田維文 舒斌

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局,貴州貴陽(yáng) 550000)

試析絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用

田維文 舒斌

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司貴陽(yáng)局,貴州貴陽(yáng) 550000)

近年來(lái)直流系統(tǒng)接地而引起的故障頻頻發(fā)生,給電力用戶造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此國(guó)內(nèi)外很多廠家和科研院所都致力于直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。但現(xiàn)階段直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)還比較困難,一方面是電力系統(tǒng)中運(yùn)用了大量的微機(jī)保護(hù),微機(jī)保護(hù)中大容量濾波電容的存在對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)裝置產(chǎn)生了較大的干擾;另一方面是直流系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,存在大量的環(huán)網(wǎng)。針對(duì)目前直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)方面存在的問題,本文將就直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用展開探討。

直流系統(tǒng) 絕緣監(jiān)測(cè) 設(shè)計(jì)

1 直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

目前市場(chǎng)上投入運(yùn)行的直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多是基于電橋平衡原理的報(bào)警裝置，這使得系統(tǒng)僅能對(duì)非對(duì)稱性直流接地故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而無(wú)法對(duì)高阻抗接地故障進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。此外，隨著采用繼電保護(hù)的繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)的大量運(yùn)用，繼電保護(hù)裝置的安裝使用了大量的抗干擾電容，這將導(dǎo)致二次回路供電的直流系統(tǒng)對(duì)地電容電流的增大。如果采用向直流系統(tǒng)注入交流信號(hào)方式構(gòu)成的微機(jī)型絕緣支路選線裝置，實(shí)際上因?yàn)橄到y(tǒng)分部電容過大，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)接地支路的有效監(jiān)測(cè)。

針對(duì)上述問題，可以采用超低雙音頻交流信號(hào)注入法來(lái)進(jìn)行改善:設(shè)計(jì)一個(gè)由兩個(gè)頻率合成的超低音頻交流電壓信號(hào)，分別注入直流正、負(fù)兩根母線，從而在直流正、負(fù)母線與地之間產(chǎn)生一個(gè)可以用于檢測(cè)的超低雙音頻交流電流信號(hào)。通過檢測(cè)這個(gè)超低雙音頻交流電流信號(hào)，并且根據(jù)交流電壓和電流的數(shù)值關(guān)系，求出直流母線對(duì)地電阻的數(shù)值。根據(jù)注入的超低雙音頻交流電流信號(hào)流通路徑可以判斷出發(fā)生接地故障時(shí)，故障所在的支路及故障點(diǎn)的位置。

2 直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需求，本文將直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)劃分為如下幾個(gè)模塊:主控芯片模塊、接地信號(hào)拾取電路模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、超低音頻發(fā)生與功放模塊、人機(jī)接口模塊、上位機(jī)通信接口模塊等。下面對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述（圖1為直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)框架）。

2.1 主控芯片模塊的設(shè)計(jì)

主控芯片模塊可以與系統(tǒng)中的其他模塊進(jìn)行通信連接，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、輸入、輸出和檢測(cè)等功能。本文中主控芯片模塊采用搭載有ARM Cortex-M3構(gòu)架的STM32F103ZET（簡(jiǎn)稱STM32）控制芯片構(gòu)成的控制平臺(tái)，它在結(jié)合高性能、低能耗和低電壓特性的同時(shí)又保持了高度的集成性和簡(jiǎn)易的開發(fā)特性。

此外系統(tǒng)選用STM32F103ZE作為超低雙音頻信號(hào)發(fā)生器的主控制器，主要是基于如下考慮:具有低功耗和高性能的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器既能夠選用直流電池供電，也能夠直接外接交流穩(wěn)壓電源供電；搭載了ARM公司最新的、具有先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，因此延展性較好；具備A/D、D/A等豐富的外設(shè)，在減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路的同時(shí)，提高了信號(hào)發(fā)生器的穩(wěn)定性。

圖1 直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件總體框架

2.2 接地信號(hào)拾取電路模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用超低雙音頻信號(hào)拾取電路模塊。采用常規(guī)霍爾傳感器，可對(duì)直流系統(tǒng)的回路進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)信號(hào)來(lái)判斷故障產(chǎn)生的回路。在本系統(tǒng)中，除了采用固定霍爾傳感器模塊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，還運(yùn)用可移動(dòng)檢測(cè)模塊，即運(yùn)用特質(zhì)的鉗形電流夾（其原理與霍爾傳感器一致，但外形特性不同）。當(dāng)出現(xiàn)一點(diǎn)接地故障時(shí)，無(wú)需斷電檢查，采用的是在線同定方式，查找直流系統(tǒng)接地故障。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路模塊的設(shè)計(jì)

作為直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，信號(hào)調(diào)理電路的輸入是傳感器的輸出電信號(hào)，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置要求的信號(hào)。在本系統(tǒng)中就是，將霍爾傳感器檢測(cè)出的電信號(hào)，經(jīng)過合理變換，傳輸給符合ARM中的A/D模塊檢測(cè)要求的信號(hào)。因?yàn)榛魻杺鞲衅鳈z測(cè)采集的信號(hào)為模擬電信號(hào)，故需要采用模擬量信號(hào)調(diào)理電路。

2.4 超低音頻發(fā)生與功放模塊的設(shè)計(jì)

采用由ARM為主控芯片構(gòu)成的超低雙音頻信號(hào)源發(fā)生平臺(tái)，硬件電路資源合理，綜合了其他方法的優(yōu)勢(shì)且人機(jī)界面友好，是適用于雙音頻信號(hào)發(fā)生器的最合適選擇。由于STM32輸出的超低雙音頻信號(hào)源輸出功率遠(yuǎn)達(dá)不到注入直流系統(tǒng)的要求，因此需通過功放電路將信號(hào)調(diào)理為實(shí)際注入直流系統(tǒng)的信號(hào)參數(shù)，本系統(tǒng)主要的功放電路設(shè)計(jì)采用LMl875，用其作為信號(hào)源的功放電路。本系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，將STM32設(shè)定輸出的實(shí)際信號(hào)經(jīng)過LMl875功放電路模塊后，信號(hào)輸出功率達(dá)到20W，幅值擴(kuò)大為原來(lái)2倍，就可滿足注入直流系統(tǒng)信號(hào)的要求。

2.5 人機(jī)接口模塊的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊采用超低雙音頻信號(hào)的Cortex M3的開發(fā)平臺(tái)，搭載一塊3.2寸TFT真彩觸摸屏模塊，F(xiàn)SMC控制，彩屏模塊上配置顯示驅(qū)動(dòng)芯片，ADS9834觸摸控制芯片。系統(tǒng)采用現(xiàn)在較為流行的觸摸屏控制與顯示，在一定程度上加大了編程的難度，但是可以做到直觀的顯示所需波形，并且觸摸控制靈敏且準(zhǔn)確、人機(jī)界面良好。

2.6 上位機(jī)通信接口模塊

在上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集中，勢(shì)必會(huì)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，在對(duì)上述通信方式進(jìn)行對(duì)比分析后，系統(tǒng)最終采用了串口RS485作為和上位機(jī)之間的通信。

3 討論

電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展對(duì)直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，不僅要求其能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)存在的隱患，而且要求其具有良好的檢測(cè)靈敏度，能夠隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而迅速進(jìn)行調(diào)整，從而確保直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

田維文(1985—),男,貴州清鎮(zhèn)人,助理工程師,本科,從事高壓交流輸電的運(yùn)行維護(hù)工作。