基于絕緣檢測功能的直流試驗電源研制

甘卿忠，何海歡，袁煥炯，雍育燁

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

低壓直流系統(tǒng)是變電站的重要組成部分，可以為變電站內(nèi)繼電保護裝置、自動裝置等二次設備提供穩(wěn)定可靠的工作電源，是變電站穩(wěn)定運行的基礎。為保障站內(nèi)低壓直流系統(tǒng)的可靠運行，新二次設備在接入之前，通常使用外接的直流試驗電源對新設備進行調(diào)試，確認設備功能完善且無內(nèi)部故障后才能接入直流系統(tǒng)運行[1]?，F(xiàn)有的直流試驗電源通常僅輸出直流電源，不具備絕緣狀態(tài)檢測功能，不能對新接入設備內(nèi)部的直流接地、寄生回路、交直流互竄等故障進行檢測、告警。當存在上述異常的設備接入到站內(nèi)低壓直流系統(tǒng)時，往往會影響直流系統(tǒng)的正常運行，嚴重時將導致運行設備跳閘、保護誤動等事故。

1 絕緣檢測方法

當前的直流絕緣檢測呈現(xiàn)多技術、多樣化發(fā)展，常見的檢測方法有平衡橋法、切換橋法、信號注入法以及漏電流檢測法等，其中采用平衡橋法進行絕緣檢測的應用最為廣泛。

平衡橋法的原理是分別對低壓直流系統(tǒng)正負極接入1個相等大小的對地電阻，使低壓直流系統(tǒng)正、負極對地電壓平衡，當任一極出現(xiàn)接地故障時，2極對地電壓就會失去平衡。其缺點是不能計算兩極多點接地絕緣電阻，而且無法檢測2極阻值相近的接地故障。

切換橋法是在平衡橋法的基礎上，通過自動控制對低壓直流系統(tǒng)的正負極交替投入固定阻值的對地電阻。該方法能夠計算2極同阻值接地，彌補了平衡橋法的不足。

信號注入法是在低壓直流母線和大地之間注入一個低頻、低幅值的交流信號，通過對該信號進行追蹤檢測來判斷絕緣故障并實現(xiàn)定位[2]。這種檢測方法容易受分布電容電流或同頻噪聲的干擾，存在一定局限性。

漏電流檢測法是通過有源CT檢測各支路流過的電流，通過測量接地漏電流的方法來計算接地電阻。該方法容易受到系統(tǒng)電容和空間磁場的影響，導致測量誤差較大。

2 功能分析

2.1 直流輸出可調(diào)

由于低壓直流系統(tǒng)通常有48 V、110 V以及220 V等不同的電壓等級，設備調(diào)試時常有過壓測試和欠壓測試等，因此所研制的直流試驗電源需實現(xiàn)無級可調(diào)的0～250 V直流電壓輸出。

2.2 故障報警

由于試驗電源功率較大，因此要注重電源的質(zhì)量和安全問題。設立專門的自檢功能，實現(xiàn)電壓模塊溫度過高告警、短路告警以及短路輸出阻斷。此外，為保證試驗電源設備安全和輸出效果，對輸出電壓進行檢測，設置過壓、欠壓告警閾值，實現(xiàn)輸出過壓、欠壓告警。

2.3 絕緣檢測

市場上常見的直流絕緣檢測裝置通常是為低壓直流系統(tǒng)而設計，而本文是將絕緣檢測功能集成到直流試驗電源上，在合理范圍內(nèi)設計更簡化的絕緣檢測方法，目的在于減小電源設備體積且不影響設備性能，實現(xiàn)絕緣故障判斷[3]。所研制的設備采用平衡橋與切換橋相疊加的原理，一方面通過平衡橋計算正負極接地電阻，另一方面通過向正負極投切可變電阻（即切換橋）使得正負極產(chǎn)生實時波動的對地電壓信號，再借助手持型互感器追蹤檢測該信號來定位故障點。

2.4 交直流竄電檢測

由于電網(wǎng)內(nèi)部分一次設備、二次設備內(nèi)部（如繼電器、空開、接觸器等）既有直流也有交流供電，在設備安裝和施工過程中可能會造成交直流搭接、互竄。交直流竄電時往往對低壓直流系統(tǒng)的影響比較大，這通常是將交流回路誤接、誤碰到直流回路上，使直流回路產(chǎn)生較高的交流電壓，繼而與系統(tǒng)電容作用導致電網(wǎng)繼電保護誤動等事故。所研制的直流電源具備交直流竄電檢測功能，可以對新設備內(nèi)部的交流、直流搭接情況進行檢測、告警。

2.5 故障錄波

故障錄波可以重現(xiàn)故障時刻前后所檢測的設備電壓、電流幅值、頻率的波動情況等，這些特征對分析故障的原因很有幫助，特別是對查找瞬時接地故障、交直流竄電故障等作用明顯。所研制的直流電源具備故障錄波功能，能夠實現(xiàn)每次啟動可錄波30 s，包括故障前1 s和故障發(fā)生后29 s，并形成故障記錄保存到儲存器中。

3 總體設計

所研制的直流電源總體上分為穩(wěn)壓電源部分和絕緣檢測部分，2個部分通過主控制器、輸出母線產(chǎn)生聯(lián)系。穩(wěn)壓電源部分包括整流電路、濾波電路、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）轉換器、平滑濾波模塊、輸出反饋模塊、輸出保護模塊以及過溫保護模塊，主要實現(xiàn)交流轉直流功能。絕緣檢測部分包括告警模塊、顯示模塊以及電阻橋模塊，主要實現(xiàn)電阻橋的投切、故障檢測和告警功能。

穩(wěn)壓電源部分中，交流電經(jīng)過整流電路轉換成為含交流分量的直流電，然后經(jīng)濾波電路去除交流分量形成較為平穩(wěn)的直流電，然后進入DC/DC轉換環(huán)節(jié)，由CPU控制輸出脈寬并經(jīng)平滑濾波后通過負反饋進行調(diào)節(jié)，最終使輸出電壓達到預設值。輸出保護模塊負責檢測輸出狀態(tài)，當出現(xiàn)過壓、欠壓以及過流輸出時由CPU發(fā)送異常停止指令，停止輸出并告警。過溫保護模塊負責檢測裝置的整體溫度，當溫度過高時會停止輸出并告警[4]。

絕緣檢測主要依靠主控制器對電阻橋進行投切，使母線產(chǎn)生實時波動的對地電壓信號，采集模塊采到模擬信號并經(jīng)模/數(shù)（Analog/Digital，A/D）轉換為數(shù)字信號發(fā)送給主控制器。主控制器通過計算處理，實現(xiàn)對負載是否存在異常的判斷，同時顯示相應的異常信息。當檢測到異常情況時，觸發(fā)裝置內(nèi)部的錄波，并將波形文件保存到內(nèi)部存儲器中。

除此之外，所研制的直流電源還配備了故障查找手持器模塊，具備快速查找接地功能。當裝置報絕緣異常時，可通過觸摸屏幕給主控制器發(fā)送“查找接地”命令，主控器接收命令后控制電阻橋投切，使母線出現(xiàn)實時波動的對地電壓信號，然后借助帶無源CT的手持器追蹤該信號，實現(xiàn)故障查找與定位[5]。

4 硬件設計

4.1 主控制芯片

主控制器采用意法半導體公司的STM32F103VET6作為CPU芯片，該芯片是基于Coretx-M3內(nèi)核的32位ARM處理器，其內(nèi)置512 KB的閃存存儲器和64 KB的靜態(tài)隨機存儲器，最高工作頻率達72 MHz，性能良好，非常適用于工業(yè)控制和數(shù)據(jù)處理。

主控制器是所研制直流電源的控制中心，負責控制DC/DC轉換、輸出保護、過溫保護、電阻橋投切以及顯示和告警，獲取顯示屏的指令數(shù)據(jù)和通信模塊的信號數(shù)據(jù)并進行處理，實現(xiàn)相應的判斷、數(shù)據(jù)顯示及控制操作。

4.2 電源穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電源電路原理如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓電源電路原理

交流電源經(jīng)過整流橋BR和C1整流濾波后產(chǎn)生高壓直流Ud，經(jīng)過TOP224P開關芯片實現(xiàn)DC／DC轉換后，給高頻變壓器的初級繞組供電，同時通過瞬態(tài)電壓抑制器VDZ1和二極管VD1將漏感產(chǎn)生的尖峰電壓鉗位到安全值，并衰減振鈴電壓。由VD2、C2、L1以及C3組成的濾波電路將變壓器次級繞組電壓濾波得到直流輸出電壓，再由穩(wěn)壓二極管VDZ2、光電耦合晶體管IC2和R1組成的穩(wěn)壓電路進行穩(wěn)壓。

4.3 絕緣檢測電路

絕緣檢測電路中融合了采樣電路、平衡橋電路和切換橋電路，如圖2所示。

圖2 絕緣檢測電路原理

R3、R4為切換橋可調(diào)電阻，通過繼電器K1、K2分別控制R3、R4的投切。R2C、RW1和R42串聯(lián)為正極對地電阻，R1C、RW2和R41串聯(lián)為負極對地電阻，其中R1C=R2C、RW1=RW2、R41=R42，通過使正負極對地電阻相等，從而起到平衡橋作用。

4.4 故障查找手持器設計

故障查找手持器設計了開口式霍爾傳感器CT，霍爾傳感器CT的副邊補償電流可以反映原邊電壓的變化情況，經(jīng)過處理器測量補償電流并進行處理，將原邊電壓變化波形進行精確還原，通過顯示器顯示波形。手持器設計原理如圖3所示。

圖3 手持器設計原理

接地故障位置查找原理如圖4所示。

圖4 接地故障位置查找原理

當啟動故障查找模式時，裝置會交替投入變化的R3、R4，使系統(tǒng)正負極產(chǎn)生一個特殊的對地電壓信號，該信號通過系統(tǒng)接地故障點返回大地。例如，通過手持器在圖4中的A、C點都可以檢測到該信號，而在B點無法檢測到，于是可以判斷接地故障位于有特征電壓信號點A和無特征信號點B之間，無限縮小2個點之間的距離即可得到接地故障的準確位置。

5 程序設計

初始化電源回路系統(tǒng)中的TOP224P開關芯片、穩(wěn)壓電路、反饋電路、過欠壓保護以及過溫保護等CPU控制TOP224P芯片產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)節(jié)電壓，經(jīng)過平滑濾波獲得預設的直流電壓，通過反饋比對判斷電壓誤差。調(diào)整TOP224P產(chǎn)生的脈沖寬度，使輸出電壓達到預值，經(jīng)過溫、過壓、欠壓以及短路保護電路后，輸出到負載。當出現(xiàn)過溫、過欠壓或短路故障時，CPU控制開關芯片停止輸出脈沖和電壓輸出。

對絕緣檢測系統(tǒng)中的電阻橋、液晶顯示、電阻橋控制繼電器進行初始化后，CPU芯片通過A/D轉換電路獲取對地電壓數(shù)據(jù)信息，再借助CPU芯片控制橋臂繼電器定時切換電阻橋，進而計算兩極接地電阻。如果判斷有接地，則進入切可變電阻模式，由CPU芯片控制投切的電阻大小，使變化的切換電阻依次投切到系統(tǒng)的正、負極產(chǎn)生變化的對地電壓，最終通過追蹤該信號查找故障接地點。

6 結 論

基于絕緣檢測功能的直流試驗電源可提供0～250 V無極可調(diào)的直流電壓輸出，滿足不同設備的電源需求，具備絕緣檢測功能。同時設計了故障查找手持器，可查找接地故障地點。本產(chǎn)品彌補了傳統(tǒng)試驗電源不具備絕緣檢測功能的不足，對電力生產(chǎn)安全具有積極意義。