，数字电路的集成、计算机的迅速发展、各类传感器的出现推动了电子测量领域的发展。目前国内一些厂家愈发重视对绝缘监测产品的研究，主流的测量方式有直流信号注入法、交流信号注入法、平衡桥测量法等。以上测量方式有各自的优势，但由于应用场所环境的差别(泄露电容、直流信号的存在等等)较大，可能存在着测量范围较窄、测量精度不高、系统中允许泄露电容较低、测量周期长、只能用于交流系统等缺点。本文提出一种新型绝缘监测装置的设计原理，该装置采用自适应系统频率的方法，有绝缘电阻测量范围广、允许系统泄露电容大、响应快、测量周期短等优势。

1绝缘监测装置原理概述

图1所示为测量电路简图。

图1　绝缘监测装置原理简图

图1中R1和R3是阻值相等的耦合电阻，R2和R4是阻值相等的采样电阻，Rf是系统对地电阻，Ce为系统泄露电容，G为信号发生器。电源端的带电导体不接地，只作设备外壳的保护接地。绝缘监测仪通过G向系统注入+20V和-20V的脉冲信号，经过R1、R2、R3、R4返回到绝缘监测仪，构成一个闭合回路，对R2和R4电压进行信号处理、采集，即可算出系统对地电阻和系统泄露电容。

2硬件设计

本装置硬件电路主要包括中央处理器模块、断线监测模块、信号注入模块等。中央处理器选用ARM cortex-M3内核的单片机，该芯片主频高，外设丰富，大大简化了外围电路的设计。下面对硬件电路进行讨论。

2.1信号控制电路

CPU通过控制模拟开关决定信号的输出，其中+2.5V信号来源于基准芯片，-2.5V由+2.5V进行反相后得到，随后进入信号发生电路。

2.2信号发生电路

信号控制电路中所述的+2.5V或-2.5V信号经过高压运放放大后产生+20V或-20V的脉冲信号，即为注入不接地系统的信号。

2.3信号检测电路

信号发生电路中的±20V信号通过图1中的耦合电阻和系统对地绝缘电阻后构成回路，通过检测两个采样电阻的信号来计算系统绝缘电阻；通过检测PE上的信号电压，判断PE/KE是否断线；在装置运行过程中，对系统类型进行实时检测，根据系统是否存在直流分量来选择适当的测量方法。

2.3.1交流系统或离线状态

信号从采样电阻流经截止频率<10Hz的低通滤波电路，当系统是交流系统或处于离线状态时，由于存在的干扰信号主要来源于不接地系统的50Hz信号，而该频率远大于该滤波器的截止频率(<10Hz),则干扰信号将会衰减到可忽略的幅度，而后通过信号处理电路分别对两路信号进行相加、放大、抬升，最终被单片机ADC采样。

滤波效果可参考仿真结果。本电路在PSPICE中进行仿真，在L1和L2之间加300V(频率50Hz)电压(模拟不接地系统)，信号经过四阶低通滤波电路前后的效果对比图如图2所示。图2中波形是注入的±20V与300V系统电压叠加后的结果，可以看出，300V电压对采样电阻上的信号电压影响很大。参照图2的下图可知，经过低通滤波电路以后，300V(频率50Hz)的信号衰减到可以忽略的幅度。

图2　滤波前后信号对比

图2中的两段信号分别是+20V和-20V交叉变换的结果，由于系统存在泄露电容，波形呈现一个缓慢充放电的曲线，这个过程也是采样电阻分压趋于稳定的过程。而分压电阻上的最终电压只跟系统电压和其所占比例有关，跟电容无关，故电阻的测量与波形正负半周稳定后的电压有关，下面简要陈述计算过程。

图3　两路信号合成

设图3中“ADC_R”(采样电压)稳定后的电压是V1、“VOUTF”处电压V2、“VOUT1”和“VOUT2”电压V3，则在+20V时，有：

(V2-V1)/R116

(1)

V1和V2(抬升电压)已知，则可求出V3。设采样电阻电压为V4，由于从V4到V3只有低通滤波电路和一个信号抬升电压V6，低通滤波电路对信号幅度影响很小，则：

(2)

V4也是图1中R2和R4的分压，设电源电压V5，则：

(3)

联立(1)、(2)、(3)式，即可求出绝缘电阻Rf。

电容的计算依赖于电阻的大小和波形的曲线。假设电压在关于时间t的波形上存在两个点M1和M2(对应的坐标是(V1，t1)，(V2，t2))，将M1与M2带入电容充电公式可得：

处理后有：

在实际计算的过程中，可以多次取点计算，求平均值，提高测量精度。

在-20V时，绝缘电阻Rf和泄露电容计算方式与此类似。

2.3.2系统存在直流分量

当系统存在直流分量时，仍然需要四阶滤波电路滤除系统交流信号(此时直流信号仍然存在)，之后经过一个如图4所示的信号保持电路。

图4　信号保持电路

输入信号分为正、负半周信号，但两者均含有系统中的直流分量，通过开关的断开与闭合，可以实现正负半周信号相减，由于系统的直流电压幅度变化很小，相减后的信号中不再含有直流分量，此时的采样信号中只是±20V电压作用在采样电阻的结果，最后信号经过放大，进入单片机ADC采样模块。进入ADC采样的波形可以参照PSPICE仿真结果)(图5)。

图5　两路独立信号波形

无论是在+20V，还是-20V，系统都能独立监测绝缘状况，如此，测量周期至少比固定周期产品测量周期小一半。直流系统中电阻的计算同交流系统所述一样，电阻的大小取决于波形稳定后的电压值，电容的计算仍然依赖于电阻，计算方法类似于通过ADC采样信号可以反推出在+20V和-20V时图1中R2和R4的分压，即可求出绝缘电阻值与泄露电容值。

2.4仪表其他电路

除了上述电路外，还有断线检测电路(PE/KE断线、L1/L2断线检测功能)、RS485通讯电路、其他通讯电路等。

3软件设计

3.1软件流程

该绝缘监测装置采用结构化程序设计思想，采用C语言进行编写。主函数通过查询标志位的状态，决定是否执行对应的模块，各个模块的标志位在定时器内改变。这种方式提高了软件的实时性，后期的软件维护相对来说也比较方便。

3.2自适应频率

目前市场上同行产品多数采用向系统注入固定周期信号的方法，这种方式必须考虑系统最大电阻及电容，测量周期必须满足最大电阻和最大电容的要求，因此这时的周期是最长的，且不能改变。自适应频率是一种新型的周期调节方式，通过监测系统信号波形来调整周期大小。在信号波形上取两个点的电压信号，当信号电压变化很小时，视为稳定，这时翻转脉冲信号，并保存该周期运行的时间作为下一次脉冲的周期。由于在正负半周都会对波形进行监测和计算，所以信号波形的调整会很及时，电阻的计算结果更新的相对也比较快。此外，一旦电阻和电容测量结果稳定，系统会计算理论周期，并与实际测量周期作对比，然后把理论测量周期赋值给下一次脉冲周期。该方式保证了在测量结果精度达标的前提下，测量周期能够达到最短。

3.3响应时间

IEC 61557-8第8部分“IT系统中绝缘监控装置”中第4.6条表1规定，在纯交流系统中，当泄漏电容为1uF、绝缘电阻为0.5倍的报警值时，响应时间应<10s。在测量精度达标的前提下，本装置响应速度能<6s。下面就电阻突变对波形的影响作简要分析，祥见图6。

实线：波形一 虚线：波形二图6　故障模拟波形图

t1之前系统周期已经稳定，假设在t1时刻(电压V1)电阻突然减小到报警值以下，波形发生变化，当到达采样时刻t2时，测得此时电压V2，CPU判断两者之差大于设定的值，下半周周期加倍，变为2T(之前为T)，由于电容很小，系统会在2T时间运行结束之前提前稳定。虽然系统会在周期完成之前提前结束，但响应时间会增大，如果取一个完整的正负周期的信号作为报警响应的依据，则大大增加了响应时间。为了解决这个问题，系统在半周结束之后计算电阻值(独立信号)，如果该电阻值小于设定的报警值，则发出报警信号，响应值即为图6中的t2～t1。经实际测试，响应时间基本维持在5s以内，最长不超过6s。

3.4软件其他描述

软件校准采用线性分段式校准法，共8个校准点，保证了仪表的精度；为了滤除信号中的噪声干扰，数字滤波依次采用冒泡法(对数据排序)、中位值滤波法、平均值滤波法对数据进行处理，保证了信号的可靠性和稳定性。

4试验结果

该产品已通过许昌开普检验中心的的型式试验，功能和性能均满足国际标准要求。经试验验证，该仪表在电阻1K～5M、电容0～150uF的条件下，显示值与实际值的比值均保持在10%以内，测量精度达标，能满足各种环境中不接地系统绝缘监测的需求。

5结束语

本文介绍了一种新型绝缘监测装置，与市场绝缘监测仪表相比，其优势在于可监测直流不接地系统、允许系统泄露电容大、测量周期短、响应时间短等。经过试验，本文介绍的绝缘监测装置在交流、直流不接地系统均可可靠工作，可为不接地系统提供一种可靠的监测。

参考文献

[1]王厚余.论IT系统的应用[J].建筑电气，2008，27(11)：3-7.

[2]JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]刘国平.船舶电气与通信(第一版)[M].北京：海洋出版社，2004.

[4]王巍，王金全，杨涛等.低压IT系统几个关键问题的探讨[J].电世界，2012(11)：1-5.

[5]马涛，王金全，金伟一等.三相四线制IT系统绝缘监测技术方案研究[J].船电技术，2008(5)：277-280.

[6]IEC 61557-8 Electrical 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

一种应用于交直流不接地系统绝缘监测装置的设计与开发

赵雪莲1/ 沈标2

(1.青海三佳工程设计咨询有限公司，青海 西宁 810000；2.安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801)

摘要介绍了一种用于工业不接地系统的绝缘监测装置(IMD)，针对现有技术的不足，提供了一种新的硬件平台，可监测400V等级的交直流不接地系统，并详述了绝缘监测仪的硬件和软件设计原理。目前该绝缘监测仪已通过试验验证，并在市场上大量销售，为工业不接地配电系统提供了可靠的绝缘监测。

关键词交直流不接地系统绝缘监测装置自适应IMD