（精密仪器及机械专业论文）直流系统绝缘监测装置的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 直流系统是发电厂、变电站和通信基站中一个重要组成部分，为电力系统和 通信系统中信号装置、继电保护装置和控制装置等重要负载提供工作电源。直流 系统工作状况好坏直接影响电力系统和通信系统安全、可靠和高效运行。直流接 地是直流系统常见的故障，可能造成控制回路和继电保护装置的误动作，从而引 发严重的事故。因此必须对直流系统绝缘状况进行长期在线监测。目前国内厂家 生产的直流系统绝缘监测装置普遍存在测量精度低、寻检速度慢、价格偏高等缺 点。微处理器技术飞速发展和微弱信号检测技术不断完善为改进直流系统绝缘监 测装置性能和降低成本提供了空间。本课题研究了在工业现场强噪声干扰环境下， 微弱信号的检测技术：在此基础上，采用大规模s o c 技术和集成电路应用技术， 结合现代电路设计方法，开发设计了一种高性价比的直流系统绝缘监测装置。 本文首先介绍了直流系统及直流系统绝缘监测的发展现状。之后，结合直流 系统漏电信号的特点和工业现场的强噪声干扰，讨论了相应的微弱信号检测方法。 在此基础上，本文重点分析了直流系统绝缘监测装置的硬件电路设计，并对器件 和参数选择作了具体说明；同时对整个系统的软件框架和各个子系统的软件流程 做了详细分析。最后对系统的定标和现场调试结果进行了分析。 本系统设计的突出之处在于：在直流母线漏电信号检测方面，采用工f 交矢量 锁相放大的方法，极大地提高了系统对直流母线绝缘电阻的检测精度和检测范围； 在信号处理电路设计方面，系统采用了多路并行处理模式，有效地提高了系统对 支路的寻检速度，两方面的结合成功实现了系统快速支路寻检和高精度测量的统 一：同时采用大规模s o c 设计思路，使整个系统电路设计相对简单，实现了成本 降低。 现场综合调试结果表明，母线绝缘电阻0 1 0 k e 2 时，测量误差小于5 ， 1 0 1 0 0 k e 2 时，测量误差小于1 0 ，大于1 0 0 k f 2 时，测量误差小于1 5 ，各项性 能指标完全符合设计要求。 关键词：直流系统，相干检测，正交矢量锁相放大，绝缘监测 a b s t r ac t a st h ep o w e rs u p p l yo ft h e c o n t r o l l i n gs y s t e m ，t h es i g n a ls y s t e m ，t h ep r o t e c t s y s t e m ，t h ed cs y s t e m i nt h e p o w e rp l a n t s ，t h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sa n dt h e c o m m u n i c a t i o n t r a n s m i t t i n gs t a t i o n sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e t h er u n n i n gs t a t u so ft h e d c s y s t e md i r e c t l yc o n c e r n st h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee l e c t r i cs y s t e m sa n dt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ti s c r i t i c a l l yi m p o r t a n t t oe n s u r et h a tt h ed cs y s t e m s i n s u l a t i o nb ea l w a y si ng o o dm o d e 。a ni n s u l a t i o nm o n i t o rf o rt h ed c s y s t e mi su s e dt o m o n i t o rt h ed cs y s t e m si n s u l a t i o nb yo n - t i m em e a s u r i n gt h ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c e b e t w e e nc e r t a i n s p o t s i nt h ed cs y s t e ma n dt h e g r o u n d a tp r e s e n tt i m e ，t h e p e r f o r m a n c e o f d e v e l o p e d i n s u l a t i o nm o n i t o r ss t i l lh a sm u c ht ob ei m p r o v e dt om e e tt h e p r a c t i c a ln e e d s h i g h e rm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，w i d e rm e a s u r e m e n tr a n g e ，s h o r t e r m e a s u r e m e n tt i m e ，a sw e l la sl o w e rc o s ta n dm o r ec o n v e n i e n to p e r a t i o nh a v ea l w a y s b e e np u r s u e d a tt h es a m et i m e ，t h ef a s td e v e l o p m e mo fm p ua n dw s d t e c h n o l o g i e s m a k ei tp o s s i b l et oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fa ni n s u l a t i o nm o n i t o rg r e a t l y m e t h o d s t od e t e c ta n dp r o c e s sw e a ks i g n a l si nt h ec i r c u m s t a n c eo fs t r o n gn o i s ea r es t u d i e da n da h i g hp e r f o r m a n c e i n s u l a t i o nm o n i t o ri sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n d o ft h ed cs y s t e ma n dt h e d e v e l o p m e n t s t a t u so ft h e i n s u l a t i o nm o n i t o ra r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed cl e a k c u r r e n ts i g n a lf e a t u r e sa n dt h es t r o n gn o i s ei nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，p r o p e rw e a ks i g n a l d e t e c t i o nm e t h o d sa n dt h e i rp r i n c i p l e sa r ed i s c u s s e d t h e n 廿1 ed e t a i l so ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na r ed e s c r i b e d a n df i n a l l y , t h es y s t e mc a l i b r a t i o nm e t h o di s n a r r a t e da n dt h ec a l i b r a t i o nd a t aa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d t h eo u t s t a n d i n go ft h e d e s i g n r e l i e si n t h a t ，t h eq u a d r a t u r e v e c t o rl o c k i n a m p l i f y i n ga n a l y s i si se m p l o y e di nt h el e a kc u r r e n ts i g n a lp r o c e s s i n g m u l t ic h a n n e l s o a r a l l e lp r o c e s s i n gp a r e r ni si n t r o d u c e dt ot h eh a r d w a r ed e s i g nt oi m p r o v ep r o c e s s i n g s p e e do f t h es y s t e m t h et w of a c t o r sa r ec o m b i n e dt oe n s u r et h es p e e da n da c c u r a c yo f p r o c e s s i n g a tt h es a m et i m e ，t h el a r g es i z e s o ci sa p p l i e di nt h eh a r d w a r ed e s i g nt o l o w e rt h ep r i c e t h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h i si n s u l a t i o nm o n i t o rf o rd cs y s t e mh a v eb e e n p r o v e dw i t h f i e l dc o m p r e h e n s i v et e s t i n g k e y w o r d s ：d cs y s t e m ，q u a d r a t u r ev e c t o rl o c k - i na m p l i f y i n g ，i n s u l a t i o nm o n i t o r i n g ， p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t i o n ( p s d ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名易氖川a 签字慨2 。哆年 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储签名易己刚a 签字日期：2 d 哆年7 月f c 7 同 l ，批尹j ，寸 师 字 导 签 一茎鲨查堂堡主鲎丝堡塞苎二皇竺笙 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的迅速发展。电力系统和通信系统发挥着越来越重要的作用。 直流系统是发电厂、变电站和通信基站中一个重要组成部分，为电力系统和通信 系统中信号装置、继电保护装置和控制装置等重要负载提供工作电源，直流系统 r 作状况好坏直接影响电力系统和通信系统的可靠、安全和高效运行。直流接地 ( 直接接地或对地绝缘电阻下降) 是直流系统常见的故障，可能造成信号装置、 控制回路和继电保护装置的误动作，从而引发严重的事故 州，所以对直流系统进 行长期在线绝缘监测具有重要的意义。 1 1 1 直流系统运行简介“。 直流系统主要出蓄电池组、充电浮充电装置以及馈电支路开关和熔断器等组 成。为保证电力系统和通信系统的安全可靠性，发电厂、变电站、通信基站中的 继电保护装置、自动装置、信号装置、事故照明装置和电气设备远距离操作，一 般都采用一套以直流电作为操作电源的直流系统。直流系统般采用蓄电池充当 电源，当发电厂、供电站和通信基站发生事故时，即使在交流电源全部停电的情 况下，也能保证直流系统的用电设备可靠而连续地工作。另外，无论多么复杂的 继电保护装置、自动装置和断路器进行远距离操作时，均可用直流电作为操作电 源。如果用交流电作为操作电源，不仅不能满足复杂的继电保护和自动装置的要 求，而且对重型断路器的远距离操作不可靠，此外，当交流电源全部停电时，还 有失去操作电源的危险。 直流系统一般采用二段母线，通过母联开关并列运行。发电厂、供电站和通 信基站对直流系统的运行采取两种方式：一种是充放电方式；另一种是浮充电方 式。采用充放电方式运行时，蓄电池组同直流母线连接在一起，蓄电池组直接为 负载提供工作电源，充电机组则与直流母线断开，需要充电时，启动充电机组， 向蓄电池组充电以保正其能量充足。采用浮充电方式运行时，浮充电源与蓄电池 并列运行于直流母线上，浮充电源方面给经常性的直流负荷供电，另一方面以 很小的电流向蓄电池充电，以补充蓄电池自放电损耗的能量，当直流系统中有较 大的冲击性直流负荷或浮充电源短时停用时，直流负载由蓄电池供电，直至浮充 电源恢复工作。 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 直流接地的危害性1 在发电厂、供电站、通信基站，直流接地故障多为直流系统中出现某一点与 地短接或对地绝缘电阻下降，发生一极接地并不会立即引起任何危害，但极接 地长时间工作是不允许的，因为在同一极的另一点再发尘接地时，就可能造成以 下严重危害： 1 造成信号装置、继电保护和断路器的误动作 直流系统中，如果发生一点接地后，在同一极的另地点再发生接地或另一 极点接地时便构成两点接地短路，将造成信号装置、继电保护和断路器的误操 作。如图1 1 所示： - _ 上 图1 1 直流系统接地情况图 k 一控制开关；x j - 信号继电器：l j l 2 一电流继电器；z j - - 中间继电器； t q 一跳闸继电器；d l 一断路器辅助接点；r d i 2 一熔断器：k m 一直流控制 母线；r 一电阻 当直流接地发生在a 、b 两点时，将电流继电器接点l j l 、l j 2 短接，中间继 电器z j 启动，其常开点z j 闭合+ 由于断路器在合闸位置，其辅助常开接点d l 是 闭合的，这样直流正电源+ k m 经z j x j l p d l7 一t q 一一k m 形成通 路，使断路器分闸。当a 、c 两点接地时，z j 接点短接，直流正电源+ l ( m 经z j x j l p d l7 一t q 一一k m 形成通路，使断路器分闸。在a 、d 两点及d 、f 两点等处接地时，同样都能造成断路器误跳闸。 丕! 皇查堂堡主堂丝丝苎 釜二兰堑堡 2 两点接地可以引起断路器拒绝动作 如图1 一l 所示，接地发生在b 、e 两点或d 、e 两点及c 、e 两点时，则将跳 闸回路短路，造成保护拒绝动作而越级跳闸，以致发生重大事故。 3 两点接地引起熔断器熔断 如图l l 所示，当接地发生在a 、e 两点时，会引起熔断器熔断。当接地点 发生在1 3 、e 和c 、e 两点，保护动作时，不但断路器拒绝跳闸，而且熔断器熔断， 同时有烧坏继电器触点的可能。 由于直流系统故障接地会造成诸多危害，当直流系统一点接地时，就必须迅 速寻找尽快消除接地故障，防止发生两点接地。为此各发电厂、供电站和通信 基站的直流系统均需配备直流绝缘监测装置，实时寻检直流系统的故障接地点， 迅速确定接地的发生并找到接地点的位置，迅速消除故障。 1 2 直流系统绝缘监测现状 1 2 1 检测原理的研究现状“1 在直流系统绝缘监测研究领域，国内科研人员对检测方法进行了广泛深入的 探索，取得了一些成果，有些方法已经在电力系统和通信系统的绝缘监测中得到 了应用，有些方法还有待于进一步的试验和完善。从国内目前的研究现状来看 主要有以下几种方法： 1 平衡电阻法原理m 1 平衡电阻法原理就是在_ i _ i 三、负母线之间人为地接入一个电阻桥路，桥路中间 点连接系统参考地。正、负母线绝缘状况良好时，电阻桥处于平衡状态，当正、 负母线出现接地现象( 直接接地或对地绝缘电阻下降) 时，电阻桥端电阻相当 于平衡电阻和母线对地电阻的并联，电阻桥另一端电阻仍为平衡桥电阻，这样电 阻桥的平衡就被打破。电阻的不平衡直接反映在f 、负母线电压值的不相等上。 平衡电阻法得到了广泛的应用。但存在以下主要缺点： 1 ) 装置只能判断整个系统的绝缘状况，不能直接确定接地点，必须进行拉开直流 线路，逐一确定接地点，因此，用拉路法查找接地支路，要考虑直流系统缺电 的影响。 2 ) 当直流接地发生在充电设备、蓄电池本身和直流母线上时，用拉路的方法是找 不出接地点的。 2 量! 二! 兰堕主堂堡堡苎 笙= 雯鳖堡 3 ) 对发生两点接地、多点接地或多点虚接地的绝缘不良现象时，用拉路法也很难 找到接地点。 4 ) 当直流系统正、负母线对地绝缘电阻均等下降时，该装置无法发出报警信号。 因此，平衡电阻法适合在支路数不多、继电保护和自动装置回路简单、自动 化水平比较低及对供电可靠性要求不高的小电站使用。在大电站，主要起预告接 地事故的作用。并配合其他接地方法来查找接地故障。 2 低频探测法原理” 低频探测法在实际应用中有两种实现方式，即用钳形电流探测头检测和在直 流回路中安装传感器检测。 1 ) 用钳形电流探测头检测 当直流系统的绝缘监测装置发出接地报警信号之后，在直流故障母线和地之 间注入一低频交流信号( 一般为1 0 h z 左右) ，低频信号由低频信号发生器流出， 经过直流系统从接地点返回，如图1 2 所示。用钳形电流探头逐点检测，对低频 信号的走向进行寻迹，找到接地支路并根据接地点前后低频电流出现明显的差别 来确定接地点。 十 a b d i 信 【 l钳形电流 。 i _ 或电流互 i 发兰器l( )( 一 )( 、 r jr c 由 图l 一2低频探测原理中的钳形电流探头法 探头 感器 该方法实现了不停电查找接地点，但其检测的准确性受系统分布电容影响很 大。例如：注入母线的低频信号频率为f = 1 6 h z ，幅值为j u ，某一支路经r k = 1 0 k q 的电阻接地，经过支路的低频电流值为1 _ 瓦u 2 1 。4 u ( a ) ，假定另一支路对地 电容为c ，则流过相同电流时，相应的电容c 值可求出为 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 c = 等= 0 9 9 1 0 - 6 f = 1 旷，因此，当某一支路对地分布电容达吼若 另一支路发生2 0 kq 的接地故障时，用该方法是无法确定接地支路的。 2 ) 在直流回路中安装传感器检测 这种方法在直流系统支路上固定安装传感器，其原理如图l 一2 所示。传感器 为毫安级交流电流互感器( c t ) 。穿过c t 的直流分量在二次侧不会引起反应。当 往f 、负母线平衡注入一个低频交流信号( 经过隔直电容) 后，假如直流母线对 地绝缘状况良好，直流母线上只有交流电压，并没有交流电流流过，因此二次侧 是不会有反应的；如果直流母线对地绝缘状况下降，直流母线上不仅有交流电压， 而且有交流漏电流，这时，在c t 的二次侧能够检测到各支路低频电流的幅值和相 位。对于检测到各支路的电流由微机计算出有功分量( 由于直流系统中静态继电 保护装置存在大量抗干扰电容以及直流母线本身存在分和电容，所以电流中存在 无功分量) i r t j ( j = l ，2 3 ，n 支路) ，再利用r 目= ，计算出各支路的绝缘电阻r r j 。 卅 3 变频探测法原理” 变频探测法的原理是，当绝缘监测装置发出接地报警信号之后， ( 丁f 母线或负母线) 交替注入两个频率不同、幅值相同的交流信号， 压信号的幅值为u ，频率分别为f l 、f 2 且f 2 f j 。 设某支路对地电容为c ，正常情况下，支路电容电流分别为 一itl 2 x j c u ：五( f 2 f i ) ( 1 1 ) ，2 矾c u 厂 + u c 往直流母线 假设低频电 图1 - 3 接地等值电路 当在该支路末端发生接地故障时，其等效电路如图1 3 所示，若分别注入频 2 堡坠! 塑堂堡笙塞 墨二童箜堡 率为 f j 、f 2 的交流信号时，流过支路的电流为，、，：，则有 ，1 ， ( 警) 2 + ( 2 a f c u ) 2 一 ( 罢) ：+ ( 2 u l c u ) ： j 1 + ( 2 顽r c ) ! 1 + ( 2 矾r c ) 2 ( 12 ) 凼此，根据公式( i 2 ) 。 知，出现接地故障后，两个不同频率电流的比值大 于f 常情况下两个不同频率电流的比值，可以利用这一特点来检测接地支路。 这种方法，从原理上看是可行的，基本解决了“低频探测原理”中的不足， 但在实际应用中，效果却不理想。关键在于当系统分布电容很大时有： l i 。m ，笔兰! ! 堑! 呈! i 一：粤： 而当接地电阻很大时有： 。+ 。“书“1 + ( 2 瓠r c ) 3 疋，! 一。“ i 盟。! 些：拿： 因此，随着接地电阻或直流线路对地分布电 “2 常“, 1 + ( 2 矿奠c ) 2 疋，2 一 。一。 容的增大，将无法识别每 每，这样就无法查找接地支路。经推导 利用这 种方法所能查找的接地电阻范围由下述公式获得r 丢拓丢吾等，其中 尝 口 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 4 霍尔磁式平衡法原理”3 霍尔磁式平衡法的基本原理如图1 4 所示。观察直流系统任一支路，从电源 f 端流出的电流i 流经支路全部负载后，返回电源负端的支路电流为il _ ，当该 支路没有接地电流时，i l + = il ，穿过传感器的电流大小相等，传感器无输出。而当 发生接地故障时，假设接在正极母线上的支路经电阻r 接地，接地电流为i 。，则 i l + = i l + i r ，流经传感器的电流大小不等，传感器输出一个反应该差值i r 大小和方 向的信号。据此判断出接地电阻的大小和接地支路的极性。 u u i r r u 驽案 、 广 圈1 4霍尔磁式平衡原理 霍尔磁平衡式检测方法具有以下优点： 1 ) 无须向直流系统注入低频交流信号，与被测系统没有任何电气联系。 2 ) 由于传感器检测的是直流接地信号( i r ) ，因此与系统分布电容无关。 霍尔磁平衡式检测方法也存在自身的缺陷： 1 ) 抗干扰能力差。主要有现场电磁干扰和直流母线的纹波电压干扰，为了抑制干 扰，采取的处理措施非常复杂。 2 ) 传感器输入( 被测直流母线漏电流) 与输出二次谐波电压之间的关系为非线性， 且每个传感器的特性参数离散性较大，使用前必须逐个进行测试标定。每个传 感器的标定参数必须记录在控制程序中，若增加或更换个传感器则需对控制 软件进行修改，使用维护很不方便，系统适应性差。 3 ) 直流电流传感器误差较大。采用磁平衡原理，做成有源传感器当一次侧有电 漉变化或有电流冲击时，易发生剩磁变化，尤其传感器无源时，受电流冲击后， 剩磁变化更大。这种剩磁变化会严重造成电流、电压放大器及a d 转换器的直 流偏移，致使用上述方法做成的选线装置零点不断漂移，必须及时调节装置的 零点及传感器特性，才能保证选线装置的精度及稳定，不仅给现场带来极大的 不便，而且造成选线装置的不准。 天津人学硕士学位论文 第章绪论 5 振荡频率探测法原理“” 振荡频率检测法的基本原理是将传感器套穿在各直流支路的正、负母线上， 当支路绝缘水平正常时，穿过直流传感器的真流电流大小相等、方向相反( 规定 穿过线圈一端的电流为i + ，其相反方向为i ，两个电流的合成为i ) ，此时传感 器中的合成直流磁场为零，其输出也为零；当回路中出现台成直流电流时，输出 就不为零，而为i = ( i + 一i 一) ，这样可通过巡回检测各支路传感器的输出是否为 零，来判断直流系统接地故障支路。振荡频率检测法的关键在于智能传感器的设 计上。传感器的主要检测部件是一个线圈，线圈是振荡电路中的重要部件，被测 支路导线从线圈的中心通过当支路的合成直流电流波动i 时，所产生的磁通量 变化为中，同时线圈电感变化为k ，振荡电路的频率电路就会发生改变，通 过检测出的频率变化量即可以计算出通过的电流值大小。 理想的情况下，有下列关系式成立： = 器口2 ( 1 3 ) ，= 半 ( 1 4 ) 厂= 意r l 1 12l ( 1 5 ) 7 4、( 】( n + ( ， 1 r 是铁，d 环的半径：n 是线圈匝数 “是铁心磁导率；口是铁心环形螺线管的横界面i p 径 试验证明线圈电流与振荡频率之间存在着非线性关系，因此直接测量电流比 较困难。一般采用的方法是先测试出频率与相应的电流之浏的关系，利用曲线的 分段线性化得出几个区间的线性方程，然后通过把计算的频率与表格中的数值进 行分析比较，得出合适的计算方程，最后通过方程计算出实际电流值。振荡频率 探测法具有以下优点： 1 ) 无须向直流系统注入低频交流信号，与被测系统没有任何电气联系。 2 ) 由于传感器检测的是直流接地信号( i r ) ，因此与系统分布电容无关。 3 ) 系统电路实现相对简单，体积小，性能价格比高。 当然，振荡频率探测法在实际应用中也还存在一些问题： 1 ) 线圈与电流之间存在非线性关系，即使采用分段线性化的处理方法，也还是给 计算处理结果的准确性带来一定难度。 2 ) 线圈容易产生老化( 主要为线圈的发热损耗) 问题，导致其灵敏度降低，比例 系数k 下降，需要定期更换线圈。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 6 相位差磁调制检测法原理 相位差磁调制检测法是基于如下原理进行直流母线漏电流检测的：在交变对 称电压或电流源激磁的铁芯中，若同时存在直流恒定磁场，铁芯中交变磁通波形 的_ j f 负半波相位将发生变化，相应地检测绕组输出电压中正、负半波将发生相对 相移。正负半波相位变化的大小和方向反映直流偏置电流的大小和方向。利用这 一特性便可实现对直流母线漏电流的测量。下面对该测量方法进行简要介绍。 在理想磁化曲线和三角波恒定交流激励下，磁调制器铁芯磁化波形为对称三 角波，如图l 一5 所示。图中t 为三角波恒定交流激励的周期；h 。为激磁磁场的 幅值，h b 为铁芯的饱和磁场强度：t + 为磁调制器输出电压u 相邻的j 下、负矩形脉 冲之间的间隔。 h 0 n j h m i j 们 j吉7t t z i 【 tq+ s刽i 入：7 v 图1 5磁调制器铁芯磁化波形 当被测直流为零时，直流恒定磁场h o = o 磁调制器输出电压u 为f 、负相问 的矩形脉冲列，t + = t 2 ，如图l 一6 所示。 当存在直流磁场h o ( 如日。卜0 ) 时，铁芯中h 的波形将向上平移h o ，如图1 5 所示。由于在三角波恒定交流激励下有7 “e = 鲁= 争，h 波形中上升段和 下降段过零点分别前移和后移6 = 熹+ 丁，相应地，电压u 中的正、负矩形脉冲列 相对移相。且移相幅度相等，都为占，如图1 6 所示。 l l h 一 。 一k7 l t o 6 山 7 图i 一6磁调制器输出电压波形 天津大学硕士学位论文第一章绪论 此时。 ，- 2 6 = 为 ( 1 6 ) 出一一，+ 一的变化量：i 。，一一激励电流的幅值 由此就可得， ，= 簪a t ( 1 7 ) 因此，由出的大小及i _ f 负就可以判断直流被测量的大小和方向，可以通过检 测，来测量直流电流，公式( 17 ) 即相位差磁调制器式直流测量方法的工作原理。 从公式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 可见，i 与，之间的关系为标准的线性关系。相位差磁调 制式检测法具有如下优点： 1 ) 系统装置与直流系统完全独立，不会对被测系统带来任何影响，也不影响直流 系统原有的绝缘监测继电器的运行和作用功能。 2 ) 系统对地电容对这种检测方法没有影响。 在实际的应用过程当中，相位差磁调制式检测方法也存在不足之处： 1 ) 传感器抗干扰能力较差，系统对工业现场大纹波电流抑制效果差。 2 ) 传感器铁芯受现场电磁干扰较大，致使磁调制器输出电压波形发生畸变给， 的测量带来难度，直接影响直流电流的计算结果精度。 1 22 国内绝缘监测装置的开发应用” 早在8 0 年代初，我国就已丌始了对直流系统绝缘自动监测仪器的开发研制， 到了8 0 年代术9 0 年代初，随着葛洲坝、三峡水利发电工程的进展以及我国内陆 火力发电厂规模的发展，研制出一套寻检速度快、检测精度高的直流系统绝缘监 测仪器越来越成为我国电力事业发展的迫切需要。 在1 9 8 8 年，按电力部下达的科研项目要求，长江水利委员会与武汉市琴台电 子研制所合作研制成功“w z j 一4 型微机直流系统绝缘监测仪”，并通过技术鉴定， 在当时填补了国内该领域的技术空白。近年来，该所也对监测仪器进行过多次技 术改进。目前国内专业从事直流系统绝缘监测仪器开发生产的公司不多，主要有 武汉市琴台电器有限公司、北京思达星电力自动化有限公司、浙江星炬电力电子 有限公司、大连旅顺电力电子设备有限公司等厂家。但就产品总体性能而言，我 国现有直流绝缘监测仪器的实际现场监测效果不甚理想，主要存在以下些问题： 仪器的检测精度低，尤其在干扰严重的工业现场检测精度很难达到仪器技术参数 所规定的精度要求：仪器的寻检速度慢，在一些挂接负载较多的直流系统，仪器 0 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 对全部支路寻检所需时间过长；仪器电路结构复杂，成本高。 1 ，3 本课题研究的目的和内容 直流系统绝缘监测装置是发电厂、变电站、通信基站不可缺少的设备。随着 我国电力、通信行业的快速发展，直流系统绝缘监测仪器的市场需求越来越大。 目6 u 国内厂家生产的直流系统绝缘监测仪器普遍存在测量精度低、寻检速度慢、 价格偏高等缺点，很难实现对直流系统完全意义上的准确监测。微处理器技术的 飞速发展和微弱信号检测技术的不断完善为提高直流系统绝缘监测装置整体性能 和降低成本提供了空间。研究开发具有检测精度高，寻检速度快性能价格比高 的直流系统绝缘监测装置是直流系统绝缘漏电监测的必然趋势。 本课题以现代微处理器技术、集成电路应用、微弱信号检测为基础，提出了 一种高性能直流系统绝缘监测装置的设计方案：在微弱信号处理方法上，采用f 交矢量锁相放大的方法有效地提高了检测精度；在信号处理电路设计方面，采用 了多路并行处理模式，极大地提高了寻检速度：同时采用大规模s o c ( 片上系统) 使得电路设计简单，成本得以降低。 本论文主要内容包括以下几个方面： 1 ) 绪论部分讨论了直流系统绝缘监测技术的现状和存在的主要问题与不足，提出 了本课题的研究内容和研究意义，同时对系统的设计指标作了介绍。 2 ) 第二章阐述了微弱信号检测的基本原理，并结合直流系统的特点提出了本课题 所采用的测量方法。 3 ) 第三章讨论了系统的信号检测电路，着重分析了直流母线漏电流变换电路，并 对参数选择做了具体说明。 4 ) 第四章详细论述了测量控制系统的设计。结合系统的性能指标要求，选择合适 的芯片和器件，设计了双c p u 结构的直流绝缘监测装置，着重分析了系统的设 计思路。 5 ) 第五章对整个系统的软件设计方案进行了细致分析。主要分析了主单片机管理 控制功能的软件框架，从单片机执行功能的实现流程，主单片机、上位机通信 软件设计和主、从单片机并行通信软件流程。 4 ) 第六章对系统的定标进行和现场调试了讨论。具体介绍了系统定标的原理和过 程，同时对系统性能的现场测试结果进行了分析。 1 4 系统检测原理及技术参数担1 1 上面己对现有的直流系统绝缘检测原理作了介绍，并对各种检测原理的优点 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 和缺点作了详细分析。在综合考虑各种检测原理的成本和可靠性基础上，本系统 采用低频探测原理来实现对直流母线绝缘电阻的检测。 针对目前国内厂家生产的直流系统绝缘监测装置普遍存在测量精度低、寻检 速度慢、价格偏高等缺点，系统在设计上作了重大突破，实现了高精度测量和快 速寻检的统一。具体技术参数如下： 1 ) 在运行模式方面，系统可以运行于四种模式：i 段母线单独运行，i i 段母线单 独运行，i 、i i 段母线单独运行，i 、i i 段母线并联运行； 2 ) 在监测路数方面，系统可以对1 2 8 路负载进行有效的监测，完全可以满足直流 系统的需求： 3 ) 在寻检速度方面，系统平均每路寻检时问为2 秒左右，高于同类产品的寻检速 度，在挂接负载较多的直流系统也可完全满足速度要求； 4 ) 在j 下、负母线绝缘状况同等下降的情况下，系统能启动自动寻检，查找到故障 支路： 5 ) 在直流系统有多路同时接地的情况下，系统能准确查找到故障支路，计算出对 地绝缘阻值； 6 ) 在母线绝缘电阻测量精度方面，0 一1 0 k d 测量误差小于5 ，1 0 1 0 0 彪q 测量 误差小于1 0 ，大于1 0 0 k q 测量误差小于1 5 ； 7 ) 系统使用条件方面，环境温度一1 0 c + 5 5 ，湿度小于9 0 ，大气压为8 0 1 1 0 k p a ； 8 ) 系统功耗和外型尺寸方面，功耗小于8 w ，重量小于5 k g ，外形尺寸( 长宽 深) 4 8 0 1 9 0 3 7 0 ( r a m ) ； 9 ) 通讯接口方面，系统采用带光电隔离技术的r s 4 8 5 通讯接口，保证同上位机现 场通讯的可靠性： 1 0 ) 系统工作电源方面，直接接入a c 2 2 0 v 1 0 5 0 h z 或d c 2 2 0 v 1 0 ； 天津大学硕+ 学位论文 第二章微弱信号检测基础 2 1 概述 第二章微弱信号检测基础 前面已经分析了系统采用低频探测法来实现对直流母线的绝缘检测的原理。 低频探测法的检测过程为：当直流系统发生接地时，系统往直流母线上对地平衡 注入一个低频交流探测信号，直流母线上不仅有交流电压，而且有交流漏电流流 过，这时，套穿在直流母线上的交流电流传感器( c t ) 的二次侧会输出一个与探 测信号同频的微弱电压信号。探测信号的幅值和相位为已知参数，要计算出直流 母线对地的绝缘电阻，由欧姆定理可知，就必须求得直流母线对地漏电流的幅值 和相位。因此，采用低频探测原理检测直流系统绝缘电阻的关键就是计算直流母 线漏电流的幅值和相位。 为了减小直流母线的纹波电压，虽然系统采用了探测信号对地平衡注入的方 式，但是对探测信号的幅值还是作了严格的限制，系统的探测电压信号往往较小； 直流系统要求绝缘监测装置对母线绝缘电阻的检测范围越来越大，因此，流过直 流母线的漏电流是很小的，通过交流电流传感器检测到的电压信号就更加的微弱 了。再者，由于直流系统绝缘监测装置使用场合的特殊性往往存在各种各样的 强干扰i i ( 静电干扰、电磁干扰、磁干扰) 这些干扰会通过各种途径影响传感器 的输出信号。此外，由于直流系统多为功率较大的用电负载，直流母线上往往流 过的是大纹波电流。由于上述因素的影响，交流电流传感器( c t ) 二次侧输出中 的有用信号往往被强噪声淹没，采用传统的检测方法很难实现对其有效检测。因 此，本课题中对直流母线漏电流的检测属于微弱信号检测的范畴。 微弱信号检测| 4 6 | ( w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ) 能测量传统方法不能测量的微弱 信号，因此获得迅速的发展和普遍的重视，目前应用比较成熟的微弱信号检测方 法有以下几种1 4 3 i ：频域信号的相干检测，时域信号的平均处理，离散量的计数统 计，单次信号的并列检测和自适应噪声抵消处理。频域信号相干检测法主要适用 于对频域信号，或者被调制成频域固定频率，：的砸弦信号和其他信号进行检测。 时域信号平均处理方法主要用于对时域信号幅值的测量和信号波形的恢复。离散 量的计数统计方法适用于检测随机或按概率分布的离散信息。对于只有一次事件 的信息记录，如单次闪光的光谱，或者希望在测量的范围内用扫描方式同时获得 结果，这就需要并行检测的方法。自适应噪声抵消处理是自适应信号处理的一种 形式，系统需要一个额外的参考输入，如果参考输入中有干扰噪声电压，那么系 统就能将与信号混杂的干扰成分进行有效的抵消，从而提高信噪比，并对信号不 立塑型苎! ! 生兰垡堡塞 墨兰兰堂塑笪呈笙型苎型 引入畸变。 考虑到各种微弱信号检测方法的适用范围和信号自身的特征，系统采用频域 信号相干检测的方法对直流母线漏电流进行测量。 2 2 相干检测的基本思想n n 对于一个f 弦信号，其数学表达式为 e 。= e ，c o s ( o j o ，+ 0 ) ( 2 1 ) e ，是信号的幅值，。是信号的频率，0 是相位。在弱信号检测的领域中，e 往往 很小，而伴随的噪声往往很大，即测量的信噪比( s n r ) 很小，传统的方法是压 缩带宽来改善信噪比，从噪声中设法辨认有用信号。常用的带通滤波器( b p f ) 和 选通滤波器就是例子，已知信号的频率为。，则b p f 的中心频率也设计为。， 尽量压缩带宽使q 值提高，e = c o 。a c e ( 为带宽) ，从而使大量处于通带两倒 的噪声得到抑制，而检测有用的。信号。 对于电阻白噪声而吉，噪声电压 e 。= ( 4 k t r b ) ”二 ( 2 2 ) 这罩的b n 是带宽。b n 越小( q 越高) ，则p 就相应减小。 例如，信号的频率为2 5 k h z ，伴随的噪声也是宽带的，要设计b n - - - - 0 0 2 5 h z 的b p f ( 中心频率为2 5 k h z ) 是很困难的，因为：首先，此时要求b p f 的o 值为 】0 6 显然不可能；其次，即使q 值可达1 0 6 ，要使b p f 的中心频率国。有1 0 “的稳 定度也不现实；何况，b p f 尚有其他缺点和限制，鉴于上述原因，利用b p f 和选 频放大器对噪声的抑制是有限的，它不能适应于微弱信号的检测，而只能作为辅 助电路加以应用。 下面将介绍一些新的概念和方法，最大限度地提高e 值，使b p f 和选频放大 器所不能达到的要求得以实现，即用相干检测方法来进一步压缩带宽。为了达到 晟大限度检测被噪声淹没的有用信号的目的，有如下设想和措施： 1 ) 首先避开噪声功率谱密度密集的频率范围，使输入噪声因此而减小。当测量信 号的频率很低时，常常伴有比白噪声高出数倍、数十倍、数百倍的1 厂噪声的 影响，当所测量信号是在直流附近的低频时，即使用低通滤波器( l p f ) 也必 然使1 厂噪声包含在通带内，具有较高的输入噪声功率。但如果可以将被测信 号的频率作一变换，使低频信号移至高于“厂的频率范围，而仍然保持被测信 号的大小，那就是使测量避开1 厂噪声而工作在白噪声频段，使输入噪声得到 降低。要做到这一点的前提条件是被测信号的大小不因频率变换而有误差。 4 天津大学硕+ 学位论文第二二章微弱信号检测基础 2 ) 如果我们能设计一个新的带通滤波器b p f ，它的带宽b n 是固定的，不受频率 的影响，并且b n 从理论上讲可以做得无限的窄，并只取决于简单的时间常数 t c = r c 。 3 ) 从另一角度上看，b p f 只是对被测信号e 。= p ，c o s o 。，+ 目) 的频率脚。的指纹识 别。从信号的表达式看到，还有个指纹特征0 ( 相位) 还没有被b p f 所利用。 如果我们现在不仅跟踪信号的频率珊。，而且同时又锁定信号的相位护，那么， 噪声要同时与信号既同频又同相的可能性大为减小。 以上三点就是相干检测的基本思想以及对噪声的处理方法。也就是说，我们 需要另外一个相干信号，它只能识别被测信号的频率和相位。有时，被测信号可 能是不相干的，则要尽量设法使其获得必要的相干性。 2 3 相敏检波的原理” 相敏检波器( p h a s es e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，简称p s d ，是相干检测的核心部分， 起着非常重要的作用。p s d 实际上是模拟乘法器，是相关器的重要形式，如图2 一l 所示。 e s 幽2 1p s d 原理 当p s d 的输入信号为西，参考输入信号为e r ，p s d 完成两者的乘积 d = e s e r ( 2 3 ) 为了比较直观地了解p s d 的工作原理以及对噪声的处理情况，先作以下几种 情况的定性分析。 1 当d 和d 都是正弦波的简单结果 设e s = qc o s 【( + a c o ) t + 0 ( 2 4 ) e r = e ，c o s ( ( o o f ) 其中c o 。是输入信号与参考输入信号的频率 频率的改变。输出为 ( 2 5 ) 口是他们之间的相位差，则是信号 天津火学硕士学位论文 第二章微弱信号检测基础 e o = e s e r = p ，p ，c o s ( a a g + 臼) + 已，p ，c o s ( 2 c o 。+ a c o ) t + 口 ( 2 6 ) 公式( 2 6 ) 的结果为两项之和，前项为信号与参考的差频( c o 。+ a r o 一) 分量，后 项为和频( 。+ a r o + c o 。) 分量。它的物理意义表示信号经过p s d 以后，其频率( 或 频谱) 相对频率轴做了相对位移，即从原频o + 迁移到和2 0 ) 。+ , 5