试析绝缘监测系统的设计及其在直流系统中的应用

田维文 舒斌

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局,贵州贵阳 550000)

试析绝缘监测系统的设计及其在直流系统中的应用

田维文 舒斌

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司贵阳局,贵州贵阳 550000)

近年来直流系统接地而引起的故障频频发生,给电力用户造成了巨大的经济损失,因此国内外很多厂家和科研院所都致力于直流绝缘监测系统的研究。但现阶段直流系统的绝缘监测还比较困难,一方面是电力系统中运用了大量的微机保护,微机保护中大容量滤波电容的存在对现有监测装置产生了较大的干扰;另一方面是直流系统的电网结构比较复杂,存在大量的环网。针对目前直流系统绝缘监测方面存在的问题,本文将就直流绝缘监测系统的设计和应用展开探讨。

直流系统 绝缘监测 设计

1 直流绝缘监测系统的研究现状

目前市场上投入运行的直流绝缘监测系统多是基于电桥平衡原理的报警装置，这使得系统仅能对非对称性直流接地故障进行监测，而无法对高阻抗接地故障进行有效监测。此外，随着采用继电保护的继电保护装置在电力系统的大量运用，继电保护装置的安装使用了大量的抗干扰电容，这将导致二次回路供电的直流系统对地电容电流的增大。如果采用向直流系统注入交流信号方式构成的微机型绝缘支路选线装置，实际上因为系统分部电容过大，也无法实现对接地支路的有效监测。

针对上述问题，可以采用超低双音频交流信号注入法来进行改善:设计一个由两个频率合成的超低音频交流电压信号，分别注入直流正、负两根母线，从而在直流正、负母线与地之间产生一个可以用于检测的超低双音频交流电流信号。通过检测这个超低双音频交流电流信号，并且根据交流电压和电流的数值关系，求出直流母线对地电阻的数值。根据注入的超低双音频交流电流信号流通路径可以判断出发生接地故障时，故障所在的支路及故障点的位置。

2 直流绝缘监测系统的设计

根据实际需求，本文将直流绝缘监测系统划分为如下几个模块:主控芯片模块、接地信号拾取电路模块、信号调理电路模块、超低音频发生与功放模块、人机接口模块、上位机通信接口模块等。下面对各个模块进行简单的阐述（图1为直流绝缘监测系统的硬件总体设计框架）。

2.1 主控芯片模块的设计

主控芯片模块可以与系统中的其他模块进行通信连接，完成信号的转换、输入、输出和检测等功能。本文中主控芯片模块采用搭载有ARM Cortex-M3构架的STM32F103ZET（简称STM32）控制芯片构成的控制平台，它在结合高性能、低能耗和低电压特性的同时又保持了高度的集成性和简易的开发特性。

此外系统选用STM32F103ZE作为超低双音频信号发生器的主控制器，主要是基于如下考虑:具有低功耗和高性能的特点，设计的信号发生器既能够选用直流电池供电，也能够直接外接交流稳压电源供电；搭载了ARM公司最新的、具有先进架构的Cortex-M3内核，因此延展性较好；具备A/D、D/A等丰富的外设，在减少系统设计硬件电路的同时，提高了信号发生器的稳定性。

图1 直流绝缘监测系统的硬件总体框架

2.2 接地信号拾取电路模块的设计

本系统采用超低双音频信号拾取电路模块。采用常规霍尔传感器，可对直流系统的回路进行在线监测，通过监测信号来判断故障产生的回路。在本系统中，除了采用固定霍尔传感器模块监测数据外，还运用可移动检测模块，即运用特质的钳形电流夹（其原理与霍尔传感器一致，但外形特性不同）。当出现一点接地故障时，无需断电检查，采用的是在线同定方式，查找直流系统接地故障。

2.3 信号调理电路模块的设计

作为直流绝缘监测系统中的重要组成部分，信号调理电路的输入是传感器的输出电信号，输出为适合传输、显示、记录或者能更好地满足后续标准设备或装置要求的信号。在本系统中就是，将霍尔传感器检测出的电信号，经过合理变换，传输给符合ARM中的A/D模块检测要求的信号。因为霍尔传感器检测采集的信号为模拟电信号，故需要采用模拟量信号调理电路。

2.4 超低音频发生与功放模块的设计

采用由ARM为主控芯片构成的超低双音频信号源发生平台，硬件电路资源合理，综合了其他方法的优势且人机界面友好，是适用于双音频信号发生器的最合适选择。由于STM32输出的超低双音频信号源输出功率远达不到注入直流系统的要求，因此需通过功放电路将信号调理为实际注入直流系统的信号参数，本系统主要的功放电路设计采用LMl875，用其作为信号源的功放电路。本系统应用时，将STM32设定输出的实际信号经过LMl875功放电路模块后，信号输出功率达到20W，幅值扩大为原来2倍，就可满足注入直流系统信号的要求。

2.5 人机接口模块的设计

本系统的人机接口模块采用超低双音频信号的Cortex M3的开发平台，搭载一块3.2寸TFT真彩触摸屏模块，FSMC控制，彩屏模块上配置显示驱动芯片，ADS9834触摸控制芯片。系统采用现在较为流行的触摸屏控制与显示，在一定程度上加大了编程的难度，但是可以做到直观的显示所需波形，并且触摸控制灵敏且准确、人机界面良好。

2.6 上位机通信接口模块

在上位机的数据采集中，势必会用到通信，而目前常用的通信方式包括RS232串口通信、RS485通信等，在对上述通信方式进行对比分析后，系统最终采用了串口RS485作为和上位机之间的通信。

3 讨论

电力系统的不断发展对直流绝缘监测系统提出了更高的要求，不仅要求其能够及时发现直流系统存在的隐患，而且要求其具有良好的检测灵敏度，能够随着电力系统运行方式的变化而迅速进行调整，从而确保直流系统的安全运行。

田维文(1985—),男,贵州清镇人,助理工程师,本科,从事高压交流输电的运行维护工作。