电气绝缘电阻的在线监测装置与实现方法

唐志博　王瑛　薛占龙　夏宇

摘  要：为了改善绝缘防护的安全性，设计出一套完善的监测装置。通过对绝缘防护监测现状的了解，结合实际情况给出实现绝缘电阻在线安全监测的解决方案，并针对以风塔内电气配电柜的绝缘电阻测量为工程背景，对绝缘监测的意义、测试原理、方法以及电路设计方案进行介绍。该装置拥有良好的监测效果，可以为绝缘防护监测提供有力支持。

关键词：绝缘电阻;安全监测;电气配电柜

中图分类号：TP277;TM85      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）05-0058-03

Online Monitoring Device and Implementation Method of Electrical Insulation Resistance

TANG Zhibo，WANG Ying，XUE Zhanlong，XIA Yu

（Department of Informatics，Beijing University of Technology，Beijing  100124，China）

Abstract：In order to improve the safety of insulation protection，a set of perfect monitoring device is designed. Based on the understanding of the current situation of insulation protection monitoring，combined with the actual situation，this paper gives a solution to realize the on-line safety monitoring of insulation resistance，and introduces the significance，testing principle，method and electric circuit design scheme of insulation monitoring based on the insulation resistance measurement of the electrical distribution cabinet in the wind tower. The device has good monitoring effect and can provide strong support for insulation protection monitoring.

Keywords：insulation resistance;safety monitoring;electrical distribution cabinet

0  引  言

目前国内绝缘防护还没有形成一套完善的监测装置，但随着电子通信，数字信号处理以及单片机程控技术的不断发展，使得对电气设备绝缘电阻测量，实时监控电气系统的安全成为可能，在我国风电塔的内部拥有电气配电柜，它长期工作在无人值守的高电压状态，如果配电柜的绝缘防护出现问题，那么势必给风电塔内的其他设备和人员带来严重危害。

本文设计的用于自动测量风塔配电柜的绝缘电阻监测系统，在北京工业大学嵌入式实验室中完成了电气绝缘电阻监测系统硬件设计以及阻抗芯片驱动软件设计。系统采用微处理器自动采集配电柜监测点的绝缘情况，出现超标或故障时能够实时进行无线远程报警。测量绝缘电阻参数的重要性体现在以下三点：其一是通过绝缘电阻的测量，可以检测出绝缘材料是否满足绝缘性能，可以将绝缘参数作为企业购买绝缘材料的重要依据;二是迅速了解电气设备的绝缘指标，通过测量防患于未然，避免不必要的危险发生;三是在电气設备批量生产前，要对设备进行耐高压测试，而在耐压测试进行之前，首先要对设备进行绝缘电阻测量，根据测量结果看是否符合耐压测试要求，只有满足了测量要求，才能对设备进行耐高压检测，否侧，如果疏忽了绝缘电阻测量步骤，就会在耐压测试的时候产生大电流，从而导致电气设备被损坏。

1  绝缘电阻测量系统设计方案

本绝缘电阻测量装置由数据处理模块、信号处理模块、测量通路切换模块、信号调理模块、通信接口模块以及电源模块6个模块组成，选用STM8L微控制器为处理核心，驱动以AD5933阻抗转换芯片为核心的信号处理模块，使其能产生频率为10 kHz，峰峰值为2.0 V的正弦交流电信号，本系统设计了功率放大器提高激励信号的驱动电压，在经过升压变压器的调理作用后，将电压升高到600.0 V以上，根据绝缘电阻原理，在绝缘电阻两端加高电压，在绝缘电阻回路中会产生微弱泄漏电流，这个泄漏电流大小会随着绝缘电阻的变化而改变，这个变化的信号通过降压变压器调理后，恢复到AD5933阻抗转换芯片可以处理的范围内，并对其进行信号处理，最后由微控制器计算，最终会得到绝缘电阻的阻值，具体如图1所示。

2  绝缘电阻测量系统硬件设计

2.1  数据处理模块

数据处理模块主要用于控制多路控制开关切换，数据的发送，控制信号处理模块产生激励信号，以及对来自信号处理模块的数据进一步计算，所以要考虑功耗问题，本系统选用了STM8L作为主控制器芯片，数据处理模块包括STM8L微控制器以及最小系统电路，其中最小系统电路是保证STM8L工作的核心。

2.1.1  复位电路

复位电路设计的目的在于防止整个系统死机的情况发生，STM8L芯片的复位模式分为两种，分别是硬件复位和软件复位，由于STM8L在复位引脚检测到低电平就可复位系统，所以当系统出现卡死现象，按键S5可以复位这个系统。

2.1.2  程序烧写与调试电路

此电路是嵌入式软件开发的核心，本设计中，只需占用STM8L微控制器4个I/O端口，在硬件上，本文设计的四线SWIM接口和PC机用ST-LINK调试器相连，就可以完成程序的烧写与调试功能，极大地方便软件的开发。由于STM8L微控制器内部拥有16 MHz的RC振荡器，所以本文选择用其内部的振荡器作为系统的时钟源。

2.2  信号处理模块

信号处理模块由AD5933芯片以及外围电路所组成，它是一款精度很高的阻抗测量芯片，测量宽度大，此芯片具有I2C协议，根据I2C接口协议，在总线空闲时，时钟信号线SCL和数据信号线SDA必须保持高电平，所以电路设计中用R3和R4作为上拉电阻来满足协议要求，利用STM8L的I2C接口对AD5933芯片内部寄存器进行配置，其中在芯片REF引脚和芯片VIN引脚之间为反馈电阻，用于设置接收端电流电压放大器的增益。

2.3  信号调理模块

此模块由功率放大器和升降压变压器组成，根据绝缘电阻测量原理，需要将激励信号电压值放大到600.0 V，因此需要设计升压变压器。本文采用桥式推挽电路，考虑了整体电路的功耗问题，还设计了低功耗方案，根据功率放大器的模式选择引脚，利用微控制器的两个I/O接口分别控制两个NPN三极管来切换功率放大器的工作模式，由于AD5933芯片内部ADC的线性工作范围是0 V至3.3 V之间，因此需要将高压响应信号通过降压变压器降低到AD5933可处理的电压范围内。

本文选择1 MΩ电阻作为电路限流保护电阻，并且选用耐压值为1 000.0 V的瓷片电容，用于防高压交流信号损坏低压测电路。

2.4  测量通路切换模块

本文设计的绝缘电阻测量系统为多路测量，考虑到本系统电源设计的分布情况以及电路结构，选用12.0 V的继电器作为测量通路的切换。由于继电器线圈需要一定的驱动电流，考虑到驱动电流的不足，设计了达林顿管驱动电路，提高对继电器线圈的驱动能力，本系统利用STM8L微控制器IO引脚分别驱动达林顿管引脚实现切换继电器目的，本文将1N4007二极管并联在继电器线圈两端，这是由于继电器的线圈有很大的电感量，当两端电压消失的瞬间，会产生较大的反向电动势，将会危及其他半导体器件，因此加入二极管后，反向电动势会被释放，线路就安全可靠了。

2.5  通信模块

考虑到今后系统的无线传输功能，在硬件设计中增加串口转485通信电路，在今后的无线传输功能中，既可以利用485无線传输模块完成无线传输功能，也可以利用串口电平驱动无线模块实现无线传输功能。

2.6  电源模块

本系统电源是24.0 V锂电池，功率放大器模块、达林顿管电路、继电器电路都需要12.0 V电源供电，因此设计24.0 V转12.0 V电源电路，由于需要5.0 V电源及3.3 V电源，因此设计了12.0 V转5.0 V，5.0 V转3.3 V电源电路。

3  绝缘电阻测量系统软件设计

本系统未来将采用IAR Embedded Workbench完成嵌入式软件部分的编程与调试，STM8L单片机在上电之后将完成一系列初始化操作，然后进入按键检测状态，初始化流程如图2所示。根据绝缘电阻的设计功能的实现要求，本系统未来将采用模块化的思想，各模块的功能设计如下：（1）AD5933驱动模块：编写单片机的I2C驱动程序，完成对AD5933芯片内部寄存器的配置，使得AD5933可以输出满足需要的激励正弦信号，以及完成对AD5933数据寄存器中数据的读取功能。（2）功能切换模块：本设计中绝缘电阻测量装置为多路测量，需要利用单片机来控制继电器的吸合，以此来完成各路切换，实现点击功能按键来测量不同通路的绝缘电阻值。（3）485通信模块：由于本系统未来可能会用到无线通信部分，以及命令下达等操作，因此需要设计485驱动的编程，来完成对命令的接收与数据的发送功能。（4）显示模块：为了让用户更方便地看到绝缘电阻数据结果，需要设计LCD驱动程序、LCD命令配置程序、数据显示程序等，实现绝缘电阻值的显示。

4  实验验证结果

为验证电路设计合理性，在实验室用信号发生器来模拟AD5933阻抗芯片，分别产生频率10 kHz，幅值从0.1 V到2.0 V的信号，来测试功率放大器的输出信号幅值及升压变压器的输出信号幅值，测量结果如表1所示。

根据实验数据，测量绝缘电阻的理想电压值为600.0 V左右，所以激励信号为1.5 V左右就可以满足测量要求，说明本文设计的电路是合理的，为嵌入式软件设计工作打下硬件基础。

为验证AD5933阻抗测量芯片产生的激励信号是否满足要求，使用IAR Embedded Workbench软件完成实验测试，编写AD5933芯片的驱动程序。

绝缘电阻测量系统需要产生频率为10 kHz的交流激励信号，而本文选用的阻抗芯片为AD5933，它是通过I2C接口与微控制器相连的，因此通过微控制器可以利用I2C协议实现对AD5933的控制以及完成对AD5933读写的操作，AD5933芯片一共拥有9个功能寄存器，首先对AD5933的控制寄存器进行配置，该寄存器是16位的，通过写相关状态字到该寄存器后，可以实现对激励信号幅值的控制，可以实现4种不同幅值的输出，分别为2.0 V、0.2 V、0.4 V以及1.0 V，同时还会决定激励信号的起始频率大小等功能，本文设置的频率为10 kHz。

5  结  论

本文主要设计了基于STM8L单片机的绝缘电阻测量仪器的硬件系统，并对其进行了测试验证，测试实验结果表明通过信号发生器模拟实验验证了电路的可行性，以及通过嵌入式软件的初步设计，可以控制AD5933阻抗芯片产生理想的激励信号，通过本文设计的功率放大器以及升降压变压器，可以产生600.0 V以上的高压信号，满足绝缘电阻测量的条件。本文设计的硬件电路为今后完整的绝缘电阻在线测量方案打下了坚实的基础。

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作者简介：唐志博（1993-），男，汉族，北京人，硕士研究生在读，研究方向：电子与通信工程。