直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測產品的設計與應用

摘要： 為了提升直流系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，解決直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的問題，設計一種新型的監(jiān)測方法的產品。該產品基于不平衡電橋設計，搭配高精度外置ADC采樣芯片和STM32F401芯片，可以實現(xiàn)高速、高精度、高電壓的測量需求。產品可以應用在直流系統(tǒng)中，比如儲能直流側、變電站直流屏、UPS直流供電系統(tǒng)、電動汽車直流充電裝置、光伏直流系統(tǒng)等直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測。關鍵詞： 直流系統(tǒng); 絕緣監(jiān)測; 絕緣電阻; 不平衡電橋

中圖分類號： TU852文獻標志碼： A文章編號： 1674-8417（2024）08-0047-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.08.010

0引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，很多用電設備和工廠設備采用直流系統(tǒng)供電。由于環(huán)保和綠色理念的影響，新能源產業(yè)的發(fā)展迎來蓬勃生機。光伏電站、直流充電樁等應用越來越多。

在儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、直流充電樁、UPS直流輸出等行業(yè)應用中，往往包含直流系統(tǒng)，其作為電力系統(tǒng)中重要組成部分，安全穩(wěn)定運行至關重要。對于直流系統(tǒng)，一般正極和負極不接地，屬于不接地系統(tǒng)。根據(jù)IEC的規(guī)定要求，直流不接地系統(tǒng)應該裝設絕緣監(jiān)測裝置來檢測絕緣。常見的絕緣故障是絕緣損壞和單極接地，如果不及時排查絕緣故障，容易對用電設備和人身造成傷害，對于不能停電或者停電影響較大的場合，容易造成較大的經濟損失。

1直流絕緣監(jiān)測

目前常見的直流絕緣監(jiān)測有兩種方法，一種是電橋平衡檢測，另一種是低頻信號注入。但是以上兩種方法都存在一些缺點，其中電橋平衡檢測不適用于正極負極絕緣電阻同時下降的情況［1］。信號注入法受到系統(tǒng)分布電容影響較大，如果系統(tǒng)存在較大的分布電容，該方法的檢測時間會大大延長，無法快速監(jiān)測故障，而且注入的低頻交流信號會增大直流系統(tǒng)的電壓紋波系數(shù)，影響電源的質量，而且，如果供電系統(tǒng)中采用變頻器，注入法受到的影響較大［2］。

為了避免以上缺陷和快速檢測的要求，開發(fā)設計一種使用新型檢測方法的絕緣檢測裝置。該裝置可以快速測量直流系統(tǒng)的絕緣電阻，不受正極負極絕緣同時下降的影響，受到系統(tǒng)分布電容影響較小，同時不會對監(jiān)測系統(tǒng)造成影響［3］。

2硬件方案設計

2.1不平衡電橋

不平衡電橋設計如圖1所示。

DC+、DC-為直流系統(tǒng)正負極母線，PE為地線。R+、R-表示直流系統(tǒng)正負極分別對地的等效絕緣電阻，R1～R6為電阻，K1、K2、K3為高壓開關器件。

絕緣監(jiān)測在測量時可以分成4個階段。第一個階段，K1、K2、K3均保持斷開，ADC芯片采集R3、R6上的第一組電壓數(shù)據(jù)。第二個階段，K3閉合，K1、K2斷開，ADC芯片采集R3、R6上的第二組電壓數(shù)據(jù)。第三個階段，K1、K3閉合、K2斷開，ADC芯片采集R3、R6上的第三組電壓數(shù)據(jù)。第四個階段，K2、K3閉合、K1斷開，ADC芯片采集R3、R6上的第四組電壓數(shù)據(jù)。

每個階段得到的每一組數(shù)據(jù)都可以使用歐姆定律建立方程式，4個方程式組成方程組，通過解方程組即可分別得到正極和負極對地的絕緣電阻。

4個測量階段可以作為不平衡電橋測量方法的1個周期，測量結束后，K1、K2、K3均斷開，與大地脫離，回到待測量狀態(tài)。

不平衡電橋方法沒有向系統(tǒng)注入任何信號，而且監(jiān)測周期完成后與大地脫離，不會對直流系統(tǒng)造成任何影響，也不會對系統(tǒng)中的器件造成影響。不平衡電橋的方法受到系統(tǒng)分布電容影響較小，因此監(jiān)測周期大大縮減，在無系統(tǒng)分布電容的情況下，監(jiān)測周期最快可以達到200 ms以下。不平衡電橋的方法可以監(jiān)測正極和負極絕緣電阻同時下降的情況，避免了直流系統(tǒng)正極和負極對地電阻同時降低無法正確檢測的問題。因此，相較于平衡電橋法和低頻信號注入法，該方法具有一定的先進性和應用價值。

2.2硬件電路設計

直流絕緣監(jiān)測裝置硬件設計如圖2所示。硬件電路設計主要分為6個部分，包括不平衡橋電路、采樣電路、單片機外圍電路、電源電路、RS-485通信和撥碼開關電路、LCD液晶顯示。采樣電路采用高精度外置ADC芯片，使用高隔離耐壓電源供電，基準電壓由高精度基準源提供，采樣數(shù)據(jù)通過SPI通信隔離芯片送進單片機處理;電源電路支持DC 12～36 V輸入和電磁兼容試驗（EMC）4級設計要求;RS-485通信電路和撥碼開關電路支持多種波特率和地址設置;以上電路均相互隔離，增加產品的耐壓和安全性能，消除干擾。

2.3元器件技術要求

直流絕緣監(jiān)測裝置主要應用在DC 1 500 V以下直流系統(tǒng)。因為系統(tǒng)電壓較大，監(jiān)測范圍較廣，因此在硬件方案設計中，對電阻器件的功率、精度和高壓開關有著較高的要求，同時要求該設計具有高隔離耐壓的電源和高分辨率的ADC芯片。

電阻的選型需要考慮功率、精度、溫漂等因素。電阻功率可以通過設計的最大量程加上預留的一定額度來計算，并且電阻器件不可以長時間滿功率運行，長時間運行一般占用功率在50%以下最佳，在綜合考慮成本的情況下，精度越高越好，溫漂越低越好。

高壓開關的選型根據(jù)設計需要能夠開斷高電壓小電流負載，器件的開關電壓要適當?shù)爻隽砍?，同時要計算負載電流的大小，不可以超出量程，因此可以選擇信號繼電器、干簧管繼電器、固態(tài)繼電器（PMOS）等。需要注意的是，繼電器的介質耐壓要高，PMOS的真實負載電壓要小于理論負載電壓。信號繼電器、干簧管繼電器的機械壽命要小于PMOS，不適用于高頻場景。同時，PMOS也存在漏電流的問題，會影響測量精度。

電源模塊的選型根據(jù)設計需要采用隔離強度高的電源，在裝置運行過程中，可以有效地消除干擾、保護設備。

ADC芯片的選型根據(jù)設計需要采用高精度芯片。在測量過程中，由于采樣電阻上的電壓在極限情況下數(shù)值非常小，普通ADC芯片無法采集，且誤差大，因此采用外置24 bit高精度ADC芯片，以滿足監(jiān)測的需求。

3軟件方案設計

絕緣監(jiān)測裝置采用單片機裸機系統(tǒng)運行，使用STM32F401芯片作為MCU，外置高精度ADC芯片采樣。

3.1軟件流程圖

裝置運行時首先進行軟件初始化，ADC配置，然后進行母線電壓的監(jiān)測。裝置配置周期觸發(fā)和通信觸發(fā)兩種監(jiān)測模式，默認周期觸發(fā)，裝置會按照觸發(fā)周期進行監(jiān)測，當采用通信觸發(fā)時，只有收到絕緣監(jiān)測的命令才會進行絕緣電阻的監(jiān)測。絕緣監(jiān)測軟件流程圖如圖3所示。

3.2絕緣監(jiān)測算法

直流絕緣監(jiān)測裝置測量絕緣電阻時通過高壓開關的不同組合進行4個階段的測量，每個階段可以得到一組數(shù)據(jù)。

第一階段為絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測時的初始狀態(tài)，S+、S-、Spe是繼電器開關，此時均處于斷開狀態(tài)。絕緣監(jiān)測第一階段如圖4所示。

此時可以通過電阻計算系統(tǒng)電壓，具體如下：

絕緣監(jiān)測裝置可以通過LCD液晶顯示系統(tǒng)電壓，正極對地電壓，負極對地電壓，正極對地絕緣電阻，負極對地絕緣電阻，當絕緣電阻低于設定閾值時，絕緣監(jiān)測裝置進行報警。

3.3裝置模擬試驗

將絕緣監(jiān)測裝置接入直流系統(tǒng)，正極和負極分別接入模擬電阻，進行單相絕緣電阻接地試驗。直流絕緣監(jiān)測接線示意如圖8所示。

裝置模擬試驗選取直流100 V，500 V、1 000 V 3個電壓等級，每個電壓等級分別測試6組數(shù)據(jù)，其中100 V模擬負極絕緣電阻下降，500 V和1 000 V模擬正極絕緣電阻下降，絕緣監(jiān)測裝置圖8直流絕緣監(jiān)測接線示意

模擬接地試驗如表1所示。

通過試驗數(shù)據(jù)可知，使用不平衡電橋方法的直流絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測到的絕緣電阻精度較高，測量范圍較廣，誤差不超過5%，具有一定的先進性。

4實際應用案例

絕緣監(jiān)測裝置可以應用在直流系統(tǒng)中，檢測系統(tǒng)對地的絕緣電阻。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏側是直流系統(tǒng)，GB/T 37408—2019 《光伏發(fā)電并網逆變器技術要求》中第6.7.1光伏方陣絕緣阻抗中提到：“與不接地的光伏方陣連接的逆變器應具有光伏方陣直流絕緣阻抗的檢測功能”。

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般包括光伏板陣列、直流匯流箱、并網逆變器、監(jiān)測儀表和并網開關等，可以并入交流電網，也可以通過DC/DC變換器提供給負載使用，也可以給儲能模塊充電。光伏組件發(fā)電匯流后經過逆變器并入電網，逆變器內自帶隔離變壓器，每個匯流箱前端分為獨立系統(tǒng)。光伏電站系統(tǒng)絕緣監(jiān)測如圖9所示。

對于獨立的直流系統(tǒng)，應裝設絕緣監(jiān)測儀，檢測直流母線及支路對地的絕緣情況，當發(fā)生絕緣損壞或者單極接地，儀表能夠及時報警，提示工作人員對回路進行檢修排查故障，防止故障事態(tài)擴大引起短路。絕緣監(jiān)測裝置對光伏直流系統(tǒng)的在線監(jiān)測，可以保障系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

5結語

在本產品的設計與研究中，使用新型絕緣監(jiān)測方法，解決了平衡電橋法正負極絕緣電阻同時下降而無法測量的問題，也解決了信號注入法對電源紋波、電源質量、測量時間和受變頻器影響的問題，裝置實際測試滿足設計要求，可以應用在直流系統(tǒng)中，進行絕緣電阻的監(jiān)測。

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，正負極絕緣電阻相差較大時，較大絕緣電阻的測量值精度變差，問題在電橋法中較為常見，筆者將繼續(xù)研究，改善該問題。也希望更多的專家和學者能夠進行深入研究并提出寶貴意見。

［1］梁文倩.基于平衡橋等效模型的直流系統(tǒng)接地分析［J］.電工技術，2023（11）：165-166.

［2］杜吉飛.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測關鍵技術研究［D］.北京：北京交通大學，2020.

［3］尹強，王佰超，甘江華，等.基于STM32的在線絕緣監(jiān)測裝置的設計［J］.計算機測量與控制，2019，27（7）：40-44.

收稿日期： 20240430

Design and Application of Insulation Monitoring Products for DC Systems

MA Xinxin1，LIU Shen2，TENG Xiang2

（1.Chemical Design Institute of Jiangsu， Nanjing 210000， China;

2.Acrel Co.， Ltd.， Shanghai 201801， China）

Abstract： In order to improve the safety and stability of DC system operation，solve the problem of DC system insulation monitoring，design a new type of monitoring method of the product.The product is based on the design of unbalanced bridge circuit with high-precision external ADC sampling chip and STM32F401 chip，which can realize the demand of high-speed，high-precision，and high-voltage measurement.The product can be applied in DC systems，such as insulation monitoring of DC systems for energy storage DC side，substation DC panels，UPS DC power supply systems，electric vehicle DC charging devices，photovoltaic DC systems and so on.

Key words： DC system; insulation monitoring; insulation resistance; unbalanced bridge