IT 系统的绝缘监测的采样设计

郭灏阳，吴勇

（安徽理工大学，安徽淮南，232000）

0 引言

在不接地交/直流系统（IT 系统）中，系统中性点对地完全隔离，系统负载中的外壳经接地保护线接地。由于IT系统供电稳定性好，单相接地不断电。

IT 配电系统发生单相绝缘故障后，其非故障相电压会升高为线电压，此时供电系统虽然可以持续工作，但是故障系统长时间的运行可能导致非故障相绝缘薄弱的地方再次发生绝缘故障而导致相间短路。

在一些不允许随便断电或出现较大漏电流的场合必须使用IT 系统，例如冶金、化工、矿山、铁路和重要医疗场所。但IT系统出现单点绝缘接地故障时必须及时准确监测出来，否则IT 系统将变成TN 和TI 系统，其优势将不复存在。

在我国由于不了解 IT 系统，除在矿井、冶金企业、医疗、铁路采用 IT 系统外，在建筑物电气装置配电中几乎不采用IT 系统[1]。

1 绝缘监测原理

IT 系统用的绝缘监测方法：

(1)向IT 供电系统注入设定初始频率的低频脉冲信号，利用该信号采并测量供电系统对地的电阻和电容；

(2)根据计算得到的电阻和电容值大小，自适应地调整信号频率，并以调整后的频率向不接地供电系统注入交流信号；

(3)利用新的信号，测量供电系统对地电容值和电容值，根据计算的电容值进一步调整测量信号的频率，直到测得的电阻值满足限定的精度要求。

根据图1 所示可以更直观地看到，对于IT 系统常用的绝缘检测仪，通常采用外部注入，等效计算绝缘电阻的方式来进行监测的。

图1 自适应低频脉冲注入法原理图

图中脉冲发生器G 产生低频可变低频脉冲，注入IT 系统后，通过接地线PE 流回绝缘检测仪构成回路，经过低通滤波器和采样电阻Rm 后采样计算，就可以得到系统的绝缘电阻。根据回路电压法，其中注入脉冲的高电平时计算公式为[2]：

Im为流经采样电阻的电流，R是分压电阻，VDC为系统中流过的直流分量，VG为脉冲电压。当计算低电平注入脉冲时，与正向相同，改变VG的正负即可，则当两式相减化简后得到的绝缘电阻为：

若是在波形上任取两个点t1、t2得到V1、V2代入电容充电公式为：

即可得到系统绝缘电容：

同样的，在交流供电系统中，也可以使用同样的测量方式计算，如图2 所示，这里对原理图进行简化，便于理解。

图2 脉冲注入法简化原理图

图3 系统硬件框图

式中，Z为系统对地的绝缘总阻抗，其中绝缘阻抗电压Uf,流经总线的脉冲电流Ig，脉冲电压Ug,在公式中分别对应其各自的矢量值。可将采样电阻Rs和分压电阻设定值相等都为Ri,把绝缘电容Cf定义后，式(8)还可以写成。

其中，ω为注入信号的角频率。虽然，交流阻抗的计算要比直流系统绝缘电阻的计算要复杂，但是从本质上来说，依然属于低频脉冲注入法，所以仍可以使用相同的公式(3)。下面将介绍绝缘检测仪各个模块[3]。

2 模块分层介绍

利用DSP 产生一定频率的PWM 方波，通过信号发生电路产生±7.5V 低频方波信号。信号注入IT 系统中，经由PE 线路返回形成回路，得到反馈信号。

再经由采样电路处理后得到的压流模拟信号，再由DSP内算法处理得到IT 系统内绝缘阻值。信号与设定系统内绝缘电阻经对比后，最后传到通信模块使继电器断开报警。

信号滤波：采用多路反馈MFB 五阶低通滤波器作为预采集，包括两个电压跟随器。还加入了一个轨对轨通用双通道滤波器芯片LTC1067I，用作精密采样，与前级系统作为反馈形成回路。

2.1 五阶低通滤波预采集

V+和V-端口是经过耦合分压电路的模块，经过缓冲器后得到V1V2 两路采样保持电压。此处流出的电压V1V2 应为0.98 倍的V+和V-增益。

输入图4 中经耦合与CMOS 开关控制后由D2 端口进入，经OPA1IC 模块的放大器A 缓冲后输出V5 去滤波，另一路经由一个五阶双运放采样电路输出V3 得到采样电压[4]。

图4 五阶低通滤波预采集原理图

2.2 滤波与预采样波形分析

滤波器前后波形电压较为平稳，无明显谐振和失真，器件选型的抗噪能力也比较强，相应的，滤波器的高增益和高品质因数也有很大体现。

当输入电压经过五阶低通滤波器之后，得到会有较大程度的衰减，电压只能维持在±700mV 之间，远远达不到主控板的测量精度和测量范围，于是便在图4 中加入PWM 抬升电路。最后便得到了可以观测的数据模型[5]。

2.3 参考电压采样

AREF 端口为采样板的电压参考端口，根据所有测量电压V1、V2、V3 和V4 之和，以及后面的精密采样模式得到了如图5 的参考电压图。

图5 参考电压波形图

当开始预采样时，经过3.8ms 之后，模拟参考电压就会来到一个稳定的8.9V，在主控板调节中，将此参数设置为“1”。

2.4 抬升电路与采样电压

使用中心频率为100HzPWM 波控制电压抬升电路得到了较为平缓的正弦交流抬升电压，可将其稳定控制在±2.8V 之内。

滤波电压与抬升电压经过反相加法电路可以得到电压稳定在±1.5V 之内的采样电压。

3 绝缘监测采样仿真

3.1 绝缘监测采样电压流程图

根据前文，我们知道IT 系统的绝缘检测仪都是两相多次测量，所以在主控板程序中需要先进行一次预采集，得到绝缘电容C。再进行采样电压的采集，才能有效且精准地得到采样电压，进而求出系统的绝缘电阻[6]。

首先，根据图6，初始化后，当第一次预采集时可以得到系统设定绝缘电容，即为采集开始标志。然后，分别在正负相时多次采集电压，提高准确性。然后再计算绝缘电阻和分布电容。

图6 绝缘监测采样电压流程图

3.2 仿真结果

根据流程图和预采样原理图，对其原理图在Multisim中进行模拟仿真。得到的仿真数据和参数再导入Matlab 中仿真计算。

现在的IT 系统所使用的绝缘监测方法均为交流脉冲注入法。以此为根据，我采用了LMS 自适应滤波算法，加入文中所采用的参数以及数据，脉冲注入由主控板分担，所测得的数据为表1。

表1 绝缘电阻采样仿真对比图

此外采用文中的滤波模式及脉冲注入相结合，得到了反应时间远小于3s 的测量时间，这与传统的绝缘监测仪大概5s 的反应时间比起来，得到了质的提升[7]。

未接入IT 系统，脉冲为8.5V，100Hz。

4 结论

IT 系统的绝缘监测采样设计，在国内是一项较为前沿的技术，因为IT 系统只在一些铁路和医疗方面的应用得到认可，所以文中的设计仍有很大的不足。在实际的测量中需要考虑的噪音和谐振等众多因素，甚至IT 系统在计算中不需要零序电压，也是在流程中需要考虑的一部分。优点：（1）较为新型的滤波采样模块，在自适应测量中不常见，但是测量精度高；（2）研究中发现，传统的反应时间有些冗余，自适应滤波算法可以大力缩减反应时间；（3）与普通的脉冲注入法有比较大的相同之处，但在此基础上优化了采样模块；（4）本文在理论上进行了创新，在实际应用上也得到了发展；（5）在对一些大功率或者大电压的系统中仍有较为可观的测量精度，与此同时，这也是本文中设计以后要攻破的方向。