直流系統(tǒng)絕緣接地巡檢裝置

1 引言

　　發(fā)電廠和變電站的直流電源作為主要電氣設(shè)備的保安電源及控制信號電源，是一個十分龐大的多分支供電網(wǎng)絡(luò)，其常見的故障是一點接地故障。在一般情況下，一點接地并不影響直流系統(tǒng)的運行，但如果不能迅速找到接地故障點并予以修復(fù)， 又發(fā)生另一點接地故障，就可能引起信號回路、控制回路、繼電保護裝置等的誤動作。因此，減少這種絕緣故障，必須有一個可靠的絕緣監(jiān)測方法，從而及時發(fā)現(xiàn)問題，避免重大事故的發(fā)生。
　　絕緣在線監(jiān)測的基本原理是電氣設(shè)備處于運行狀態(tài)中，利用其工作電壓來監(jiān)測絕緣的各種特征參數(shù)。因此，可以有效地反映絕緣的實際情況，從而對絕緣狀況做出比較準確的判斷。
　　電力直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測分為直流監(jiān)測法和交流監(jiān)測法，交流監(jiān)測法排除了零點漂移，但是，由于各支路存在著分布電容，導(dǎo)致測得的接地電阻不僅含有電阻分量，也含有電抗分量，為一個復(fù)數(shù)，因此為提高精度必須去掉電抗分量，導(dǎo)致測量電路比較復(fù)雜，而且，對母線注入交流信號也導(dǎo)致了直流母線的紋波系數(shù)加大。本方案采用的是直流監(jiān)測法，采用改進的直流電橋法檢測母線的接地電阻，分為母線的接地電阻監(jiān)測和支路的接地電阻監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，先對母線進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)接地故障后，再對支路進行監(jiān)測。
　　一般的直流絕緣監(jiān)測方法是利用直流電源的控制母線的工作電壓作為電源，通過檢測正負母線的對地漏電流來測量母線的絕緣電阻。此方法的優(yōu)點是檢測電路簡單、穩(wěn)定性好；但是，由于現(xiàn)有直流測量方法的原因，無法準確測量直流電源合閘母線和各條電源饋出線的對地絕緣電阻，從而限制了其測量精度。
　　改進的直流電橋法母線的接地電阻檢測是利用直流母線的工作電壓，采用小電流傳感器分別測量合閘母線、控制母線以及各條饋出線的對地漏電電流，分別計算出合閘母線、控制母線和各條饋出線的對地絕緣電阻，完成直流母線的絕緣電阻測量和接地選線，大大提高了測量精度和報警的準確性。

2 改進的直流電橋法絕緣電阻檢測原理

　　改進的直流電橋法母線的接地電阻檢測是利用直流母線的工作電壓，采用小電流傳感器分別測量合閘母線、控制母線以及各條饋出線的對地漏電電流，然后根據(jù)測量得到的電流和電壓的對應(yīng)關(guān)系列出方程組求解接地電阻，測量電路見圖1。圖中：RKX+、RKX-分別為正控制母線和負母線的對地的絕緣電阻，RHX+、RHX-分別為正合閘母線和負母線的對地絕緣電阻，為待測量；L1、L2為小電流霍爾傳感器；R、R1、R2和R3都是已知的標準電阻，K1、K2和K3分別為正負母線的標準電阻選擇開關(guān)。測量時通過切換開關(guān)K1、K2、K3的接通和關(guān)斷，從而根據(jù)測量得到的流過R1、R2、R3的電流值和母線電壓值計算出合閘母線和控制母線的對地絕緣電阻。

2.1合閘母線對地絕緣電阻的測量

　　閉合K1，此時測量電路的等效電路如圖2。其中，RHX+、RHX-為正、負合閘母線對地絕緣電阻，IH+1、IH-1分別為閉合K1時正、負合閘母線對地漏電流，ICH1為小電流傳感器可以測量的合閘母線電流差值，UH為合閘母線電壓，由此可得到方程式：

　　閉合K3，此時測量電路的等效電路如圖3。

　　

　　其中，RHX+、RHX-為正、負合閘母線對地絕緣電阻，IH+2、IH-2分別為閉合K3時正、負合閘母線對地漏電流，ICH2為小電流傳感器可以測量的合閘母線電流差值，UH為合閘母線電壓，由此可得到方程式：

　　兩組方程式聯(lián)立，ICH1、ICH2、I31、I32可直接從電路中測出，因此可解出合閘母線對地絕緣電阻為：

　　在得到的絕緣電阻表達式中，UH、I31、I32、ICH1、ICH2的測量精度可以達到較高的精度，R1、R3可以選用高精度的精密電阻，因此采用此種測量方法可以達到很好的測量精度。

2.2控制母線對地絕緣電阻的測量

　　控制母線對地絕緣電阻的測量方中，開關(guān)的閉合順序為K2、K1，檢測電流為ICK1=IK+1-IK-1，計算公式與合閘母線的絕緣電阻的計算相似。

3 直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　硬件電路采用89C52單片機作為主控芯片，管理絕緣電阻測量、接地回路選線和與主機之間的通訊等。測量流過測量電阻的電流值和小電流傳感器的輸出的采樣采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器；小電流傳感器的切換采用繼電器陣列，盡量減小開關(guān)的導(dǎo)通電阻，提高測量精度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

“看門狗”電路的設(shè)計

　　“看門狗”能使CPU從死循環(huán)和跑飛狀態(tài)進入正常的程序流程，電路設(shè)計時應(yīng)遵循的原則：
　　（1）看門狗電路必須由硬件邏輯組成，不宜由可編程計數(shù)器充當，因為CPU失控后，可能修改可編程器件的參數(shù)，使看門狗失效。
　　（2）CPU必須在正確完成所有的工作后才能發(fā)掃描輸入信號，且程序中發(fā)掃描輸入信號的地方不能太多。否則，正好那里有死循環(huán)，看門狗就不產(chǎn)生計滿輸出信號，不能重新啟動CPU。
　　X25045芯片具有512個字節(jié)的

。與89C52單片機連接采用SPI總線的方式。但由于89C52單片機內(nèi)沒有SPI總線，所以就采用軟件模擬的方式來實現(xiàn)。89C52單片機與X25045“看門狗”芯片的連接見下圖：

X25045引腳連接
　　89C52單片機上接上X25045“看門狗”芯片 ，用89C52的P10引腳接X25045的片選端 來進行X25045的片選端

來進行X25045的片選。同時，其復(fù)位引腳RESET接89C52的復(fù)位引腳RST，而當程序彈飛或死循環(huán)后，進行CPU的復(fù)位。用于增強抗干擾能力，以確保不會有死機現(xiàn)象，提高了巡回監(jiān)測抗干擾能力。

A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

　　進行母線的接地檢查時，將要測的兩個電流值，即正母線的電流值和負母線的電流值，因為要通過這兩個值,計算正負母線的絕緣電阻值。
　　將這兩個電流值通過一定阻值的電阻后轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)過變換電路，即正母線上的電壓通過同向放大器、負母線上的電壓通過反向放大器后，接入TLV1544 A/D轉(zhuǎn)換器中，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后接入89C52的P1口進行運算處理。連接圖見下圖 ：

TLV1544的引腳連接圖
　　TLV1544的I/OCLK（第3腳）接上89C52單片機的P17腳，用來控制TLV1544的時鐘輸入。而TLV1544的數(shù)據(jù)輸入引腳和數(shù)據(jù)輸出引腳分別接89C52單片機的P15引腳與P16引腳。TLV1544芯片的片

（第16腳）則由89C52單片機的P11腳來控制，進行片選。將經(jīng)過放大器后得到的兩個模擬量（兩個電壓值）IN_1和IN_2接入TLV1544的A0（第6腳）和A1（第7腳），來進行模擬量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　該裝置的系統(tǒng)監(jiān)控軟件是根據(jù)設(shè)計要求及硬件配置情況編制而成的，程序設(shè)計使用單片機高級語言C51語言，采用模塊化的設(shè)計方法。全部程序包括主程序以及芯片驅(qū)動程序。主程序是直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測的核心，用來管理檢查路數(shù)、處理數(shù)據(jù)、調(diào)用其它芯片的驅(qū)動程序。
　　經(jīng)過實際測試運行，使用該裝置的具體測量結(jié)果如表一所示。
表1　絕緣在線監(jiān)測裝置的實際測量運行分析

　　注：所有測量結(jié)果單位為KΩ，母線測量電阻R1、R2、R3為25 KΩ,電流傳感器的量程為10mA
從測量結(jié)果可以看出：在絕緣電阻值比較小時測量精度比較高，而在絕緣電阻值比較大時測量精度降低。這是因為絕緣電阻比較大時，流過電流傳感器和測量電阻的電流小，此時A/D轉(zhuǎn)換器的±1誤差降低了電流的測量精度，同時也降低了絕緣電阻的測量精度。在實際應(yīng)用中，絕緣電阻的報警門限一般為30 KΩ左右，而在絕緣電阻低于100 KΩ時測量精度高于2%，完全可以達到要求。

4 結(jié)論

　　1．采用本文討論的改進直流電橋法測量直流母線的絕緣電阻，可以達到對合閘母線和控制母線分別檢測，從而避免了控制母線降壓硅鏈對測量精度的影響。
　　2．本裝置采用89C52單片機與若干集成電路芯片組成最小系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、工藝簡單且工作可靠、抗干擾能力強，用“看門狗”來避免有死機現(xiàn)象，提高了在線監(jiān)測抗干擾能力。
　　3．與傳統(tǒng)的數(shù)字電路相比，自動化程度高，工作性能好，利用計算機豐富的軟件功能，通過采樣、記憶、處理數(shù)據(jù)，合理實現(xiàn)了巡回監(jiān)測直流系統(tǒng)各支路的自動化和智能化；能顯示接地支路編號，并報警提示現(xiàn)場工作人員及時處理接地故障。
　　4．該裝置采用微機技術(shù)使裝置具有智能化、自動化以及維修方便等特點。整個裝置可安裝在屏上，也可將其置于平臺上，直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置經(jīng)過調(diào)試，證明設(shè)計方案合理，運行監(jiān)測可靠，達到指標要求，是直流系統(tǒng)巡回監(jiān)測較理想的裝置。

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