基于MSP430的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)

鐘鴻銳，羅金萍，林曙光

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

直流電源系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為電力生產(chǎn)過(guò)程中的控制設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等供電。絕緣性能下降和直流母線接地是直流電源系統(tǒng)常見(jiàn)的故障。一旦直流電源發(fā)生故障后，會(huì)影響控制設(shè)備和保護(hù)設(shè)備的正常工作，故障嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致控制設(shè)備的錯(cuò)誤控制和保護(hù)設(shè)備的拒保護(hù)，從而引發(fā)生產(chǎn)事故。因此對(duì)直流電源系統(tǒng)的絕緣性能檢測(cè)和接地檢測(cè)是值得重視的問(wèn)題。常見(jiàn)的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)，多采用平衡電橋原理檢測(cè)母線的絕緣電阻，采用雙頻探測(cè)原理檢測(cè)支路的絕緣電阻，并查找接地支路[1]。但平衡電橋原理不能檢測(cè)正負(fù)母線絕緣電阻等比例下降情況下的電阻值，而雙頻探測(cè)原理需要向系統(tǒng)中注入交流信號(hào)，會(huì)加大直流電源系統(tǒng)的紋波。本文介紹的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)采用“平衡 -不平衡法”檢測(cè)母線電壓，采用漏電流傳感器檢測(cè)支路絕緣電阻，有效地克服了上述方法的缺陷。

直流接地檢測(cè)系統(tǒng)主要用于測(cè)量直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻、檢測(cè)母線接地故障。具體檢測(cè)內(nèi)容包括:測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電壓、正負(fù)母線電壓差、正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻、各支路對(duì)地絕緣阻值。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，判斷接地母線的正負(fù)極性和并查找具體接地支路。

1 直流接地檢測(cè)原理

1.1 直流接地檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

直流供電系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境中工作，線路、連接器、接線端子、刀閘等會(huì)產(chǎn)生老化，從而導(dǎo)致正負(fù)母線的絕緣性能降低，對(duì)地絕緣電阻減小，產(chǎn)生漏電電流。漏電流的產(chǎn)生將會(huì)引起流入和流出用電負(fù)載的電流不一致(部分電流經(jīng)過(guò)絕緣電阻流入大地)。非接觸式直流漏電流傳感器，能夠把流入和流出傳感器的直流電流差感應(yīng)成直流電壓。這樣在每個(gè)用電負(fù)載的輸入和輸出線路上安裝一個(gè)非接觸式直流漏電流傳感器，就能檢測(cè)出每個(gè)用電負(fù)載或者線路的漏電流。直流接地檢測(cè)系統(tǒng)則根據(jù)漏電流傳感器的感應(yīng)電壓求出漏電流的大小。然后通過(guò)“平衡 -不平衡法”檢測(cè)出正負(fù)母線對(duì)地電壓，根據(jù)母線電壓和漏電流求出各個(gè)支路絕緣電阻的大小。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用連接示意圖

1.2 平衡-不平衡法絕緣電阻檢測(cè)原理

平衡 -不平衡檢測(cè)法，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)，順序往被測(cè)線路中接入不同的平衡與不平衡電阻網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)測(cè)量檢測(cè)點(diǎn) A的電壓 Un，根據(jù)接入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和測(cè)得的 Un電壓值，可以計(jì)算出母線電壓和母線絕緣電阻。該方法能夠有效地克服電橋平衡原理檢測(cè)法[1]不能檢測(cè)正負(fù)母線絕緣電阻同比例下降的缺陷，也避免了雙頻探測(cè)法[1]對(duì)直流供電系統(tǒng)供電紋波的影響。平衡 -不平衡檢測(cè)法檢測(cè)流程，如圖 2所示。

圖2 “平衡-不平衡法”母線絕緣電阻檢測(cè)原理圖

如圖 2所示，U+和 U-為被測(cè)線路的母線供電電壓，正常工作時(shí)兩母線間的電壓差 Ux+y為 440 V，且隨蓄電池內(nèi)阻變化。Rx，Ry分別為被測(cè)線路的正母線絕緣電阻和負(fù)母線絕緣電阻。正、負(fù)母線絕緣電阻反映的是 64路的正、負(fù)支路的總體絕緣性能，等效于各個(gè)支路的正、負(fù)絕緣電阻的并聯(lián)，正常時(shí)兩母線絕緣電阻 ＞20 kΩ。Ux和 Uy為正負(fù)母線對(duì)地電壓，大小隨正負(fù)母線的絕緣電阻變化，但兩母線電壓差恒定為 Ux+y。為了檢測(cè)正負(fù)母線電壓 Ux，Uy，Rx，Ry，系統(tǒng)采用了“平衡 -不平衡檢測(cè)法”檢測(cè)母線電壓和母線絕緣電阻。計(jì)算公式如式(1)所示。

K1，K2接通，K3，K4，K5斷開(kāi)時(shí)，(接入平衡電橋)

K1，K2，K3，K5接通，K4斷開(kāi)時(shí)，(接入不平衡電橋)

K1，K2，K4，K5接通，K3斷開(kāi)時(shí)，(接入不平衡電橋)

聯(lián)合式(1)～式(3)解方程可以求出

根據(jù)歐姆定律及分壓原理可以求出

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

直流接地檢測(cè)系統(tǒng)采用低功耗處理器MSP430F149為硬件核心，外圍電路可分為數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互模塊、處理器模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)檢測(cè) 64路支路的漏電流、母線電壓、母線絕緣電阻；人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行液晶顯示和鍵盤(pán)輸入；處理器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，人機(jī)交互等。具體的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖 3所示。

正負(fù)母線電壓檢測(cè)。正母線、負(fù)母線、地線經(jīng)過(guò)“平衡 -不平衡”檢測(cè)電橋后，由電位器對(duì)檢測(cè)點(diǎn) A的電壓進(jìn)行分壓，得到便于采集的低壓直流信號(hào)。正負(fù)母線相對(duì)于地的電壓超過(guò)了人體的安全電壓，為了減少處理器與檢測(cè)電橋部分的連接，系統(tǒng)采用壓頻轉(zhuǎn)換器對(duì)分壓后的信號(hào)進(jìn)行采集。由于采用了壓頻轉(zhuǎn)換器，只需要一根信號(hào)線，一個(gè)光電耦合器件就能夠?qū)崿F(xiàn)母線電壓的檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)分壓后的低壓直流信號(hào)由電壓/頻率變換器 AD7740轉(zhuǎn)換成頻率隨輸入電壓成線性關(guān)系的方波信號(hào)。該方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離再送處理器，避免母線的高壓對(duì)操作人員造成傷害。處理器對(duì)方波信號(hào)測(cè)頻，并換算成檢測(cè)點(diǎn) A對(duì)應(yīng)的電壓，最后根據(jù) 3次測(cè)得的 A點(diǎn)電壓及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算出母線電壓和母線絕緣電阻。

64路支路漏電流檢。非接觸式漏電流傳感器送過(guò)來(lái)的直流感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò) 8個(gè) 8選 1模擬開(kāi)關(guān)(CD4097)選擇，形成 8路直流電壓信號(hào)。為了降低ADC芯片輸入阻抗對(duì)測(cè)量精度的影響，用高輸入阻抗的運(yùn)放對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行射隨緩沖后送到 A/D轉(zhuǎn)換器 TLC2543的 8個(gè)模擬信號(hào)輸入端。ADC芯片內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行通道切換，循環(huán)采集 8個(gè)輸入端的模擬信號(hào)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò) SPI串行通信總線送處理器MSP430F149。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

人機(jī)交互模塊分為 LCD顯示和矩陣鍵盤(pán)。LCD也為串行 SPI接口，與 ADC芯片共用一個(gè) SPI接口，通過(guò) I/O口片選區(qū)分。LCD主要用于循環(huán)顯示當(dāng)前的正負(fù)母線電壓，正負(fù)母線絕緣電阻，當(dāng)前的時(shí)間，絕緣電阻異常的支路號(hào)。鍵盤(pán)采用 4個(gè) I/O接口對(duì) 2×2的矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，用于輸入絕緣電阻報(bào)警的上下限，母線電壓報(bào)警的上下限，選擇需要查看的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

處理器模塊分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)日歷鐘，系統(tǒng)復(fù)位，系統(tǒng)供電，JTAG調(diào)試接口等。當(dāng)系統(tǒng)的母線電壓或者絕緣電阻異常時(shí)，儀器將會(huì)自動(dòng)記錄當(dāng)前的母線電壓，母線絕緣電阻，異常的支路號(hào)和當(dāng)前的故障發(fā)生日期，并將其存儲(chǔ)到 EEPROM中，以便日后查詢(xún)使用。實(shí)時(shí)日歷鐘芯片用于提供發(fā)生故障異常的時(shí)間記錄來(lái)源，并可供日常顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了 MSP430F149處理器作為系統(tǒng)控制中心，在軟件設(shè)計(jì)中利用了該單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大的優(yōu)點(diǎn)，便于對(duì) 64路漏電流傳感器采集的數(shù)據(jù)、母線電壓和母線絕緣電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。主程序中首先完成的是各個(gè)模塊的初始化，主要包括液晶顯示器初始化、模擬切換開(kāi)關(guān)初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化。為了確保系統(tǒng)工作的可靠性，系統(tǒng)在上電后首先進(jìn)行自檢，保證系統(tǒng)中的各個(gè)部分硬件電路正常后，將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入直流接地檢測(cè)狀態(tài)，否則顯示自檢失敗信息提示操作人員。

整個(gè)程序的編寫(xiě)均由 C語(yǔ)言完成，在程序設(shè)計(jì)中，采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，使各個(gè)模塊程序相對(duì)獨(dú)立，便于程序代碼的維護(hù)、移植和升級(jí)。同時(shí)，這樣分離式的程序設(shè)計(jì)，降低了代碼的調(diào)試難度，縮短了調(diào)試周期。將與接地故障信息(如母線電壓，母線絕緣電阻，支路絕緣電阻，接地支路號(hào)等)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體里，便于掉電存儲(chǔ)與回放顯示。系統(tǒng)的主程序流程圖，如圖 4所示。

圖4 主程序流程框圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了達(dá)到好的測(cè)試效果，A/D采集必須達(dá)到一定的測(cè)試精度，圖 1是 A/D采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試誤差分析曲線，從圖中可以看出，A/D采集的誤差約20mV，屬于正常范圍，因?yàn)橄到y(tǒng)采用 8位 A/D，5 V基準(zhǔn)電壓。這個(gè)采樣精度滿足整體的設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，采用 110 V的穩(wěn)壓直流電源模擬蓄電池直接供電，可知 U1=110 V，采用一組電阻分別關(guān)聯(lián)在正負(fù)母線與地線之間，模擬正負(fù)母線的絕緣電阻，其中 1～4組模擬正負(fù)母線均接地的情況，第5組模擬無(wú)母線接地的情況，第 6、7組模擬負(fù)母線接地的情況，第 8、9組模擬正母線接地的情況，測(cè)試結(jié)果如表 1所示。

由 1～5組可知，當(dāng)絕緣電阻大時(shí)，測(cè)試相對(duì)誤差略有增大，這是因?yàn)椴蓸?A/D的輸入阻抗較小，因此當(dāng)測(cè)試電阻較大時(shí)造成誤差相對(duì)大些。另外，當(dāng)負(fù)母線的絕緣電阻 ＜30 kΩ、負(fù)母線絕緣電阻正常時(shí)，前者的測(cè)量效果差些。因?yàn)榇藭r(shí)實(shí)際測(cè)得的電壓 U2和 U3都較小，A/D采樣的相對(duì)誤差大一些，所以電阻的誤差也大一些。不過(guò)遠(yuǎn)好于平衡橋法無(wú)法發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)接地的情況，可以正卻發(fā)現(xiàn)接地。絕緣檢測(cè)的環(huán)境下，只要絕緣電阻 ＞20 kΩ即認(rèn)為絕緣良好，因此對(duì)于絕緣檢測(cè)的應(yīng)用環(huán)境，本系統(tǒng)能夠比較精確的測(cè)試各路的絕緣電阻，完全滿足應(yīng)用環(huán)境的需要。

圖5 A/D測(cè)試誤差圖

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

文中所介紹的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)和絕緣的電阻檢測(cè)技術(shù)，不論何種形式的絕緣電阻，均能得出相對(duì)精確的測(cè)試結(jié)果，很好地解決了傳統(tǒng)的平衡電橋檢測(cè)法及雙頻探測(cè)法所存在的問(wèn)題。這一方案不僅可應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)，同樣可應(yīng)用于鐵道部門(mén)、電信部門(mén)的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)和接地檢測(cè)。

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