王智1 徐军2 李平2 胡健2
（1.上海同济华润建筑设计研究院有限公司， 上海 200092）
（2.安科瑞电气股份有限公司， 上海 嘉定 201801）
摘要：绝缘监视装置主要用来监视低压IT系统对地绝缘情况，具有故障预警、报警、事件记录等功能。介绍绝缘监视装置的自适应测量原理及软，硬件的设计。指出绝缘监视装置可用于煤矿，船舶等IT系统，以提供安全可靠的剩余电流保护解决方案。
关键词：IT系统；绝缘监视装置；自适应低频信号；可靠性[/align]
0 引言
随着电气行业的发展，人们对用电安全性和可靠性的要求越来越高，在某些特殊行业的特定场所会选择IT系统进行供电。例如，矿井下的抽风机（不断排出瓦斯气体）、水泵（不间断地抽水以防止井下人员被淹)的供电必须依赖可靠的IT系统。根据JGJ 16-2008《民用建筑电器设计规范》第7.2.3条规定，IT配电系统必须配备绝缘监视装置（Insulation Monitoring Device, IMD)。IMD的作用就是实时地检测线路的绝缘情况，当IT系统发生单相接地故障时，能在最短时间内发出报警信号，避免发生严重事故。传统的测量方法有平衡电桥法、差流检测法、单频法和双频法等。这些测量方法都有各自的优势，但由于应用场所的不同以及现场环境的影响，上述测量方式还存在着可靠性不足、测量精度不高等缺点。
针对这些问题，设计一种基于自适应频率的绝缘监视装置，实时检测线路的绝缘状况。
1 测量原理
1.1系统设计
IT系统故障示意图如图1所示。，其电源端带电导体不接地，只作负载外壳的保护接地。当发生接地故障时，故障电流不返回电源的直接通路，如果系统对地的泄露电容不大，只能沿着PE线再通过无故障两相对地电容流返回到电源。故障电压并不能引起电击或者电气事故，对地的容性电流不能使回路上的剩余电流保护装置切断电源。因此，需要在系统中安装IMD来实时监测系统对地绝缘状况，并及时发出报警信息。
图1 IT系统故障示意图
通过在系统对地之间注入测试信号的方法来监测系统绝缘状况。若系统未出现绝缘故障，信号会经过系统对地泄漏电容进入IT系统，再回到IMD；若系统发生绝缘故障，信号会同时经过泄漏电容和绝缘电阻再进入IT系统中，最终再回到IMD。根据测试信号的回路，IMD可以准确监视系统的安全状况。
1.2自适应低频信号
当系统发生绝缘故障时，信号会经过绝缘电阻和泄漏电容。然而，当系统容量很大或电缆长度较长时，系统对地的泄漏电容也会很大，达到几十微发甚至上百微法。当系统发生绝缘故障时，若系统存在较大泄漏电容，设计过程中采用单频法、双频法无法得到可靠的测试信息。
根据基尔霍夫定律，电流同时经过电阻和电容时，电容会分得测试信号的一部分电流，经过电阻的电流分量便会减小。当容性电流很大时，IMD采集到的测试信号便会存在很大误差，甚至错误。其原因是IMD内部采样电阻上的信号分辨率降低，IMD就无法准确采样到测试信号。
本文设计的自适应低频信号测量方式有效地解决了上述问题。首先，IMD在初次测量时会注入一个基准频率的测试信号。若系统中存在泄漏电容，即便绝缘电阻测不准，也能测出泄漏电容的大小。在下次注入信号时，IMD会根据系统泄漏电容大小而自动降低信号的频率，直到能准确测出绝缘电阻值。例如，在系统泄漏电容C<1μF时，系统注入1.25Hz的低频信号；在C为1到10μF时，IMD自动在1.25Hz频率的基础上进行分频处理，通过降低测试信号频率来增大电阻上的电流分量；当C更大时，IMD会再次进行分频处理，依此类推。该测试信号会根据系统中电容的变化而自动调节信号频率，从而测出绝缘电阻值，保证了测量结果的精度和可靠性。试验结果表明，当C< 500μF时，可以准确测量出绝缘电阻和泄漏电容。
2 硬件设计
2.1 硬件结构
硬件系统主要包括微控制单元、信号产生电路、信号处理及采样电路、通信电路、显示和按键电路、存储电路以及数字输入/输出电路。硬件结构如图2所示。选用ST的32位微控制器作为控制单元，大大简化了外围电路的设计，极大地提高了产品的性能。
图2 硬件结构
2.2 电路模块功能
IMD注入信号由微控制单元的A/D转换器产生，经过减法、放大等信号处理电路最终注入PE线。微控制单元的12位精度A/D采样器又可以精确地将IMD内部取样信号数字化。信号处理电路有效滤除了噪声，得到较为纯净信号。显示和按键电路不仅可以实时显示监测情况、准确做出预警和报警、记录故障信息，还可以设置IMD内部参数,提升了人机交互性。通信电路采用工业级的RS485模块和CAN模块，既可实现数据信息的远距离传，又能实现设备之间的通信组网。存储电路采用FM24C16B铁电存储器，具有16KB容量、无限次数读写、掉电数据可保持10a、写数据无延时等特性，方便用户查看。IMD还配备了3组继电器，作为预警、报警和系统故障的数字输出，从而使IMD功能更加完善。
2.3 自检功能设计
IEC61557-8《交流1000V和直流1500V以下低压配电系统中的电气安全防护措施的试验、测量和监控设备IT系统中绝缘监控装置》第4.2条规定：IMD应包括一个测试装置或装有测试装置的连接器，以测试该IMD是否能完成其功能。针对该要求，在IMD内部设计了自检电路，自检电路如图3所示。IMD内置了1.8kΩ高精度电阻R2。当启动自检时，继电器动作，在测试电路的取样信号和电阻R2之间切换。自检的目的是为了模拟绝缘故障，测试装置是否能测量出内置电阻阻值，且发出报警信息。
图3 自检电路
3 软件设计
3.1软件构架
软件设计采用了模块化的设计思想，按照功能分为数据处理及计算模块、显示模块、通信处理模块、按键处理模块等。主程序结构如图4所示。数据处理、计算模块主要是数学算法提取出需要的信号，如果发现计算出的结果小于设定的阈值，IMD会发出报警信息。记录事件信息，并进行相关参数的存储。显示和按键模块可显示实时时间、系统绝缘情况、事件记录、版本号以及各项参数。
图4 主程序结构
主程序是按照顺序依次调用各个功能模块，但有些模块可能在本轮循环中不具备执行条件。较好的解决办法是采取事件驱动机制来加速主程序的循环速度，提升整个系统的实时性。事件驱动机制就是给每个模块安排标志位，通过标志来触发该模块代表的事件。标志位处理流程如图5所示。在每次进入功能模块时，先判断是否满足执行条件，如果满足，则执行，同时清除标志位；否则,直接返回。
图5 标志位处理流程
3.2离散傅里叶变换的运用
在提取目标信号时，采用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform, DFT）对信号进行频谱分析。由于系统里注入的为低频信号，微控制单元通过A/D转换器采样，将连续的模拟信号转换成离散的数字信号后无法直接得到信号的数值信息。DFT算法可以将离散化的信号从时域转换到频域，使数字信号处理可以在频域采用数值运算的方法进行，大大增加了数字信号处理的灵活性。
例如，低频信号为x(t),首先对x（t）进行时域采样，得到x(n)=x(nT),再对x(n)进行DFT,得到
该因子可以用欧拉公式来表示，方便计算机实现其计算过程。只要确定频率，便可得到信号的数值信息。
计算机语言需在复数域里来实现DFT，最终得到的结果也是复数。根据复数的性质，控制器可以计算出信号幅值、相位。
3.3仿真
为了验证该算法，在实现过程中采用MATLAB软件进行了仿真。假设系统电压信号为380V，频率为50Hz；IMD测试电压信号为25V，频率为1.25Hz。两种频率信号叠加后，得到的数学表达式为
x(t)=380sin(2π*50t)+25sin(2π*1.25t)，信号时域如图6所示。
图6 信号时域图
经过DFT后，信号频谱图如图7所示，从中可知信号的数值信息。即使IMD检测出系统中存在很大泄漏电容而进行多次的分频处理，依旧可以准确计算出测试信号的相关数值信息。
图7 信号频谱图
微控制单元得到采样信号的数值信息，还需根据相关电路定理进行一些数值上的运算，才能得到目标阻抗。如果要算出绝缘电阻和泄漏电容，就需要根据导纳的实部、虚部算出等效电阻、等效电容，而等效电阻、等效电容就是系统中存在的绝缘电阻、泄漏电容。
4 试验结果
目前本设计的产品通过了各项试验，试验内容包括产品的安全性能和电磁兼容性能，各项指标均达到国家标准的要求。在不同泄漏电容的情况下，试验采用单频法和本文阐述自适应频率法分别做了测试，各个阶段电阻值如表1所示。
表1 各个阶段电阻值
根据IEC61557-8第4.6条中表1规定，相对不确定度必须在±15%以内。由表1可以看出，系统泄漏电容越大，单频法测量结果的偏差逐渐变大，而自适应频率法的测量结果更可靠，完全符合标准规定的要求。
5 结语
分析了绝缘监视装置在IT系统中的工作原理，详细阐述了硬件组成和软件构架、算法。MATLAB仿真结果验证了算法的可行性，试验结果证明了基于自适应频率信号测量方法的可靠性。
文章来源：《现代建筑电气》2015年4期。
参考文献
【1】JGJ 16-2008 民用建筑电气设计规范[S].
【2】邱关源，罗先觉.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006
【3】 IEC 615578 Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000V a.c. and 1500V d.c. - Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures – Part 8: Insulation monitoring devices for IT systems
【4】中国航空工业规划设计研究院。工业与民用配电设计手册[M].3版。北京：中国电力出版社，2005
