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基于MSP430的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間:2011-11-22

中心議題:
  • 基于MSP430的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)
  • 討論直流接地檢測(cè)系統(tǒng)工作原理
解決方案:
  • 直流接地檢測(cè)系統(tǒng)和絕緣的電阻檢測(cè)技術(shù)

直流電源系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為電力生產(chǎn)過(guò)程中的控制設(shè)備、保護(hù)設(shè)備等供電。絕緣性能下降和直流母線(xiàn)接地是直流電源系統(tǒng)常見(jiàn)的故障。一旦直流電源發(fā)生故障后,會(huì)影響控制設(shè)備和保護(hù)設(shè)備的正常工作,故障嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致控制設(shè)備的錯(cuò)誤控制和保護(hù)設(shè)備的拒保護(hù),從而引發(fā)生產(chǎn)事故。因此對(duì)直流電源系統(tǒng)的絕緣性能檢測(cè)和接地檢測(cè)是值得重視的問(wèn)題。常見(jiàn)的直流接地檢測(cè)系統(tǒng),多采用平衡電橋原理檢測(cè)母線(xiàn)的絕緣電阻,采用雙頻探測(cè)原理檢測(cè)支路的絕緣電阻,并查找接地支路。但平衡電橋原理不能檢測(cè)正負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻等比例下降情況下的電阻值,而雙頻探測(cè)原理需要向系統(tǒng)中注入交流信號(hào),會(huì)加大直流電源系統(tǒng)的紋波。本文介紹的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)采用“平衡-不平衡法”檢測(cè)母線(xiàn)電壓,采用漏電流傳感器檢測(cè)支路絕緣電阻,有效地克服了上述方法的缺陷。

直流接地檢測(cè)系統(tǒng)主要用于測(cè)量直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻、檢測(cè)母線(xiàn)接地故障。具體檢測(cè)內(nèi)容包括:測(cè)量正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地電壓、正負(fù)母線(xiàn)電壓差、正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地絕緣電阻、各支路對(duì)地絕緣阻值。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),判斷接地母線(xiàn)的正負(fù)極性和并查找具體接地支路。

1 直流接地檢測(cè)原理

1.1 直流接地檢測(cè)系統(tǒng)工作原理


直流供電系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境中工作,線(xiàn)路、連接器、接線(xiàn)端子、刀閘等會(huì)產(chǎn)生老化,從而導(dǎo)致正負(fù)母線(xiàn)的絕緣性能降低,對(duì)地絕緣電阻減小,產(chǎn)生漏電電流。漏電流的產(chǎn)生將會(huì)引起流入和流出用電負(fù)載的電流不一致(部分電流經(jīng)過(guò)絕緣電阻流入大地)。非接觸式直流漏電流傳感器,能夠把流入和流出傳感器的直流電流差感應(yīng)成直流電壓。這樣在每個(gè)用電負(fù)載的輸入和輸出線(xiàn)路上安裝一個(gè)非接觸式直流漏電流傳感器,就能檢測(cè)出每個(gè)用電負(fù)載或者線(xiàn)路的漏電流。直流接地檢測(cè)系統(tǒng)則根據(jù)漏電流傳感器的感應(yīng)電壓求出漏電流的大小。然后通過(guò)“平衡-不平衡法”檢測(cè)出正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地電壓,根據(jù)母線(xiàn)電壓和漏電流求出各個(gè)支路絕緣電阻的大小。


1.2 平衡-不平衡法絕緣電阻檢測(cè)原理

平衡-不平衡檢測(cè)法,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi),順序往被測(cè)線(xiàn)路中接入不同的平衡與不平衡電阻網(wǎng)絡(luò),并同時(shí)測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)A的電壓Un,根據(jù)接入的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和測(cè)得的Un電壓值,可以計(jì)算出母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻。該方法能夠有效地克服電橋平衡原理檢測(cè)法不能檢測(cè)正負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻同比例下降的缺陷,也避免了雙頻探測(cè)法對(duì)直流供電系統(tǒng)供電紋波的影響。平衡-不平衡檢測(cè)法檢測(cè)流程,如圖2所示。
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如圖2所示,U+和U-為被測(cè)線(xiàn)路的母線(xiàn)供電電壓,正常工作時(shí)兩母線(xiàn)間的電壓差Ux+y為440 V,且隨蓄電池內(nèi)阻變化。Rx,Ry分別為被測(cè)線(xiàn)路的正母線(xiàn)絕緣電阻和負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻。正、負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻反映的是64路的正、負(fù)支路的總體絕緣性能,等效于各個(gè)支路的正、負(fù)絕緣電阻的并聯(lián),正常時(shí)兩母線(xiàn)絕緣電阻>20 kΩ。Ux和Uy為正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地電壓,大小隨正負(fù)母線(xiàn)的絕緣電阻變化,但兩母線(xiàn)電壓差恒定為Ux+y。為了檢測(cè)正負(fù)母線(xiàn)電壓Ux,Uy,Rx,Ry,系統(tǒng)采用了“平衡-不平衡檢測(cè)法”檢測(cè)母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻。計(jì)算公式如式(1)所示。
K1,K2接通,K3,K4,K5斷開(kāi)時(shí),(接入平衡電橋)
  
K1,K2,K3,K5接通,K4斷開(kāi)時(shí),(接入不平衡電橋)
  
K1,K2,K4,K5接通,K3斷開(kāi)時(shí),(接入不平衡電橋)
  
聯(lián)合式(1)~式(3)解方程可以求出
  
根據(jù)歐姆定律及分壓原理可以求出
  


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

直流接地檢測(cè)系統(tǒng)采用低功耗處理器MSP430F149為硬件核心,外圍電路可分為數(shù)據(jù)采集模塊、人機(jī)交互模塊、處理器模塊。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)64路支路的漏電流、母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)絕緣電阻;人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行液晶顯示和鍵盤(pán)輸入;處理器模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)存儲(chǔ),人機(jī)交互等。具體的硬件結(jié)構(gòu)框圖,如圖3所示。
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正負(fù)母線(xiàn)電壓檢測(cè)。正母線(xiàn)、負(fù)母線(xiàn)、地線(xiàn)經(jīng)過(guò)“平衡-不平衡”檢測(cè)電橋后,由電位器對(duì)檢測(cè)點(diǎn)A的電壓進(jìn)行分壓,得到便于采集的低壓直流信號(hào)。正負(fù)母線(xiàn)相對(duì)于地的電壓超過(guò)了人體的安全電壓,為了減少處理器與檢測(cè)電橋部分的連接,系統(tǒng)采用壓頻轉(zhuǎn)換器對(duì)分壓后的信號(hào)進(jìn)行采集。由于采用了壓頻轉(zhuǎn)換器,只需要一根信號(hào)線(xiàn),一個(gè)光電耦合器件就能夠?qū)崿F(xiàn)母線(xiàn)電壓的檢測(cè),提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)分壓后的低壓直流信號(hào)由電壓/頻率變換器AD7740轉(zhuǎn)換成頻率隨輸入電壓成線(xiàn)性關(guān)系的方波信號(hào)。該方波信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離再送處理器,避免母線(xiàn)的高壓對(duì)操作人員造成傷害。處理器對(duì)方波信號(hào)測(cè)頻,并換算成檢測(cè)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的電壓,最后根據(jù)3次測(cè)得的A點(diǎn)電壓及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算出母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻。

64路支路漏電流檢。非接觸式漏電流傳感器送過(guò)來(lái)的直流感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)8個(gè)8選1模擬開(kāi)關(guān)(CD4097)選擇,形成8路直流電壓信號(hào)。為了降低ADC芯片輸入阻抗對(duì)測(cè)量精度的影響,用高輸入阻抗的運(yùn)放對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行射隨緩沖后送到A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543的8個(gè)模擬信號(hào)輸入端。A-DC芯片內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行通道切換,循環(huán)采集8個(gè)輸入端的模擬信號(hào),采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI串行通信總線(xiàn)送處理器MSP430F149。

人機(jī)交互模塊分為L(zhǎng)CD顯示和矩陣鍵盤(pán)。LCD也為串行SPI接口,與ADC芯片共用一個(gè)SPI接口,通過(guò)I/O口片選區(qū)分。LCD主要用于循環(huán)顯示當(dāng)前的正負(fù)母線(xiàn)電壓,正負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻,當(dāng)前的時(shí)間,絕緣電阻異常的支路號(hào)。鍵盤(pán)采用4個(gè)I/O接口對(duì)2×2的矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行掃描,用于輸入絕緣電阻報(bào)警的上下限。母線(xiàn)電壓報(bào)警的上下限,選擇需要查看的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

處理器模塊分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ),實(shí)時(shí)日歷鐘,系統(tǒng)復(fù)位,系統(tǒng)供電,JTAG調(diào)試接口等。當(dāng)系統(tǒng)的母線(xiàn)電壓或者絕緣電阻異常時(shí),儀器將會(huì)自動(dòng)記錄當(dāng)前的母線(xiàn)電壓,母線(xiàn)絕緣電阻,異常的支路號(hào)和當(dāng)前的故障發(fā)生日期,并將其存儲(chǔ)到EEPROM中,以便日后查詢(xún)使用。實(shí)時(shí)日歷鐘芯片用于提供發(fā)生故障異常的時(shí)間記錄來(lái)源,并可供日常顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了MSP430F149處理器作為系統(tǒng)控制中心,在軟件設(shè)計(jì)中利用了該單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大的優(yōu)點(diǎn),便于對(duì)64路漏電流傳感器采集的數(shù)據(jù)、母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。主程序中首先完成的是各個(gè)模塊的初始化,主要包括液晶顯示器初始化、模擬切換開(kāi)關(guān)初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化。為了確保系統(tǒng)工作的可靠性,系統(tǒng)在上電后首先進(jìn)行自檢,保證系統(tǒng)中的各個(gè)部分硬件電路正常后,將會(huì)自動(dòng)進(jìn)入直流接地檢測(cè)狀態(tài),否則顯示自檢失敗信息提示操作人員。

整個(gè)程序的編寫(xiě)均由C語(yǔ)言完成,在程序設(shè)計(jì)中,采用了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法,使各個(gè)模塊程序相對(duì)獨(dú)立,便于程序代碼的維護(hù)、移植和升級(jí)。同時(shí),這樣分離式的程序設(shè)計(jì),降低了代碼的調(diào)試難度,縮短了調(diào)試周期。將與接地故障信息(如母線(xiàn)電壓,母線(xiàn)絕緣電阻,支路絕緣電阻,接地支路號(hào)等)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體里,便于掉電存儲(chǔ)與回放顯示。系統(tǒng)的主程序流程圖,如圖4所示。
4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了達(dá)到好的測(cè)試效果,A/D采集必須達(dá)到一定的測(cè)試精度,圖5是A/D采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試誤差分析曲線(xiàn),從圖中可以看出,A/D采集的誤差約20 mV,屬于正常范圍,因?yàn)橄到y(tǒng)采用8位A/D,5 V基準(zhǔn)電壓。這個(gè)采樣精度滿(mǎn)足整體的設(shè)計(jì)要求。
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在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,采用110 V的穩(wěn)壓直流電源模擬蓄電池直接供電,可知U1=110 V,采用一組電阻分別關(guān)聯(lián)在正負(fù)母線(xiàn)與地線(xiàn)之間,模擬正負(fù)母線(xiàn)的絕緣電阻,其中1~4組模擬正負(fù)母線(xiàn)均接地的情況,第5組模擬無(wú)母線(xiàn)接地的情況,第6、7組模擬負(fù)母線(xiàn)接地的情況,第8、9組模擬正母線(xiàn)接地的情況,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由1~5組可知,當(dāng)絕緣電阻大時(shí),測(cè)試相對(duì)誤差略有增大,這是因?yàn)椴蓸覣/D的輸入阻抗較小,因此當(dāng)測(cè)試電阻較大時(shí)造成誤差相對(duì)大些。另外,當(dāng)負(fù)母線(xiàn)的絕緣電阻<30 kΩ、負(fù)母線(xiàn)絕緣電阻正常時(shí),前者的測(cè)量效果差些。因?yàn)榇藭r(shí)實(shí)際測(cè)得的電壓U2和U3都較小,A/D采樣的相對(duì)誤差大一些,所以電阻的誤差也大一些。不過(guò)遠(yuǎn)好于平衡橋法無(wú)法發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)接地的情況,可以正卻發(fā)現(xiàn)接地。絕緣檢測(cè)的環(huán)境下,只要絕緣電阻>20 kΩ即認(rèn)為絕緣良好,因此對(duì)于絕緣檢測(cè)的應(yīng)用環(huán)境,本系統(tǒng)能夠比較精確的測(cè)試各路的絕緣電阻,完全滿(mǎn)足應(yīng)用環(huán)境的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)


文中所介紹的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)和絕緣的電阻檢測(cè)技術(shù),不論何種形式的絕緣電阻,均能得出相對(duì)精確的測(cè)試結(jié)果,很好地解決了傳統(tǒng)的平衡電橋檢測(cè)法及雙頻探測(cè)法所存在的問(wèn)題。這一方案不僅可應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè),同樣可應(yīng)用于鐵道部門(mén)、電信部門(mén)的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)和接地檢測(cè)。
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