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

低壓直流系統是變電站的重要組成部分，可以為變電站內繼電保護裝置、自動裝置等二次設備提供穩定可靠的工作電源，是變電站穩定運行的基礎。為保障站內低壓直流系統的可靠運行，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試，確認設備功能完善且無內部故障后才能接入直流系統運行[1]。現有的直流試驗電源通常僅輸出直流電源，不具備絕緣狀態檢測功能，不能對新接入設備內部的直流接地、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低壓直流系統時，往往會影響直流系統的正常運行，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多技術、多樣化發展，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正負極接入1個相等大小的對地電阻，使低壓直流系統正、負極對地電壓平衡，當任一極出現接地故障時，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

由于低壓直流系統通常有48 V、110 V以及220 V等不同的電壓等級，設備調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無級可調的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量和安全問題。設立專門的自檢功能，實現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

由于電網內部分一次設備、二次設備內部（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，使直流回路產生較高的交流電壓，繼而與系統電容作用導致電網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，能夠實現每次啟動可錄波30 s，包括故障前1 s和故障發生后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、輸出母線產生聯系。穩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，主要實現電阻橋的投切、故障檢測和告警功能。

穩壓電源部分中，交流電經過整流電路轉換成為含交流分量的直流電，然后經濾波電路去除交流分量形成較為平穩的直流電，然后進入DC/DC轉換環節，由CPU控制輸出脈寬并經平滑濾波后通過負反饋進行調節，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，當出現過壓、欠壓以及過流輸出時由CPU發送異常停止指令，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，使母線產生實時波動的對地電壓信號，采集模塊采到模擬信號并經模/數（Analog/Digital，A/D）轉換為數字信號發送給主控制器。主控制器通過計算處理，實現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，觸發裝置內部的錄波，并將波形文件保存到內部存儲器中。

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內核的32位ARM處理器，其內置512 KB的閃存存儲器和64 KB的靜態隨機存儲器，最高工作頻率達72 MHz，性能良好，非常適用于工業控制和數據處理。

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據和通信模塊的信號數據并進行處理，實現相應的判斷、數據顯示及控制操作。

4.2 電源穩壓電路

穩壓電源電路原理如圖1所示。

圖1 穩壓電源電路原理

交流電源經過整流橋BR和C1整流濾波后產生高壓直流Ud，經過TOP224P開關芯片實現DC／DC轉換后，給高頻變壓器的初級繞組供電，同時通過瞬態電壓抑制器VDZ1和二極管VD1將漏感產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，再由穩壓二極管VDZ2、光電耦合晶體管IC2和R1組成的穩壓電路進行穩壓。

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為切換橋可調電阻，通過繼電器K1、K2分別控制R3、R4的投切。R2C、RW1和R42串聯為正極對地電阻，R1C、RW2和R41串聯為負極對地電阻，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，使系統正負極產生一個特殊的對地電壓信號，該信號通過系統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中的TOP224P開關芯片、穩壓電路、反饋電路、過欠壓保護以及過溫保護等CPU控制TOP224P芯片產生脈沖寬度調節電壓，經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。調整TOP224P產生的脈沖寬度，使輸出電壓達到預值，經過溫、過壓、欠壓以及短路保護電路后，輸出到負載。當出現過溫、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據信息，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的正、負極產生變化的對地電壓，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。本產品彌補了傳統試驗電源不具備絕緣檢測功能的不足，對電力生產安全具有積極意義。