基于绝缘检测功能的直流试验电源研制

2022-12-22甘卿忠何海欢袁焕炯雍育烨

通信电源技术 2022年16期

甘卿忠，何海欢，袁焕炯，雍育烨

（1.南方电网超高压输电公司广州局，广东广州 510000；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东广州 510000）

0 引言

低压直流系统是变电站的重要组成部分，可以为变电站内继电保护装置、自动装置等二次设备提供稳定可靠的工作电源，是变电站稳定运行的基础。为保障站内低压直流系统的可靠运行，新二次设备在接入之前，通常使用外接的直流试验电源对新设备进行调试，确认设备功能完善且无内部故障后才能接入直流系统运行[1]。现有的直流试验电源通常仅输出直流电源，不具备绝缘状态检测功能，不能对新接入设备内部的直流接地、寄生回路、交直流互窜等故障进行检测、告警。当存在上述异常的设备接入到站内低压直流系统时，往往会影响直流系统的正常运行，严重时将导致运行设备跳闸、保护误动等事故。

1 绝缘检测方法

当前的直流绝缘检测呈现多技术、多样化发展，常见的检测方法有平衡桥法、切换桥法、信号注入法以及漏电流检测法等，其中采用平衡桥法进行绝缘检测的应用最为广泛。

平衡桥法的原理是分别对低压直流系统正负极接入1个相等大小的对地电阻，使低压直流系统正、负极对地电压平衡，当任一极出现接地故障时，2极对地电压就会失去平衡。其缺点是不能计算两极多点接地绝缘电阻，而且无法检测2极阻值相近的接地故障。

切换桥法是在平衡桥法的基础上，通过自动控制对低压直流系统的正负极交替投入固定阻值的对地电阻。该方法能够计算2极同阻值接地，弥补了平衡桥法的不足。

信号注入法是在低压直流母线和大地之间注入一个低频、低幅值的交流信号，通过对该信号进行追踪检测来判断绝缘故障并实现定位[2]。这种检测方法容易受分布电容电流或同频噪声的干扰，存在一定局限性。

漏电流检测法是通过有源CT检测各支路流过的电流，通过测量接地漏电流的方法来计算接地电阻。该方法容易受到系统电容和空间磁场的影响，导致测量误差较大。

2 功能分析

2.1 直流输出可调

由于低压直流系统通常有48 V、110 V以及220 V等不同的电压等级，设备调试时常有过压测试和欠压测试等，因此所研制的直流试验电源需实现无级可调的0～250 V直流电压输出。

2.2 故障报警

由于试验电源功率较大，因此要注重电源的质量和安全问题。设立专门的自检功能，实现电压模块温度过高告警、短路告警以及短路输出阻断。此外，为保证试验电源设备安全和输出效果，对输出电压进行检测，设置过压、欠压告警阈值，实现输出过压、欠压告警。

2.3 绝缘检测

市场上常见的直流绝缘检测装置通常是为低压直流系统而设计，而本文是将绝缘检测功能集成到直流试验电源上，在合理范围内设计更简化的绝缘检测方法，目的在于减小电源设备体积且不影响设备性能，实现绝缘故障判断[3]。所研制的设备采用平衡桥与切换桥相叠加的原理，一方面通过平衡桥计算正负极接地电阻，另一方面通过向正负极投切可变电阻（即切换桥）使得正负极产生实时波动的对地电压信号，再借助手持型互感器追踪检测该信号来定位故障点。

2.4 交直流窜电检测

由于电网内部分一次设备、二次设备内部（如继电器、空开、接触器等）既有直流也有交流供电，在设备安装和施工过程中可能会造成交直流搭接、互窜。交直流窜电时往往对低压直流系统的影响比较大，这通常是将交流回路误接、误碰到直流回路上，使直流回路产生较高的交流电压，继而与系统电容作用导致电网继电保护误动等事故。所研制的直流电源具备交直流窜电检测功能，可以对新设备内部的交流、直流搭接情况进行检测、告警。

2.5 故障录波

故障录波可以重现故障时刻前后所检测的设备电压、电流幅值、频率的波动情况等，这些特征对分析故障的原因很有帮助，特别是对查找瞬时接地故障、交直流窜电故障等作用明显。所研制的直流电源具备故障录波功能，能够实现每次启动可录波30 s，包括故障前1 s和故障发生后29 s，并形成故障记录保存到储存器中。

3 总体设计

所研制的直流电源总体上分为稳压电源部分和绝缘检测部分，2个部分通过主控制器、输出母线产生联系。稳压电源部分包括整流电路、滤波电路、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）转换器、平滑滤波模块、输出反馈模块、输出保护模块以及过温保护模块，主要实现交流转直流功能。绝缘检测部分包括告警模块、显示模块以及电阻桥模块，主要实现电阻桥的投切、故障检测和告警功能。

稳压电源部分中，交流电经过整流电路转换成为含交流分量的直流电，然后经滤波电路去除交流分量形成较为平稳的直流电，然后进入DC/DC转换环节，由CPU控制输出脉宽并经平滑滤波后通过负反馈进行调节，最终使输出电压达到预设值。输出保护模块负责检测输出状态，当出现过压、欠压以及过流输出时由CPU发送异常停止指令，停止输出并告警。过温保护模块负责检测装置的整体温度，当温度过高时会停止输出并告警[4]。

绝缘检测主要依靠主控制器对电阻桥进行投切，使母线产生实时波动的对地电压信号，采集模块采到模拟信号并经模/数（Analog/Digital，A/D）转换为数字信号发送给主控制器。主控制器通过计算处理，实现对负载是否存在异常的判断，同时显示相应的异常信息。当检测到异常情况时，触发装置内部的录波，并将波形文件保存到内部存储器中。

除此之外，所研制的直流电源还配备了故障查找手持器模块，具备快速查找接地功能。当装置报绝缘异常时，可通过触摸屏幕给主控制器发送“查找接地”命令，主控器接收命令后控制电阻桥投切，使母线出现实时波动的对地电压信号，然后借助带无源CT的手持器追踪该信号，实现故障查找与定位[5]。

4 硬件设计

4.1 主控制芯片

主控制器采用意法半导体公司的STM32F103VET6作为CPU芯片，该芯片是基于Coretx-M3内核的32位ARM处理器，其内置512 KB的闪存存储器和64 KB的静态随机存储器，最高工作频率达72 MHz，性能良好，非常适用于工业控制和数据处理。

主控制器是所研制直流电源的控制中心，负责控制DC/DC转换、输出保护、过温保护、电阻桥投切以及显示和告警，获取显示屏的指令数据和通信模块的信号数据并进行处理，实现相应的判断、数据显示及控制操作。

4.2 电源稳压电路

稳压电源电路原理如图1所示。

图1 稳压电源电路原理

交流电源经过整流桥BR和C1整流滤波后产生高压直流Ud，经过TOP224P开关芯片实现DC／DC转换后，给高频变压器的初级绕组供电，同时通过瞬态电压抑制器VDZ1和二极管VD1将漏感产生的尖峰电压钳位到安全值，并衰减振铃电压。由VD2、C2、L1以及C3组成的滤波电路将变压器次级绕组电压滤波得到直流输出电压，再由稳压二极管VDZ2、光电耦合晶体管IC2和R1组成的稳压电路进行稳压。

4.3 绝缘检测电路

绝缘检测电路中融合了采样电路、平衡桥电路和切换桥电路，如图2所示。

图2 绝缘检测电路原理

R3、R4为切换桥可调电阻，通过继电器K1、K2分别控制R3、R4的投切。R2C、RW1和R42串联为正极对地电阻，R1C、RW2和R41串联为负极对地电阻，其中R1C=R2C、RW1=RW2、R41=R42，通过使正负极对地电阻相等，从而起到平衡桥作用。

4.4 故障查找手持器设计

故障查找手持器设计了开口式霍尔传感器CT，霍尔传感器CT的副边补偿电流可以反映原边电压的变化情况，经过处理器测量补偿电流并进行处理，将原边电压变化波形进行精确还原，通过显示器显示波形。手持器设计原理如图3所示。

图3 手持器设计原理

接地故障位置查找原理如图4所示。

图4 接地故障位置查找原理

当启动故障查找模式时，装置会交替投入变化的R3、R4，使系统正负极产生一个特殊的对地电压信号，该信号通过系统接地故障点返回大地。例如，通过手持器在图4中的A、C点都可以检测到该信号，而在B点无法检测到，于是可以判断接地故障位于有特征电压信号点A和无特征信号点B之间，无限缩小2个点之间的距离即可得到接地故障的准确位置。

5 程序设计

初始化电源回路系统中的TOP224P开关芯片、稳压电路、反馈电路、过欠压保护以及过温保护等CPU控制TOP224P芯片产生脉冲宽度调节电压，经过平滑滤波获得预设的直流电压，通过反馈比对判断电压误差。调整TOP224P产生的脉冲宽度，使输出电压达到预值，经过温、过压、欠压以及短路保护电路后，输出到负载。当出现过温、过欠压或短路故障时，CPU控制开关芯片停止输出脉冲和电压输出。

对绝缘检测系统中的电阻桥、液晶显示、电阻桥控制继电器进行初始化后，CPU芯片通过A/D转换电路获取对地电压数据信息，再借助CPU芯片控制桥臂继电器定时切换电阻桥，进而计算两极接地电阻。如果判断有接地，则进入切可变电阻模式，由CPU芯片控制投切的电阻大小，使变化的切换电阻依次投切到系统的正、负极产生变化的对地电压，最终通过追踪该信号查找故障接地点。