試析絕緣監測系統的設計及其在直流系統中的應用

田維文 舒斌

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽 550000)

試析絕緣監測系統的設計及其在直流系統中的應用

田維文 舒斌

(中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司貴陽局,貴州貴陽 550000)

近年來直流系統接地而引起的故障頻頻發生,給電力用戶造成了巨大的經濟損失,因此國內外很多廠家和科研院所都致力于直流絕緣監測系統的研究。但現階段直流系統的絕緣監測還比較困難,一方面是電力系統中運用了大量的微機保護,微機保護中大容量濾波電容的存在對現有監測裝置產生了較大的干擾;另一方面是直流系統的電網結構比較復雜,存在大量的環網。針對目前直流系統絕緣監測方面存在的問題,本文將就直流絕緣監測系統的設計和應用展開探討。

直流系統 絕緣監測 設計

1 直流絕緣監測系統的研究現狀

目前市場上投入運行的直流絕緣監測系統多是基于電橋平衡原理的報警裝置，這使得系統僅能對非對稱性直流接地故障進行監測，而無法對高阻抗接地故障進行有效監測。此外，隨著采用繼電保護的繼電保護裝置在電力系統的大量運用，繼電保護裝置的安裝使用了大量的抗干擾電容，這將導致二次回路供電的直流系統對地電容電流的增大。如果采用向直流系統注入交流信號方式構成的微機型絕緣支路選線裝置，實際上因為系統分部電容過大，也無法實現對接地支路的有效監測。

針對上述問題，可以采用超低雙音頻交流信號注入法來進行改善:設計一個由兩個頻率合成的超低音頻交流電壓信號，分別注入直流正、負兩根母線，從而在直流正、負母線與地之間產生一個可以用于檢測的超低雙音頻交流電流信號。通過檢測這個超低雙音頻交流電流信號，并且根據交流電壓和電流的數值關系，求出直流母線對地電阻的數值。根據注入的超低雙音頻交流電流信號流通路徑可以判斷出發生接地故障時，故障所在的支路及故障點的位置。

2 直流絕緣監測系統的設計

根據實際需求，本文將直流絕緣監測系統劃分為如下幾個模塊:主控芯片模塊、接地信號拾取電路模塊、信號調理電路模塊、超低音頻發生與功放模塊、人機接口模塊、上位機通信接口模塊等。下面對各個模塊進行簡單的闡述（圖1為直流絕緣監測系統的硬件總體設計框架）。

2.1 主控芯片模塊的設計

主控芯片模塊可以與系統中的其他模塊進行通信連接，完成信號的轉換、輸入、輸出和檢測等功能。本文中主控芯片模塊采用搭載有ARM Cortex-M3構架的STM32F103ZET（簡稱STM32）控制芯片構成的控制平臺，它在結合高性能、低能耗和低電壓特性的同時又保持了高度的集成性和簡易的開發特性。

此外系統選用STM32F103ZE作為超低雙音頻信號發生器的主控制器，主要是基于如下考慮:具有低功耗和高性能的特點，設計的信號發生器既能夠選用直流電池供電，也能夠直接外接交流穩壓電源供電；搭載了ARM公司最新的、具有先進架構的Cortex-M3內核，因此延展性較好；具備A/D、D/A等豐富的外設，在減少系統設計硬件電路的同時，提高了信號發生器的穩定性。

圖1 直流絕緣監測系統的硬件總體框架

2.2 接地信號拾取電路模塊的設計

本系統采用超低雙音頻信號拾取電路模塊。采用常規霍爾傳感器，可對直流系統的回路進行在線監測，通過監測信號來判斷故障產生的回路。在本系統中，除了采用固定霍爾傳感器模塊監測數據外，還運用可移動檢測模塊，即運用特質的鉗形電流夾（其原理與霍爾傳感器一致，但外形特性不同）。當出現一點接地故障時，無需斷電檢查，采用的是在線同定方式，查找直流系統接地故障。

2.3 信號調理電路模塊的設計

作為直流絕緣監測系統中的重要組成部分，信號調理電路的輸入是傳感器的輸出電信號，輸出為適合傳輸、顯示、記錄或者能更好地滿足后續標準設備或裝置要求的信號。在本系統中就是，將霍爾傳感器檢測出的電信號，經過合理變換，傳輸給符合ARM中的A/D模塊檢測要求的信號。因為霍爾傳感器檢測采集的信號為模擬電信號，故需要采用模擬量信號調理電路。

2.4 超低音頻發生與功放模塊的設計

采用由ARM為主控芯片構成的超低雙音頻信號源發生平臺，硬件電路資源合理，綜合了其他方法的優勢且人機界面友好，是適用于雙音頻信號發生器的最合適選擇。由于STM32輸出的超低雙音頻信號源輸出功率遠達不到注入直流系統的要求，因此需通過功放電路將信號調理為實際注入直流系統的信號參數，本系統主要的功放電路設計采用LMl875，用其作為信號源的功放電路。本系統應用時，將STM32設定輸出的實際信號經過LMl875功放電路模塊后，信號輸出功率達到20W，幅值擴大為原來2倍，就可滿足注入直流系統信號的要求。

2.5 人機接口模塊的設計

本系統的人機接口模塊采用超低雙音頻信號的Cortex M3的開發平臺，搭載一塊3.2寸TFT真彩觸摸屏模塊，FSMC控制，彩屏模塊上配置顯示驅動芯片，ADS9834觸摸控制芯片。系統采用現在較為流行的觸摸屏控制與顯示，在一定程度上加大了編程的難度，但是可以做到直觀的顯示所需波形，并且觸摸控制靈敏且準確、人機界面良好。

2.6 上位機通信接口模塊

在上位機的數據采集中，勢必會用到通信，而目前常用的通信方式包括RS232串口通信、RS485通信等，在對上述通信方式進行對比分析后，系統最終采用了串口RS485作為和上位機之間的通信。

3 討論

電力系統的不斷發展對直流絕緣監測系統提出了更高的要求，不僅要求其能夠及時發現直流系統存在的隱患，而且要求其具有良好的檢測靈敏度，能夠隨著電力系統運行方式的變化而迅速進行調整，從而確保直流系統的安全運行。

田維文(1985—),男,貴州清鎮人,助理工程師,本科,從事高壓交流輸電的運行維護工作。