主从式便携直流系统绝缘检测装置设计∗

周 军，吴瑜坤，李书瀚

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

直流系统是电力系统控制与保护的基础，是系统安全稳定运行的保障，继电保护装置、自动控制装置等能否正常工作都取决于直流系统是否稳定[1]。近些年，直流系统的绝缘问题越来越引起有关方面的重视，因为设备长期工作于户外复杂的环境中，导致绝缘老化破损，出现各种各样的直流系统问题，其中最常见的就是直流系统接地故障[2－4]。

国家能源局明确要求“新投入或改造的直流电源系统绝缘监测装置，不应采用交流注入法测量直流电源系统绝缘状态。在用的采用交流注入法原理的直流电源系统绝缘监测装置应逐步更换为直流原理的直流电源系统绝缘监测装置”。

传统的直流系统绝缘检测设备大多采用低频注入法，不符合有关要求，也有采用不平衡电桥法，但无法对故障支路进行选线。近些年也提出了许多新的检测方法，例如:文献[5]针对非平衡电桥检测形式进行积极阐述，围绕已有电桥法所涉及的平衡电桥实施优化，把平衡电桥调整成两组阻值非等价的电阻并联，依次注进直流体系内。文献[6]对一类主动保护体系进行积极阐述，其测定形式为:于母线与负载彼此间对DC/DC 变换设备进行加装，随后于不同变换设备内加装IGBT 投入电阻，从而对电路方程予以有效构建，进而获得不同支路所对应的接地电阻数值。文献[7]通过结合平衡桥和不平衡桥的方法，运用组合桥方式进行绝缘检测。在构建组合桥时设计较多的平衡或检测电阻，操作复杂。文献[8]也是通过变电桥的直流检测方式，对系统绝缘进行监测。这些直流方法，适合于在线式监测装置的使用，普遍精度不高，且不能准确定位，存在测试盲区，当多条支路出现故障时难以同时检测出。而目前市场上的大多数便携式检测装置多采用低频注入法，还是会对直流系统产生一定的干扰[9]。需要一种不会对直流系统造成影响的检测仪，方便携带，操作简单。

因此，本文设计了一种主从式便携绝缘检测仪，基于动态差值法进行电路设计，分为主机从机两部分，从机用来监测母线绝缘情况，主机用来检测支路。并为仪器编写软件，制作实物，搭建实验平台验证仪器的实用性和数据的准确性，为直流系统进行绝缘检测提供工具。

1 直流系统绝缘检测原理

1.1 母线电阻检测

动态差值法[10]是对直流漏电流法[11]的改进。在保证不对系统产生影响的前提下，先后向正、负母线投入一个检测电阻，如图1 所示。

图1 直流系统测量示意图

以图1 中所示直流系统支路情况为例，U为母线电压，R1n、R2n分别两支路的负母线对地电阻，R1p、R2p分别为正母线对地电阻，Rt为检测电阻，Rp、Rn为等效后的直流系统母线对地绝缘电阻。

当开关K1闭合，K2断开时，正母线投入一个检测电阻，Ia为流过检测电阻的电流，U1为正母线对地电压，通过测量检测电阻两端的电压既可求得此电流值。得:

当开关K1断开，K2闭合时，负母线投入一个检测电阻，Ib为投入负母线检测电阻后，流过此电阻的电流，U′1为此时正母线对地电压。由此时的电路关系可知:

推理可求得正、负母线对地电阻Rp、Rn为:

从式(5)和式(6)可以看出，通过已知的母线电压U和检测电阻的阻值Rt，测量得到流过检测电阻的电流Ia和Ib即可得到母线的绝缘情况。

1.2 支路电阻检测

支路电阻检测方式以图1 支路一举例。I12、I21分别为流过支路正、负母线对地电阻的电流。通过传感器测量得到的数据也为I12、I21的差值。

对支路一进行检测时，正母线投入检测电阻后，传感器所测得的电流ΔI1为:

负母线投入电阻后传感器测得的漏电流ΔI2为:

由式(7)和式(8)得:

在式(9)中，得出了支路一正、负母线对地电阻并联值的计算公式。动态差值法的结果便十分接近实际值，对于多支路同时存在单双母线接地的情况依然成立。

2 直流系统绝缘检测装置硬件设计

2.1 总体设计

研制的主从式便携直流系统绝缘检测装置总体结构设计如图2 所示。直流系统绝缘检测装置为可移动式的检测装置，分为主机与从机两部分。主机与传感器相连接，安装在待测支路，测量支路漏电流将数据传输至主机，负责测量待测支路的接地电阻值。主机与从机通过无线方式进行通讯，从机连接至母线，承担直流母线电压测量和监测正、负母线是否存在接地情况。检测装置工作时不对直流系统注入交流信号，不影响系统的正常运行和安全。

图2 主从式便携直流系统绝缘检测装置结构图

2.2 检测装置辅助硬件电路设计

主从式便携检测装置主机与从机除功能电路不同外，其余保证装置正常运行的电路模块基本一致，包括电源模块、显示模块、键盘处理模块、通讯模块，系统结构如图3 所示。

图3 检测装置结构图

2.2.1 电源模块设计

装置使用3.7 V 充电电池供电，其中有两组电池串联形成±7.4 V 电源。考虑到正电源功率较大，因此再并联一组正电源。

集成运放和单片机都需要不同电压来进行工作，分别需要±5 V 电源供电和＋3.3 V 电源供电。因此选用AMS1117 系列将电池供电的＋7.4 V 转换为所需的正向电压＋5 V、＋3.3 V，选择78L09 将负电压转化为对应的所需电压。AMS1117 是一个正向低压降稳压器，内部的保护电路可以防止稳压器温度过高，并且限制电流。固定输出电压值稳定且精度很高。在通过电流为1A 的情况下电压下降值为1.2 V。

电源开关模块的设计上使用电子开关的方案，电源开关电路如图4 所示。单片机可以通过读取AIN4 的电位来判断开关S1 是否被按下，从而执行开机和关机的操作。

图4 电源开关电路

2.2.2 CPU 模块设计

CPU 选择STM32F103ZET6，用于实现控制显示、数据采集和计算等，保证各模块之间通讯和驱动的正常工作。STM32F 系列属于中低端的32 位ARM 微控制器，其内核是Cortex－M3，最高72 MHz工作频率。256K～512K 字节的闪存程序存储器，高达64K 字节SRAM，可以满足数据采集和计算存储的需要，能够运行软件实现对传感器采集数据的接收、发送和处理并将结果显示在液晶屏幕上等功能。CPU 模块包括单片机最小系统、电源供电、下载电路等设计。

2.2.3 无线通讯模块设计

主机与从机之间的通讯是无线通讯形式，因此采用了基于Silicon Laboratories EZRadioPROTM系列的Si4432 的通讯模块。Si4432 提供了先进的无线通讯功能，包括连续频率范围从240 到930 MHz 和可调输出功率高达＋27 dBm，极低的接收灵敏度(－118 dBm)，极高的输出功率(＋20 dBm)，保证传输范围和穿透能力。内置天线多样化并支持跳频，具有非常长的通讯间距，优异的抗干扰特性。Si4432 可以配置成从三个不同的源中的一个获得它的调制数据:FIFO 模式，直接模式和PN9 模式。此外直接模式发射调制数据可以从几个不同的输入引脚获得。设备中使用的是FIFO 模式，FIFO 模式集成的FIFO 用于传输和接收数据，借助于突发读/写水平的相应寄存器7Fh 的有关FIFO 访问。设置发送载波频率为434 MHz，频偏为30 kHz。CPU 与无线模块的通讯方式为SPI 通信，控制方式简单，传输速度快。

XL4432－D01 无线通信模块管脚定义如表1。根据各个管脚含义，连接与之对应的单片机引脚。

表1 XL4432－D01 基本特性

2.2.4 显示模块设计

他完事后，又喝了一杯水，然后若无其事地出去了。她呆呆地看着他走出门去，走出小院，这时她才回过神来，从梦幻世界回到现实生活中来，全身的神经都紧绷着，一下子吓得要哭了，羞辱得想立即逃之夭夭。她开始极度地厌恶自己，洗了个澡，用一块雕牌香皂把身体上上下下擦了一遍，用清水仔仔细细地冲洗了一次。随后，她离开了，走在山坡上，风不停地刮着，天空开始出现急遽飘飞的一片片白云，她眯起眼睛茫然地望着天空，望着浮云，眼神中有几分忧郁，几分游离，她将身子缩紧成了一团，在呼呼的风声中，好像畏凉一样。

显示模块使用晶惠迪公司生产的JHD240128－G01BSW－BL 液晶。该显示屏的分辨率为240×128，驱动电压为3.0 V 或3.3 V，显示模式为白底黑字，并串可选接口，白色高亮LED 侧背光。由传感器检测相关数据后返回CPU 模块并在屏幕上显示。

2.3 检测装置从机功能硬件电路设计

2.3.1 母线电压检测模块设计

通过在直流母线正、负极之间串联两个分压电阻及一个采样电阻来检测母线电压，分压电阻根据后级放大电路选择，不超出单片机A/D 的量程，采样电阻的阻值也不能过大。图5 为母线电压检测电路。

图5 母线电压检测电路

为了解决直流系统给信号带来的干扰，选择AMC1100 用作电磁隔离，通过具有高磁场抗扰度的二氧化硅隔栅隔离输出与输入电路，可隔离开最高4 250 V 电压，并且固定增益为8 倍，0.5%的增益误差。输入电压范围±250 mV，针对分流电阻进行了优化，输出信号共模电压被自动调节至3 V 或者5 V，优越的器件性能可实现电力系统测量应用中的电流和电压精准测量。后级选用AD620 构成的差分电路，AD620 的最高共模抑制比为100 dB，较其他运算放大器芯片有更好的抑制共模、差模信号的能力，进一步对测量信号进行放大和抗干扰处理。

当正、负母线间的电压为标准电压220 V 时，采样电阻两端的电压约为0.11 mV，经过隔离放大后为0.88 mV。单片机A/D 输入范围为0～3.3 V，设置差分放大增益倍数为1～2 倍，最后A/D 采集的电压AIN1 为:

式(10)说明通过采集到的A/D 值即可计算得到计算母线电压。

2.3.2 母线电阻检测模块设计

先后向正、负母线投入一个检测电阻，通过测量检测电阻两端的电压从而计算流过检测电阻的电流，通过推导公式求得结果。图6 中JDQ1 与单片机I/O 口相连，当JDQ1 置1 时，正母线通过电阻R37、R21、R23与大地形成回路。测量信号为R21两端电压，经过AMC1100 隔离放大，再经过运放AD620进一步放大后，接入单片机的A/D 转换引脚AIN0。

正母线电阻检测电路和检测电阻投入电路如图6和图7 所示。通过继电器来控制检测电阻的投入和切除，AIN0 与R21两端的电压之间的关系同式(10)。求得R21的电压值后，即可得到流过正母线检测电阻的电流Ip。测量流过负母线检测电阻的电流In的方法同Ip测量方法一样。后通过式(5)和式(6)计算得到正、负母线对地电阻值。

图6 检测电阻投入电路

图7 母线电阻检测电路

2.4 检测装置主机功能硬件电路设计

图8 漏电流检测电路

图8 中左侧部分为自激振荡电路，输出电压UO为双极性的方波。为了使单片机的捕获功能能够捕捉到方波的高、低电平时间，需要将双极性的方波变为单极性的方波。经过后级运放LM311 后，高电平变为3.3 V，低电平变为0 V，单片机可以采集此信号。文献[12]基于三段式的磁滞回线，给出了占空比与被测电流成线性关系的证明，最后结果如下:

式中:D为占空比，IX为被测电流，从中可以看出，占空比D与被测电流IX成线性关系。因此采集到的占空比D后即可得到被测电流的值。

3 软件设计

3.1 从机软件设计

根据便携式测量要求，从机软件设计思路为:在“电源键”被按下之后，初始化AD 并立刻让PB6 置1 使整个系统供电，然后检测“电源键”是否被松开。开机键松开后，初始化液晶、按键、无线模块、定时器，显示主界面并提示按“OK 键”开始测量。检测到“OK 键”被按下之后，先后投入正、负母线电阻，计算母线电压和母线电阻，等待主机发起通讯测试。通讯测试成功后，按照通讯协议与主机通讯，根据接收到的主机数据，计算支路电阻值，将计算结果显示在液晶屏幕上并将结果发送给从机。当检测到“电源键”被按下时，程序结束。从机整体程序框图如图9 左流程图所示。

3.2 主机软件设计

主机开机、关机过程与从机相同。主机在开机之后只需要检测“OK 键”是否被按下，当“OK 键”被按下后，发起与从机间的通讯测试。主机每隔1 s固定向从机发送测试码，之后等待从机回复。若成功收到从机应答，通讯成功，进行漏电流测量；若未收到从机应答，则1 s 过后再次向从机发送测试码，连续6 次从机都没有回复，则通讯失败，提示检查从机；若收到的从机回复码错误，提示通讯故障，再一次开始通讯测试。框图为图9 右流程图。

图9 从机、主机软件流程图

根据通讯协议，主机与从机之间分别包含以下命令:

(1)1 mA 标定

从机对主机发出“1 mA 标定”命令后，主机在未对漏电流传感器投入1 mA 电流时测量输出的信号占空比。之后主机对漏电流传感器投入1 mA 电流，再次测量输出信号占空比。测量完成后，主机对从机再次发送“1 mA 标定”命令，回复测量数据。

(2)测投Rp

从机在投入正母线电阻检测电阻后，对主机发出“测投Rp”命令。主机收到命令测量输出信号的占空比，测量完成后从机对主机发出“测投Rp”命令，将测量结果发送给主机。

(3)测投Rn

与“测投Rp”命令相同。

(4)通讯测试命令

主机按下“OK 键”开始测量支路电阻后，首先发起通讯测试。若从机收到“通讯测试命令”，从机对主机回复“通讯测试命令”。若从机未开启或距离较远通讯不上，则主机收不到回复。主机发送“通讯测试命令”后，若1 s 钟之内未收到回复，则再次发送“通讯测试命令”。若连续发送6 次仍未收到回复，提示通讯测试失败。

(5)支路电阻

在完成“通讯测试”、“1 mA 标定”、“测投Rp”、“测投Rn”命令后，从机根据主机发送的数据计算支路电阻，并将计算的支路电阻发送给主机。

4 实物制作与测试

为了检验直流系统绝缘检测装置的实用性和可行性，根据设计制作实物，编写并载入程序，构建实验平台对检测装置进行各个数据的检测。实验平台如图10 所示。

图10 搭建实验平台测试

其中220 V 直流电是由整流装置将AC 220 V转化为DC 220 V。红线接＋110 V，黄线接－110 V，黑线接地。实验平台模拟了3 路对地电阻，其中正母线对地有2 路支路电阻，负母线对地有1 路支路电阻。在测试过程中，将正、负母线对地的电阻看作支路1，为正负两端同时出现接地故障的情况。正母线对地的另1 路电阻看作支路2，即单端出现对地绝缘故障。对母线电压，正、负母线电阻和支路电阻进行了测试，并将结果记录在表2～表4。

表2 至表4 中的最大误差是指对于实际模拟值，三次测量的结果中相差最大的数据，差值与模拟值的比值即为最大误差。由表2 可以看出母线电压测量结果很准确，最大误差不超过1%。表3 和表4表示了母线电阻的测量结果，从表中可以看出母线电阻增大时，测量误差增大，这是因为母线电阻较大时，电流较小，难以测量，因而误差较大。

表2 母线电压实验数据

表3 正母线电阻实验数据

表4 负母线电阻实验数据

表5 中所示的支路电阻测量结果，其中50 kΩ和60 kΩ 测量误差较小，是在支路1 正、负母线同时存在接地电阻的情况下测得的数据，而其余阻值均为单端接地时的测量结果。在正、负母线同时存在接地时，投、切检测电阻之前，漏电流传感器中本身存在一个电流使得磁滞曲线发生了偏移，削弱了空间磁场对磁芯磁场的干扰。同时，经过实验表明，当被测电流与标定电流方向一致时，电流测量结果较准确；当被测电流与标定电流方向相反时，数据就会出现较大的偏差。综合考虑上述两点原因，即测量电流时若磁芯中已经存在了一个小电流使得磁滞曲线发生偏移，测量的结果是比较准确的。

表5 支路电阻实验数据

5 结束语

本文根据直流检测方法设计制作了主从式便携绝缘检测装置，通过检测装置主机所连传感器检测到漏电流，无线传输至从机进行计算，从而得知直流系统的绝缘情况。目前装置已经在变电站进行试用，试用效果良好，能够准确快速地检测出待测支路的绝缘电阻，对排查直流系统绝缘故障有着实用的意义。