漏电流监测系统的研制

赵 磊

(国网安徽省电力公司 马鞍山供电公司, 安徽 马鞍山 230016)

漏电流监测系统的研制

赵 磊

(国网安徽省电力公司 马鞍山供电公司, 安徽 马鞍山 230016)

针对直流系统的绝缘监测,设计一种直流系统绝缘漏电流检测系统.该系统利用磁平衡原理的漏电流传感器实现对漏电流的检测,利用16位模数转换芯片AD7705以实现对微电流传感器中信号的采集.为了解系统的检测效果,编制了相应的程序.测试结果表明,该系统可以精确地监测直流系统的泄漏电流.

漏电流; 电流传感器; 直流系统

对于配电站的直流接地故障,目前一般都采用低频信号注入法和霍尔器件检测漏电流法来实现对故障支路的巡检.但低频信号注入法受分布电容影响,容易误判;霍尔器件可实现对馈电电流不平衡情况的准确检测,但存在成本高,零漂现象导致不能在线监测等问题[1-6].

本文提出了一种基于磁平衡原理的漏电流检测系统:利用磁平衡原理的漏电流传感器实现对漏电流的测量,利用16位模数转换芯片AD7705实现对微电流传感器中的信号数字化测量[7-9].

1 磁平衡漏电流传感器原理

线圈电流检测电路为直流绝缘故障智能传感器检测系统的核心硬件,整个漏电流传感器检测故障的原理如图1所示.

图1中,传感器线圈套穿在各馈电支路直流回路的正负母线上,电流i1和i2分别为正母线流过传感器的前后电流,i3和i4为负母线反馈流过电流传感器的前后电流,i5为负母线有故障的情况下的接地漏电流[10].

当直流回路绝缘水平正常时(i5=0),穿过传感器的直流电流大小相等,方向相反,即i1=i2=i3=i4.如果规定穿过线圈一端的电流为正,其相反方向电流为负,按照电磁场理论,两个电流的合成矢量和Δi=0,此时由不平衡电流产生的磁场为零,故传感器输出信号为零;如果直流回路中出现绝缘故障(如图1所示为负母线接地),那么将会出现不对称的直流电流i5(即不平衡电流),则合成电流就不为零,其合成电流值大小为Δi=i1-i3=i5,此时通过电流传感器的不平衡电流不为零,在线圈中产生的磁场不为零,传感器有检测信号的输出.

图1 漏电流传感器检测故障原理

2 测量电路和软件设计

在整个采集电路中,采用AD7705对电流传感器输出的模拟信号进行测量.由于AD7705采用SPI/QSPI兼容的三线串行接口,能够方便地与微控制器连接,相比并行接口方式,大大节省了CPU的I/0口.在本次设计中,将AD7705的数据接口和单片机的P1.6和 P1.7相连接,用P1口模拟串口与AD7705进行通信.在应用时,将DRDY 接到 AT89C51的INT0,可以让AD7705在转换结束后使单片机产生中断,以读取最新的转换数据.片选信号线CS与P1.0口相连,使AD7705的在线状态受P1.0口的控制.在AD7705读取数据时,采用同步传输的方式与上位机进行通信,DIN和DOUT都与AT89C51的P1.6口相连接进行数据的收发,而SCLK和AT89C51的P1.7口相连作为同步脉冲的接收.由于转换的速度要求并不是很高,因此我们采用P1口串口方式进行数据的收发.AD7705的外围电路设计如图2所示.

图2 AD7705的接口电路

基于对上述外围电路和接口电路的设计,其整个采集电路如图3所示.其工作过程如下:在初始化后,单片机将CS线置高电平,激活AD7705,同时,霍尔传感器将母线上漏电流的信号经AD7705的IN1(+)和AIN1(-)端,输入AD7705进行模数转换,在此过程中,AD780作为AD7705基准电源,并通过REFIN(+)和REFIN(-)为AD7705提供高精度的基准电源,使得AD7705的转换更加精确;当AD7705完成了对一组数据的转换后,将DRDY置于高电平,并向单片机发出中断请求,然后单片机响应中断,通过P1口模拟的串行接口读写数据,完成数据的收发后,单片机进行相应的数据处理,并将DRDY复位,提示AD7705可以进行下一次的转换.

为了使整个测量系统能够实现对直流系统中漏电流的测量,对其执行程序进行了编程,整个程序流程如图4所示.其工作过程如下:给漏电流检测仪上电后,系统开始进行中断初始化,并且初始化P89V51RD2的各个寄存器,对整个电路进行复位,然后P89V51RD2通过P1设置AD7705的各个控制寄存器,复位AD7705,当复位完成后,P89V51RD2进入等待中断的模式,这时AD7705开始模数转换,并在转换完成后,通过INT0向P89V51RD2发出中断请求,P89V51RD2响应中断,开始对AD转换的结果进行数据处理.因为AD转换的结果不是规范的浮点数,所以必须要对转换结果进行浮点数的规格化,再进行浮点数的乘法运算,将AD转换的结果(电压信号)与实际的测量值(电流信号)一一对应,最后将转换值变成BCD码以便输出显示并返回,重新等待AD7705下一次的转换完成中断,至此一次测量过程结束.

图3 整体电路设计

图4 程序流程示意

3 试验结果分析

在智能漏电流传感器研制完成后,对其进行了相应的测试.由于该传感器主要用于电力系统直流系统的漏电流检测,其漏电流的范围一般不超过20 mA,因此在0～20 mA的范围内,对漏电流传感器进行了测量.在测量的过程中,采用恒流电源对其进行校准测量.测量的数据如表1所示.

表1 电流传感器的漏电流测量数据

由表1可知,在所测量的范围内,最大的测量误差为5%,可以满足工程中所要求的测量精度.

4 结 论

(1) 本文所设计的测量系统能够实现对漏电流的检测,检测精度优于5%,满足现场需求;

(2) 在实际应用过程中,该智能漏电流测量系统具有工作稳定、测量准确、体积小、性能价格比高,以及现场使用和维护方便等优点.

[1] 丁扣祥,王维,徐立.基于单磁芯结构的磁调制式直流漏电流互感器[J].信息技术,2014(3):131-133.

[2] 易志明,林凌,李刚,等.SPI总线在51系列单片机系统中的实现[J].国外电子元器件,2003(9):21-23.

[3] 张海涛.霍尔效应及应用[J].温州职业技术学院学报,2005(12):26-27.

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[7] 车国军,郭劲松.基于漏电流在线监测技术的ADSS光缆电腐蚀研究[J].电子技术与软件工程,2015(16):235-236.

[8] 陈喜士.直流系统绝缘监测综合判据[J].西部探矿工程,2006(12):311-312.

[9] 吴平安,张少海,易志明.直流系统漏电检测方法的比较[J].华北电力技术,2003(2):52-54.

[10] 赵梦欣,陈国峰,余伟成.直流系统绝缘监测的直流漏电流法改进方案[J].电力系统自动化,2009(14):83-88.

DevelopmentofLeakageCurrentMonitoringSystem

ZHAO Lei

(StateGridAnhuiMa’anshanPowerSupplyCompany,Ma’anshan230016,China)

The insulation leakage current detection system of DC system is designed.The system uses the leakage current sensor based on magnetic balance principle to detect the leakage current,and uses the 16 bit analog to digital converter chip AD7705 to realize the signal acquisition of the leakage current sensor.In order to understand the detection effect of the system,the corresponding program is compiled.The test results show that the system can accurately monitor the leakage current of the DC system.

leaking current; current sensor; DC system;

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.05.009

2017-03-22

赵磊(1984-),男,本科,高级工程师,安徽淮南人.主要研究方向为电力系统的电流监测.E-mail:252902766@qq.com.

TP212.43;TP277.2

A

1006-4729(2017)05-0456-04

(编辑 胡小萍)