電氣絕緣電阻的在線監(jiān)測裝置與實(shí)現(xiàn)方法

唐志博　王瑛　薛占龍　夏宇

摘? 要：為了改善絕緣防護(hù)的安全性，設(shè)計(jì)出一套完善的監(jiān)測裝置。通過對絕緣防護(hù)監(jiān)測現(xiàn)狀的了解，結(jié)合實(shí)際情況給出實(shí)現(xiàn)絕緣電阻在線安全監(jiān)測的解決方案，并針對以風(fēng)塔內(nèi)電氣配電柜的絕緣電阻測量為工程背景，對絕緣監(jiān)測的意義、測試原理、方法以及電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。該裝置擁有良好的監(jiān)測效果，可以為絕緣防護(hù)監(jiān)測提供有力支持。

關(guān)鍵詞：絕緣電阻;安全監(jiān)測;電氣配電柜

中圖分類號：TP277;TM85? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0058-03

Online Monitoring Device and Implementation Method of Electrical Insulation Resistance

TANG Zhibo，WANG Ying，XUE Zhanlong，XIA Yu

（Department of Informatics，Beijing University of Technology，Beijing? 100124，China）

Abstract：In order to improve the safety of insulation protection，a set of perfect monitoring device is designed. Based on the understanding of the current situation of insulation protection monitoring，combined with the actual situation，this paper gives a solution to realize the on-line safety monitoring of insulation resistance，and introduces the significance，testing principle，method and electric circuit design scheme of insulation monitoring based on the insulation resistance measurement of the electrical distribution cabinet in the wind tower. The device has good monitoring effect and can provide strong support for insulation protection monitoring.

Keywords：insulation resistance;safety monitoring;electrical distribution cabinet

0? 引? 言

目前國內(nèi)絕緣防護(hù)還沒有形成一套完善的監(jiān)測裝置，但隨著電子通信，數(shù)字信號處理以及單片機(jī)程控技術(shù)的不斷發(fā)展，使得對電氣設(shè)備絕緣電阻測量，實(shí)時(shí)監(jiān)控電氣系統(tǒng)的安全成為可能，在我國風(fēng)電塔的內(nèi)部擁有電氣配電柜，它長期工作在無人值守的高電壓狀態(tài)，如果配電柜的絕緣防護(hù)出現(xiàn)問題，那么勢必給風(fēng)電塔內(nèi)的其他設(shè)備和人員帶來嚴(yán)重危害。

本文設(shè)計(jì)的用于自動(dòng)測量風(fēng)塔配電柜的絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)，在北京工業(yè)大學(xué)嵌入式實(shí)驗(yàn)室中完成了電氣絕緣電阻監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及阻抗芯片驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用微處理器自動(dòng)采集配電柜監(jiān)測點(diǎn)的絕緣情況，出現(xiàn)超標(biāo)或故障時(shí)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行無線遠(yuǎn)程報(bào)警。測量絕緣電阻參數(shù)的重要性體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：其一是通過絕緣電阻的測量，可以檢測出絕緣材料是否滿足絕緣性能，可以將絕緣參數(shù)作為企業(yè)購買絕緣材料的重要依據(jù);二是迅速了解電氣設(shè)備的絕緣指標(biāo)，通過測量防患于未然，避免不必要的危險(xiǎn)發(fā)生;三是在電氣設(shè)備批量生產(chǎn)前，要對設(shè)備進(jìn)行耐高壓測試，而在耐壓測試進(jìn)行之前，首先要對設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻測量，根據(jù)測量結(jié)果看是否符合耐壓測試要求，只有滿足了測量要求，才能對設(shè)備進(jìn)行耐高壓檢測，否側(cè)，如果疏忽了絕緣電阻測量步驟，就會(huì)在耐壓測試的時(shí)候產(chǎn)生大電流，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備被損壞。

1? 絕緣電阻測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本絕緣電阻測量裝置由數(shù)據(jù)處理模塊、信號處理模塊、測量通路切換模塊、信號調(diào)理模塊、通信接口模塊以及電源模塊6個(gè)模塊組成，選用STM8L微控制器為處理核心，驅(qū)動(dòng)以AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片為核心的信號處理模塊，使其能產(chǎn)生頻率為10 kHz，峰峰值為2.0 V的正弦交流電信號，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了功率放大器提高激勵(lì)信號的驅(qū)動(dòng)電壓，在經(jīng)過升壓變壓器的調(diào)理作用后，將電壓升高到600.0 V以上，根據(jù)絕緣電阻原理，在絕緣電阻兩端加高電壓，在絕緣電阻回路中會(huì)產(chǎn)生微弱泄漏電流，這個(gè)泄漏電流大小會(huì)隨著絕緣電阻的變化而改變，這個(gè)變化的信號通過降壓變壓器調(diào)理后，恢復(fù)到AD5933阻抗轉(zhuǎn)換芯片可以處理的范圍內(nèi)，并對其進(jìn)行信號處理，最后由微控制器計(jì)算，最終會(huì)得到絕緣電阻的阻值，具體如圖1所示。

2? 絕緣電阻測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要用于控制多路控制開關(guān)切換，數(shù)據(jù)的發(fā)送，控制信號處理模塊產(chǎn)生激勵(lì)信號，以及對來自信號處理模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算，所以要考慮功耗問題，本系統(tǒng)選用了STM8L作為主控制器芯片，數(shù)據(jù)處理模塊包括STM8L微控制器以及最小系統(tǒng)電路，其中最小系統(tǒng)電路是保證STM8L工作的核心。

2.1.1? 復(fù)位電路

復(fù)位電路設(shè)計(jì)的目的在于防止整個(gè)系統(tǒng)死機(jī)的情況發(fā)生，STM8L芯片的復(fù)位模式分為兩種，分別是硬件復(fù)位和軟件復(fù)位，由于STM8L在復(fù)位引腳檢測到低電平就可復(fù)位系統(tǒng)，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，按鍵S5可以復(fù)位這個(gè)系統(tǒng)。

2.1.2? 程序燒寫與調(diào)試電路

此電路是嵌入式軟件開發(fā)的核心，本設(shè)計(jì)中，只需占用STM8L微控制器4個(gè)I/O端口，在硬件上，本文設(shè)計(jì)的四線SWIM接口和PC機(jī)用ST-LINK調(diào)試器相連，就可以完成程序的燒寫與調(diào)試功能，極大地方便軟件的開發(fā)。由于STM8L微控制器內(nèi)部擁有16 MHz的RC振蕩器，所以本文選擇用其內(nèi)部的振蕩器作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。

2.2? 信號處理模塊

信號處理模塊由AD5933芯片以及外圍電路所組成，它是一款精度很高的阻抗測量芯片，測量寬度大，此芯片具有I2C協(xié)議，根據(jù)I2C接口協(xié)議，在總線空閑時(shí)，時(shí)鐘信號線SCL和數(shù)據(jù)信號線SDA必須保持高電平，所以電路設(shè)計(jì)中用R3和R4作為上拉電阻來滿足協(xié)議要求，利用STM8L的I2C接口對AD5933芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，其中在芯片REF引腳和芯片VIN引腳之間為反饋電阻，用于設(shè)置接收端電流電壓放大器的增益。

2.3? 信號調(diào)理模塊

此模塊由功率放大器和升降壓變壓器組成，根據(jù)絕緣電阻測量原理，需要將激勵(lì)信號電壓值放大到600.0 V，因此需要設(shè)計(jì)升壓變壓器。本文采用橋式推挽電路，考慮了整體電路的功耗問題，還設(shè)計(jì)了低功耗方案，根據(jù)功率放大器的模式選擇引腳，利用微控制器的兩個(gè)I/O接口分別控制兩個(gè)NPN三極管來切換功率放大器的工作模式，由于AD5933芯片內(nèi)部ADC的線性工作范圍是0 V至3.3 V之間，因此需要將高壓響應(yīng)信號通過降壓變壓器降低到AD5933可處理的電壓范圍內(nèi)。

本文選擇1 MΩ電阻作為電路限流保護(hù)電阻，并且選用耐壓值為1 000.0 V的瓷片電容，用于防高壓交流信號損壞低壓測電路。

2.4? 測量通路切換模塊

本文設(shè)計(jì)的絕緣電阻測量系統(tǒng)為多路測量，考慮到本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)的分布情況以及電路結(jié)構(gòu)，選用12.0 V的繼電器作為測量通路的切換。由于繼電器線圈需要一定的驅(qū)動(dòng)電流，考慮到驅(qū)動(dòng)電流的不足，設(shè)計(jì)了達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路，提高對繼電器線圈的驅(qū)動(dòng)能力，本系統(tǒng)利用STM8L微控制器IO引腳分別驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管引腳實(shí)現(xiàn)切換繼電器目的，本文將1N4007二極管并聯(lián)在繼電器線圈兩端，這是由于繼電器的線圈有很大的電感量，當(dāng)兩端電壓消失的瞬間，會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢，將會(huì)危及其他半導(dǎo)體器件，因此加入二極管后，反向電動(dòng)勢會(huì)被釋放，線路就安全可靠了。

2.5? 通信模塊

考慮到今后系統(tǒng)的無線傳輸功能，在硬件設(shè)計(jì)中增加串口轉(zhuǎn)485通信電路，在今后的無線傳輸功能中，既可以利用485無線傳輸模塊完成無線傳輸功能，也可以利用串口電平驅(qū)動(dòng)無線模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸功能。

2.6? 電源模塊

本系統(tǒng)電源是24.0 V鋰電池，功率放大器模塊、達(dá)林頓管電路、繼電器電路都需要12.0 V電源供電，因此設(shè)計(jì)24.0 V轉(zhuǎn)12.0 V電源電路，由于需要5.0 V電源及3.3 V電源，因此設(shè)計(jì)了12.0 V轉(zhuǎn)5.0 V，5.0 V轉(zhuǎn)3.3 V電源電路。

3? 絕緣電阻測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)未來將采用IAR Embedded Workbench完成嵌入式軟件部分的編程與調(diào)試，STM8L單片機(jī)在上電之后將完成一系列初始化操作，然后進(jìn)入按鍵檢測狀態(tài)，初始化流程如圖2所示。根據(jù)絕緣電阻的設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)要求，本系統(tǒng)未來將采用模塊化的思想，各模塊的功能設(shè)計(jì)如下：（1）AD5933驅(qū)動(dòng)模塊：編寫單片機(jī)的I2C驅(qū)動(dòng)程序，完成對AD5933芯片內(nèi)部寄存器的配置，使得AD5933可以輸出滿足需要的激勵(lì)正弦信號，以及完成對AD5933數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)的讀取功能。（2）功能切換模塊：本設(shè)計(jì)中絕緣電阻測量裝置為多路測量，需要利用單片機(jī)來控制繼電器的吸合，以此來完成各路切換，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊功能按鍵來測量不同通路的絕緣電阻值。（3）485通信模塊：由于本系統(tǒng)未來可能會(huì)用到無線通信部分，以及命令下達(dá)等操作，因此需要設(shè)計(jì)485驅(qū)動(dòng)的編程，來完成對命令的接收與數(shù)據(jù)的發(fā)送功能。（4）顯示模塊：為了讓用戶更方便地看到絕緣電阻數(shù)據(jù)結(jié)果，需要設(shè)計(jì)LCD驅(qū)動(dòng)程序、LCD命令配置程序、數(shù)據(jù)顯示程序等，實(shí)現(xiàn)絕緣電阻值的顯示。

4? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)合理性，在實(shí)驗(yàn)室用信號發(fā)生器來模擬AD5933阻抗芯片，分別產(chǎn)生頻率10 kHz，幅值從0.1 V到2.0 V的信號，來測試功率放大器的輸出信號幅值及升壓變壓器的輸出信號幅值，測量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測量絕緣電阻的理想電壓值為600.0 V左右，所以激勵(lì)信號為1.5 V左右就可以滿足測量要求，說明本文設(shè)計(jì)的電路是合理的，為嵌入式軟件設(shè)計(jì)工作打下硬件基礎(chǔ)。

為驗(yàn)證AD5933阻抗測量芯片產(chǎn)生的激勵(lì)信號是否滿足要求，使用IAR Embedded Workbench軟件完成實(shí)驗(yàn)測試，編寫AD5933芯片的驅(qū)動(dòng)程序。

絕緣電阻測量系統(tǒng)需要產(chǎn)生頻率為10 kHz的交流激勵(lì)信號，而本文選用的阻抗芯片為AD5933，它是通過I2C接口與微控制器相連的，因此通過微控制器可以利用I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)對AD5933的控制以及完成對AD5933讀寫的操作，AD5933芯片一共擁有9個(gè)功能寄存器，首先對AD5933的控制寄存器進(jìn)行配置，該寄存器是16位的，通過寫相關(guān)狀態(tài)字到該寄存器后，可以實(shí)現(xiàn)對激勵(lì)信號幅值的控制，可以實(shí)現(xiàn)4種不同幅值的輸出，分別為2.0 V、0.2 V、0.4 V以及1.0 V，同時(shí)還會(huì)決定激勵(lì)信號的起始頻率大小等功能，本文設(shè)置的頻率為10 kHz。

5? 結(jié)? 論

本文主要設(shè)計(jì)了基于STM8L單片機(jī)的絕緣電阻測量儀器的硬件系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了測試驗(yàn)證，測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過信號發(fā)生器模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的可行性，以及通過嵌入式軟件的初步設(shè)計(jì)，可以控制AD5933阻抗芯片產(chǎn)生理想的激勵(lì)信號，通過本文設(shè)計(jì)的功率放大器以及升降壓變壓器，可以產(chǎn)生600.0 V以上的高壓信號，滿足絕緣電阻測量的條件。本文設(shè)計(jì)的硬件電路為今后完整的絕緣電阻在線測量方案打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者簡介：唐志博（1993-），男，漢族，北京人，碩士研究生在讀，研究方向：電子與通信工程。