（电力电子与电力传动专业论文）直流系统在线绝缘检测装置的研制.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t d cs y s t e mi ns u b s t a t i o na n dp o w e rp l a n ts 1 | p p l i c sp o w e rf o rp r o t e c t i n g 。m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n ge q u i p m e n t s t h eh e a l t ho fd cs y s t e mi sc r i t i c a lt os a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f p o w e r s y s t e m g r o u n d i n g 盘t l l ci st h em o s tc o m m o nf a i l u r ei nt h ed cs y s t e m tp r e s e n t ss e r i o u sd a n g e r o l ls y s t e ms a f e t ya saf l e wg r o u n d i n gp o i n tm a yc a n s cs h o r tc i r c 疵血n ho fr e l a ym a l o p e r a t i o n t h er e s e a r c ho f o n l i n ei n s u l a t i o ne q u i p m e n ta i m sa tt h i s t h ca u t h o ra u a l y s e ss e v e r a lf a m i l i a rd e t e c t i n gm e t h o d so fd cp o w e rs u p p l y c o n e r e t e i y e x p o u n d st h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g s b a s e do l lt h i s ，p i n g - p a n gm e t e di sp r o p o s e da st h e p r i n c i p l eo ft h i se q u i p m e n t 。a n dt h eg r o u n d i n gf a u l tm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d f u r t h e r m o r e t h ea u t h o re x p l a i n st h er e s e a r c h i n gm e t h o df r o mt w oa s p e c t s ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei n c l u d e d t h cd e v i c ea d o p t ss i n g l e - c h i pp r o d u c e db yw i n b o n da st h ec o r ec o n t r o l l e rw h i c h r e s p o n s i b l ef o rt h es a m p l i n gt h ea n a l o gs i g n a la n dc a l c u l a t i n gt h ei n s u l a t i o nr e s i s t a n c e a d o p t s c p l dp r o d u c e db ya l t e r at oa c c o m p l i s ha d d r e s sa l l o c a t i o n ，p e r i p h e r a lc h i p ss e l e c t i o na n d k e y b o a r dd e c o d i n g ，a d o p t sd i g i t a lp o t e n t i o m e t e ra n di n s t r u m e n t a t i o na m p l i f y t oa c h i e v e 丽d c s c o p em e a s u 化m e n t t h ca m h o rd e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n de l e m e n t so ft h i sd e v i c e a n d p r e s e n t sp a r t i c u l a rd i s c u s s i o na b o u th a r d w a r ed e s i g n , i n c l u d i n gi n t e r f a c eo fs i n g l e c h i pa n dc p l d ， s a m p l i n gc i r c u i t 。a m p l i f yc i r c u i t ，i s o l a t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i n gc i r c u i t d i s p l a yc i r c u i t , a n d f i u i s h e ss o f t w a r ed e s i g na n de x p e r i m e n tr e s u ra l i a l y s i si sa l s og i v e i l k e y w o r d s d cs y s t e m , o n l i n ed e t e c t i o n ，g r o u n d i n gf a u l t 。i n s u l a t i n gr e s i s t a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 劾乏色匕 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盘垒竺导师签名：丑兰羞日期：o j d 以岷i 第一章绪论 1 1 概述“1 第一章绪论 发电厂和变电所中，为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构供电的电源系统， 通常称为控制电源，如系直流电源，则称为直流控制电源；如系交流电源，则称为交流控制 电源。 根据构成方式的不同，在发电厂和变电所中应用的有以下几种控制电源。 ( i ) 蓄电池组构成的直流控制电源：由蓄电池组、充电器及直流屏等设备构成，广泛应 用于各种类型的发电厂和变电所中，是一种在各种正常和事故情况下都能保持可靠供电的电 源系统或者说是一种直流不停电电源系统。由于其历史悠久，且极为广泛，通常简称为直流 控制电源系统或直流系统。 ( 2 ) 逆变式交流控制电源：以直流电源逆变取得稳压稳频的交流电源，为控制系统的交 流负荷供电。平时，由交流厂用电源经整流装置取得直流电源；当交流电系统停电时，则由 蓄电池取得直流电源。这是一种交流不停电电源系统，简称u p s ，广泛用于大型发电厂及 其他些有交流控制负荷的工程中。 ( 3 ) 电容储能式直流控制电源：这是直流控制电源的一种。正常运行时，它给电容量足 够大的电容器组充电：当发生事故时，电容器纽向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保 证继电保护装置可靠跳闸。这是一种简易的直流控制电源，一般只是在规模小、不很重要的 场合使用。 ( 4 ) 复式整流式直流控制电源：是一种用交流厂用电源、电压互感器和电流互感器经整 流装置后，取得直流电为控制负荷供电的电源系统。在设计上，要在各种故障情况下都能保 证继电保护装置可靠动作、断路器可靠跳闸。这也是一种简易的直流控制电源系统，用于一 些规模小、不很重要的场合。由于小型镉镍碱性蓄电池和阀控式铅酸蓄电池的应用，这种复 式整流式直流控制电源系统已很少使用。 ( 5 ) 复式交流控制电源：以交流厂用电源、电压互感器和电流和互感器组成复式供电系 统，用于采用交流继电器和交流操作机构的工程中，简称为交流控制电源。同样，在设计上， 要在各种故障下，都能保证继电保护装置可靠动作和断路器可靠跳闸。这种控制电源，在发 电厂和变电所中已不再采用。 ( 6 ) 分散式交流控制电源：控制电源取自各个被控设备的交流电源回路。没有集中设置 的电源装置。这种方式，广泛用于一些厂用电源干线和厂用电动机的控制信号回路。使用这 种分散式交流控制电源时，在交流电源停电、再恢复供电的过程中，不应影响被控设备以及 与之相关的主设备的安全。 本课题研究对象属于第( 1 ) 种构成方式，即由蓄电池组构成的直流供电系统。 1 2 课题背景及研究意义 发电厂和变电站直流系统是一个机电一体化装置，它由蓄电池组、充电设备、控制屏、 馈电网络等组成，是一个十分庞大的多分支供电网络。系统采用4 8 v 、1 l o v 或2 2 0 v 直流 供电，为浮地制的( 正负级对地绝缘) 不接地系统。在发电厂和变电站中，直流控制负荷包 括电气和热工系统的控制、信号、保护、自动装置和某些执行机构。这些都是保证发电厂和 东南大学硕士学位论文 变电所正常、安全运行的极为重要的负荷。 直流控制电源，除为直流控制负荷供电外，还为一些动力符合供电，例如大合闸电流的 电磁操作机构、事故照明装置等。特别是在火力发电厂中，还要为汽机润滑油泵、发电机氢 密封油泵及给水泵润滑油泵的直流电动机供电。这些动力负荷，都是保证汽轮发电机组安全 起停所必需的，是非常重要的负荷。 可见，直流电源对电力系统的安全可靠运行起着重要作用，兼有保安电源的功能，其工 作的可靠性是极为重要的。蓄电池组构成的直流控制电源系统，有很高的可靠性，整个蓄电 池组故障造成停止供电的可靠性极小。因为蓄电池组的故障。总是首先在个别电池中发生， 而且其发展过程缓慢，易于及时发现和消除，不致波及整个蓄电池组。这种情况，已为多年 的、大量的蓄电池组的运行经验所证明。因此，就其可靠性而言，还没有其他电源装置可以 替代。在正常状态下，它向直流负荷供电，向断路器电磁操作机构的跳闸、合闸线圈供电； 在交流电源发生故障时，其作用更为突出，为继电保护及自动装置、断路器的合闸、跳闸、 载波通信等提供工作直流电源“j 。 直流系统运行状况的好坏直接关系到发电厂和变电站能否正常运行一点按地是直流系 统最常见的绝缘破坏故障，若不能及时找到并排除接地点，在系统出现多点接地时，会引起 严重后果。 ( i ) 当直流系统正、负极同时接地时，将不能保证保护、控制设备正常工作，严重时使 保险丝融断，直流供电中断，如果此时电力系统发生故障，保护设备拒动作，将引起事故进 一步扩大。 ( 2 ) 有些情况下，当接地故障出现在继电器两端时，如图i - i 所示，a 、b 两点发生接地 故障，尽管没有形成短路，但触电被短路，使继电器通电，发生误动作“。 图i - i 继电器误动作示意图 因此，当直流系统发生一点接地时，就应在保证直流系统正常供电的同时，准确迅速的 探测出接地故障点，排除接地故障，从而避免多点接地造成的危害。 直流控制电源系统的绝缘监察装置，在8 0 年代以前，一直是采用苏联b e 卡赞斯基设 计的、以电桥切换原理构成的绝缘监察装置，用继电器、电压表和切换开关等构成，具 有发现接地故障、测量系统对地和极对地绝缘电阻以及确定接地极的功能，用了3 0 余年。 8 0 年代后，在此原理基础上。国内制造了用集成电路构成的装置，提高了灵敏度，并把母 线电压监视装置与之复合在一起，提高了装置的综合性“l 。 本课题主要用于检测列车直流供电系统的绝缘状况，目的是为了维护设备安全和人身安 全。 1 3 本论文的主要工作 本课题的具体研究包括硬件的设计、制作和软件的编制、调试等。在进行调研和搜集国 2 第一章绪论 内外相关检测技术的资料和技术并加以研究的基础上，首先进行系统的总体设计，方案论证， 然后进行系统硬件、软件的具体设计。最后进行系统调试，取得初步结果。具体说来，包括： ( 1 ) 检测电路原理设计和验证 在详细分析目前常用的几种绝缘检测方法的基础上，提出了本装置的工作原理，给出了 系统原理示意图以及公式推导过程。 ( 2 ) 系统硬件设计和p c b 绘制 根据仪器的工作原理，设计了系统的硬件电路，包括模拟部分和数字部分。其中模拟部 分包括采样电路、放大电路和隔离电路，数字部分主要是微控制器配合一些外围器件 ( e 2 p r o m 、时钟芯片、液晶等) 的使用。 ( 3 ) 系统软件设计和编写 在硬件电路的基础上，编写各个功能模块的软件，包括测量、通信、显示等，并逐一进 行调试。 ( 4 ) 系统调试 系统调试包括两个方面。一是原理设计部分对于功能器件的调试，另一个则是仪器的功 能调试，主要是验证仪器的精度。 3 东南大学硕士学位论文 第二章直流供电系统几种绝缘检测方法 2 1 常用检测方法 目前，直流接地故障的检测方法比较多，主要有电桥法、交流信号注入法、直流漏电流 检测法等 2 1 1 电桥法 用电桥法检测直流接地故障的原理：将直流系统正负极对地绝缘电阻和人为设置的两个 电阻r 组成电桥，系统正常时，电桥平衡，当系统出现某一点接地时，电桥失去平衡，产 生报警信号。如图2 i 所示，当系统绝缘状况良好时，正极与负极对地绝缘电阻r + 与r 相 等，继电器中仅有微小的不平衡电流流过，且小于整定值，装置不发出报警信号；当发生接 地故障时，假设负极经r 接地，电桥失去平衡，继电器中有较大的不平衡电流流过，当此 电流大于整定值时，装置发出报警信号，指示发生接地故障”j 。 rr 霞 图2 i 电桥法原理图 电桥法存在以下缺陷： ( 1 ) 正负极接地等效电阻同等下降或数值接近时，即使已经超越报警界限，装置也不动 作； ( 2 ) 正负极接地等效电阻数值都很大( 正常范围内) ，但差值较大时，装置会误报警。 但因其电路简单，成本低廉，在一些要求不高的场合，仍占主要地位。 2 i 2 交流信号注入法 交流信号注入法又称低频信号法，采用定时在直流系统母线和大地之问注入低频交流信号。 根据交流电流信号的流向查找接地故障来实现接地监测。交流信号注入法既可用于在线监测 装置，通过注入的交流信号轨迹确定接地故障所在支路；也可配合接地故障定位仪，在确定 的故障支路上寻找注入的交流信号轨迹，其消失的地方即为故障点。根据注入的低频交流信 号变化与否，该方法又具体分为定频法和变频法两种 ( 一) 定频法 所谓定频法，就是向直流系统和大地之间注入个固定频率f 的低频信号，通过检测此 交流电流信号的流向和幅值大小，判断直流系统接地支路和接地点。定频法注入信号的频率 4 第二章直流供电系统几种绝缘检测方法 一般在1 0 h z 一2 0 l i z 之问。若注入的信号频率过高，检测结果受系统分布电容影响较大i 若 注入信号频率过低，交流电流传感器又不容易检测到此交流信号，从而也影响检测结果的准 确性i 5 】 定频法有直流支路加装传感器和不加装传感器两种检测手段： ( 1 ) 直流支路不须加装传感器 当直流支路发生接地故障后，在直流系统和大地之间注入一低频交流电压信号，然后 用带有放大电路的钳形电流表检测各支路的低频交流信号。先设定一电流门槛值，若某一 支路低频电流大于设定门槛值，则认为该支路接地。通过判断接地点两侧接地电流值的明 显差别可确定接地点这种手段主要用于便携式检测装置，用来确定接地故障点。 该方法的优点是方法衙单，易于实现。其缺点是检测结果受系统分布电容影响较大， 有时难以区分检测到的电流信号是由接地电阻引起的还是由系统分布电容造成的，从而发 生误判。 ( 2 ) 直流支路加装传感器 如图2 - 2 所示，在各直流支路上套装毫安级交流电流传感器，在直流系统母线和大地之 间注入一低频交流电压信号，传感器能够检测其所在支路的低频电流信号的幅值和相位，从 而计算出各支路的绝缘电阻，并消除电容影响。预先设定一电阻门槛值，若某一支路计算所 得的电阻值大于设定门槛值，则认为该支路发生接地故障。 该方法的优点是不但可以求出直流系统对地电阻的数值，而且根据传感器所在支路的不 同，可以判断出接地故障所在支路。其缺点是当系统分布电容较大时，传感器检测得到的电 流相角存在很小的误差，即可造成接地电阻计算值很大的误差，且此方法不能具体确定接地 故障点。 + 图2 - 2 交流信号注入法加装传感器测试原理图 ( 二) 变频法 6 1 为了减小系统对地分布电容对检测结果的影响，人们又提出了变频法。所谓变频法，就 是在定频法的基础上，向直流系统和大地之间注入两个同幅值不同频率的低频交流电压信 号，利用电流传感器探测各支路的低频电流，通过利用接地故障后两个低频交流电流信号的 比值大于正常情况下两个电流比值的现象来确定接地支路与接地点，且能求出接地电阻值。 设注入的两个信号频率分别为f l 和f 2 ，信号源电压有效值为恒值u ，系统对地分布电容 为c ，正常情况下流过支路电容电流分别为i n 和k ： 芒= 器= 鲁c 抄 ， 协。 5 东南大学硕士学位论文 c 图2 - 3 接地等值电路 当在该支路末端发生接地故障时，其等值电路如图2 - 3 所示，接地电阻为r ，通过故障 支路交流电流传感器所测得的两个频率下的交流电流有效值分别为，五和j ；：，则有： ，1 一 l | l ( 2 2 ) 因此，根据式2 2 ，可以利用接地故障后两个不同频率电流的比值大于正常情况下两个 不同频率电流比值，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 逛兰! ! 堑! 垡：直：生( ：3 ) ”“。常藕x l + ( 2 f ：r c ) 2 ，2 ，2 而当接地电阻很大时有： l i r a ! 竺堑丝：五：丛( 2 - 4 ) 。“球敷l + ( 2 矾r c ) 2 ，2 ，2 r ，1 ， 因此，随着接地电阻或交流线路对地分布电容的增大，将无法识别 。这样就 1 1 2，2 无法查找接地支路。这种查找方法的使用范围有限。 目前采用交流信号注入法( 低频信号法) 原理的在线检测装置有很多，如北京科锐配电 自动化有限公司生产的d c f d 直流系统接地故障探测仪，保定浪派迪电气公司生产的 l b d z d t 型直流系统接地故障探测装置等。这类探测装置的共同特点是可以实现故障点检 测，但受系统分布电容电流影响大，接地检测及支路查找成功率低。同时，应指出，因须向 直流母线注入低频率交流信号电压才能检测接地故障，增大了直流系统的电压纹波系数，影 响直流系统的安全运行。 2 1 3 直流漏电流检测法 直流漏电流检测法主要是通过检测直流系统支路对地直流不平衡电流，选择接地故障所 在支路来进行接地监测。 如图2 - 3 所示，在各直流支路套装毫安级直流电流传感器，采集流过直流支路上的不平 衡电流，即流过正极与负极馈线的电流差。正常情况下，开关s + 、s 一闭合，正极与负极馈 线无电流差，i 。+ = k ，直流电流传感器无信号输出口1 。 6 器 第二章直流供电系统几种绝缘检测方法 + s r l ：一6 b n 1 n 0 型船竺 直流电流 岁感器 + i 。一 图2 4 漏电流法原理 当支路发生单极接地故障时，假设负载1 所在支路正极发生接地故障，接地电阻为r d + ， r d + 会与r 2 形成回路，产生接地漏电流i ，其数值为： 卜去 协s ， 假设流过负载1 所在支路正母线的电流i l + ，流过负载1 所在支路母线的电流为i i + ，根 据基尔霍夫电流定律可得： 11=i，+ii，(2-6) 即 i ，= 1 1 + + i l - ( 2 7 ) 由式2 - 6 可以看出，流过接地电阻+ 的电流值i f 是流过负载1 所在支路正负母线电流 i l + 、i t - 的差值，而套装在负载1 所在支路的毫安级直流微电流传感器采集的就是该支路正负 母线对地不平衡电流，即流过接地电阻l t d 的电流i f 。 由式2 - 5 可得： r d + ：娶一恐 1 r ( 2 8 ) 若用漏电流法检测两级同时接地故障，需要对图2 4 中电阻r l 和r 2 ( 两者数值相等均 为r ) 进行切换。这是由于漏电流传感器检测的是支路正、负极不平衡电流，若不切换电阻， 当发生两级同时接地故障，支路正、负极都有漏电流流过，且方向相反，传感器将检测不到 漏电流信号。检测方法如下： 假设负载1 所在支路发生两级同时接地故障，正负极接地电阻分别为r d + 和r d 合上开关s + ，断开开关s ，直流电流传感器测得电流i l ，根据电路定理有： i i 置+ ( ，i 墨，心+ + j 1 ) r d 一= u ( 2 9 ) 合上开关s ，断开开关s + ，直流电流传感器测得电流1 2 ，根据电路定理有： f 2 心+ ( lx r 2 ，局一+ ，2 ) x r 。+ = u ( 2 - 1 0 ) 7 东南大学硕士学位论文 联立式2 - 8 和式2 - 9 。可得如下解； r a + = u 1 1 2 一( j + i t i l 2 ) r r a 一= u 1 1 1 一( j + ，2 ，j 1 ) r ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式2 - 1 1 和式2 - 1 2 求得的r d + 和r d 一即为正负极接地电阻值 直流漏电检测法主要有以下优点 8 1 ： ( 1 ) 直接利用操作电源作为检测电源，对被测量进行直接检测，可实现自动检测正、 负极对地接地电阻，而且数值准确。 ( 2 ) 检测精度不受直流系统分布电容影响。 该方法存在的问题是：若要检测正负极同时接地情况，需要频繁对正负母线切换接地电 阻，形成漏电流回路，接地电阻的频繁切换很容易造成继电器等保护设备的误动作。同时， 采用此方法制成的在线式监测装置与便携式装置配合使用时有局限。 目前采用漏电流法检测直流系统接地故障的装置也较多，如邯郸富瑞电气有限公司生产 的w 刀i i 型微机直流监测装置。其主要特点是：采用漏电流法检测直流系统支路对地直流 不平衡电流，由微机选择接地故障所在支路，可对直流系统和闸母线电压和控制母线电压进 行实时监察和显示，可进行过压、欠压报警；最多可检测6 4 条支路；不受变电站直流对地 电容的影响；但该装置的缺点是不能检测两极同时接地情况。检测支路有限，且不能与便携 式装黄配合使用，查找具体接地故障点。 除此之外，现在还多使用直流接地故障定位仪，它的作用是配合在线式检测装置在线选 出接地故障所在支路后，确定具体的直流接地故障点。目前一般采用便携式设计，通过人工 沿导线检测交流或直流电流信号的踪迹确定集体的接地故障点。当使用低频信号法时，采用 装有交流电流传感器的钳式交流电流表检测低频信号电流，当从始端经过故障点后，交流电 流值将显著减小。其缺陷是受系统分布电容电流影响大，抗干扰能力差，测试成功率低。当 使用直流漏电流检测法时，采用装有直流漏电流传感器的钳型直流电流表检测正负母线直流 不平衡电流( 接地漏电流) ，当从始端经过故障点后，直流不平衡电流也将显著减小。但是 当正负母线出现对地电阻同时下降时将无法配合直流漏电流检测法查找故障点。 2 2 本装置检测基本原理 考虑到装置安装方便以及成本问题，本装置对漏电流法和电桥法进行改进，无需外加电 流传感器，采取乒乓式变电桥检测原理，实现对直流系统绝缘电阻的检测 2 2 i 直流系统接地故障等效电路 如图2 - 5 所示，r x 、r ，分别为母线正负两端对地绝缘电阻也即为被测量；r 为限流电 阻，阻值已知；r i 、r 2 为正负两端采样电阻，( 阻值已知) 阻值可调，数值在程序中可以求 出。u 0 为母线电压，由蓄电池提供。因为蓄电池在充放电的时候电压会有微小变化，浮动 范围在1 0 内，所以需要对母线电压进行检测。u o 可由后续采样网络测得，同样u t 、u 2 也可以测得 8 第二章直流供电系统几种绝缘检测方法 酉 j 芷、 r yr ) 津 正端对地i 绝缘电阻l j r l f 采样电酗 i 图2 - 5 等效电路图 2 2 2 公式推导 1 、当s 1 闭合。s 2 断开时，为状态一，如图2 6 所示 1 2 = u i ，置 负端 绝缘 l + j - tr 融rl_uo i 正端对地i 绝缘电阻j r 1 l 采样电阻1 l 限流电阻 s 1 + + u l + 流电阻 图2 - 6s i 闭合，s 2 断开( 状态一) u = 1 2 ( r + 蜀) l = l t l l = u r ，七i | u o = u + j x 疋 由以上式子得到 u o _ 鲁( 吣m c 鲁+ 去( n 酬 2 、当s i 断开，s 2 闭合时，为状态二，如图2 - - 7 所示 1 2 = u 2 ，是 u = 1 2 ( 置+ r 2 ) i = i i + ，2 = u r , + j 2 9 ( 2 - 1 3 ) 东南大学硕士学位论文 u o = c ，- i - i b 由以上式子得到 卟鲁( n 驴驯警+ 最( 肌r ) 】 限流电阻 对地 电阻 图2 7s l 断开，s 2 闭合( 状态二) 联立式2 1 3 和式2 1 4 ，得到正负端对地绝缘电阻的阻值： ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) r ：u 。堕型d 型堕墅塑里盟 ( 2 1 6 ) 7 ” u o u 2 墨一u 1 u 2 置+ ，l u 2 恐 2 3 本章小节 本章着重介绍了当前常用的几种直流系统绝缘检测方法，即电桥法、交流信号注入法以 及漏电流法，较为详细地分析了它们的优缺点。在此基础上，描述了本装置在线绝缘仪 的检测基本原理，给出了数学模型和具体的推导过程。 1 0 u，十 绁 岩高盟叩堕一：型朋嶙 也心 第四章在线绝缘装置的软件设计与实现 第三章在线绝缘装置的硬件设计与实现 3 1 系统结构框图 本论文所介绍的由作者开发的在线绝缘仪采用m s c 5 1 单片机为主控单元，c p l d 为辅 助控制单元该系统用户接口完善，具有；x 3 键盘、图形点阵式l c d 显示模块、r s 一4 8 5 串 行接口。l c d 显示屏主要显示菜单、测量结果、操作结果、历史数据和时间日期等信息；键 盘用于对菜单的操作和对参数的设定；r s 一4 8 5 接口可向p c 机传输历史数据，以及接收p c 机对仪表设定的参数。 历史数据的记录主要依靠系统实时时钟芯片和e 2 p r o m 芯片完成；继电器矩阵在c p u 的控制之下依次将母线的正负端接入采样网络进行绝缘电阻的测量；a d 芯片对经采样网 络、放大网络和隔离网络后传入的模拟电压量进行采样，并转换为数字量传递给c p u ：声光 报警模块可以在绝缘不合格的情况下通过蜂鸣器的呜叫和l e d 灯的闪烁提醒测试人员的注 意。下面详细介绍各个模块的设计 3 2 主控芯片介绍 图3 - 1 在线绝缘仪的系统框图 为节约成本和减小p c b 的尺寸，本装置没有外扩数据存储区和程序存储区，选用的是 带有较大r a m 和r o m 的m c s 5 l 单片机w i n b o n d 公司的w 7 8 e 5 8 b 。 w 7 8 e 5 8 b 是具有带i s p 功能的f l a s he p r o m 的低功耗8 位微控制器；i s p 功能的f l a s h e p r o m 可用于固件升级。它的指令同标准8 0 5 2 指令集完全兼容。w 7 8 e 5 8 b 包含3 2 k 字节 的主r o m 、4 k 字节的辅助r o m ( 位于4 k 字节辅助r o m 中的装载( 1 0 a d e r ) 程序，可以 让用户更新位于3 2 k 主r o m 中的程序内容。) 、5 1 2 字节的片内r a m ：4 个8 位双向、可位 寻址的i o 口；一个附加的4 位f o 口p 4 ；3 个1 6 位定时，计数器及一个串行口。这些外围 设备都有8 个中断源和2 级中断能力的中断系统支持。为了方便用户进行编程和验证， w 7 8 e 5 8 b 内含的r o m 允许电编程和电读写。一旦代码确定后，用户就可以对代码进行保 东南大学硕士学位论文 护。 w 7 8 e 5 8 b 有两种节电模式，空阑模式和掉电模式，2 种模式均可由软件来控制选择。 空闲模式下，处理器时钟被关闭，但外设仍继续工作。在掉电模式下晶体振荡器停止工作。 以将功耗降至最低，外部时钟可以在任何时问及状态下被关闭，而不影响处理器运行 下面就w 7 8 e 5 8 b 的一些重要部分详细说明。 3 2 1 内部资源 w 7 8 e 5 8 b 有5 1 2 字节的片内r a m ，它被分成了2 个区，一个2 5 6 字节的暂存r a m 区， 和一个2 5 6 字节的辅助r a m 区，这些r a m 通过不同的方式寻址。 地址为o h 7 f h 的r a m 这些r a m 可以用与8 0 5 1 相同的直接或间接寻址方式来寻址。 在选定的r a m 区内，寻址指针是r 0 和r i 。 地址为8 0 h f f h 的r a m 只能以与8 0 5 1 相同的间接寻址方式来寻址，在选定的r a m 区内，寻址指针是r o 和r i 。 a u x r a m 地址范围为o h f f h 的a u x r a m 的寻址方式与用m o v x 指令访问外部数据存储器的 寻址方式相同。在选定的r a m 区内，寻址指针是r o 、r 1 和d p t r 。对于地址高于f f h 的外部数据存储器的访问。寻址方式与8 0 5 1 下的m o v x 指令相同。 值得注意的是，在复位以后，a u x r a m 是被关闭的。把c h p c o n 寄存器中的b i t 4 置 位，可以使能对a u x r a m 的访问，具体程序如下。在使能a u x r a m 后，指令“m o v x 魁”将始终访问片内a u x r a m 。当执行的指令来自于内部程序存储器时，对a u x r a m 的访问不会影响p 0 、p 2 口以及，w r 、r d 。 v o i de n a b l e a u x r a m ( )，始能a u x r a m c h p e n r = 0 x 8 7 ； c h p e n r = 0 x 5 9 ； c h p c o n = c h p c o n l o x l 0 ；将c h p c o n 的第5 位置1 c h p e n r = 0 x 0 0 ； 3 2 2 中断 w 7 8 e 5 8 b 有8 个中断源，如下表所示： 表3 1 w 7 8 e 5 8 中断表 中断源矢量地址优先级使能设置位 外部中断00 3 h0 ( 最高)i e o 定时器，计数器0 o b hli e 1 外部中断11 3 h2i e 2 定时器，计数器1 l b h3i e 3 串口2 3 h4i e 4 定时器，计数器22 b h5i e 5 外部中断2 3 3 h6x i c o n 2 外部中断33 b h7 ( 最低)c o n 6 1 2 第四章在线绝缘装置的软件设计与实现 3 2 3i s p 控制寄存器c 职c o n w 7 8 e 5 8 b 中有许多区别与8 0 5 1 系列单片机的特殊寄存器，c h p c o n 就是其中一个。 它与r a m 和r o m 的使用关系密切，每个位的食义如表3 2 所示。 表3 2 c h p c o n 控制字 d 7d 6d 5 d 4 d 3d 2 d ld o is w r e s e t | ， i e n a u x r a m0 1 0f b o o t s l f p r o g e nj s w r e s e t 此位置1 时并且f b o o t s l 和f p r o g e n 位同时为l 时，将迫使微处理器 复位到初始上电状态。 d 6 和d 5 位保留。 e n a u x r a m 此位置l ，使能辅助r a m ；置0 ，禁止辅助r a m 。 f b o o t s l 程序起始区控制位，置0 时，程序将从3 2 k 的i s pr o m 开始执行，4 k 的 l d r o m 留作备用：置l 时，程序将从l d r o m 开始执行。 f p r o g e nr o m 编程使能位，置l 时，微处理器进入i s p ( 在系统编程) 模式。期间， 当微处理器进入空闲模式( 将p c o n 的i d l 位置1 ) 后，可以对它进行读写和擦除： 置0 时，i s p 模式禁止，r o m 仅可读。 3 3 采样电路 采样电路最主要的目的就是得到幅值稳定的采样信号。关键有两点：一是取样电阻的选 择。由于绝缘电阻的变化范围很大，要求在1 0 k 到1 0 m 间均能够较为精确的测量，所以对 取样电阻的选择要求很严格。若阻值过大，则经放大后的电压信号会超过a d 的量程；若阻 值过小，则得到的电压信号较小，容易受到外界的干扰。本装置采用了数字电位器，它可以 通过编程来调节阻值，操作非常方便。二是a d 芯片的选择。为简化外部电路以及减少p c b 的尺寸，选择a d 的原则是希望它单电源供电，内置参考电压和时钟，并且量程满足要求。 本装置选用的a d 是m a x l 9 7 。下面分别就数字电位器和a d 作一些介绍。 3 3 1 数字电位器 本装置选用的是x i c o r 公司的x 9 c 1 0 3 ，总阻值1 0 k ，包含9 9 个电阻单元。在每个单元 之问和二个端点都有可以被滑动单元访问的抽点头，每个抽头问的阻值为1 0 1o 。滑动单元 的位置e h c s 、u i d 和i n c 三个输入端控制。滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储 器中，因而在下一次上电工作时可以被重新调用，数据可保持1 0 0 年。它用作数字控制的微 调电阻器是非常理想的。数字电位器的连接和管脚定义如图3 - 2 所示： 图3 - 2x 9 c 1 0 3 管脚连接图 ( 1 ) 管脚定义 i n c “增加”输入脚。i n c 输入端是负边沿触发。触b j i n c 将使滑动端向计数器增 东南大学硕士学位论文 加或减少的方向移动，移动的方向由u ，西端输入的逻辑电平决定。 u ，沁升降输入脚。u i d 输入控制滑动端移动的方向，因而控制计数器是增加或 是减少 v h 。v l 高电压端及低电压端。x 9 c 1 0 3 的高和低电压端等效于一个机械电位器的固定 端。其最小电压是- 5 v 而最大电压是+ 5 v 。但必须注意v h 、v l 这个术语只是规定了 由u i d 输入端选择的关于滑动方向的相对位置而并不是端点上的电压。 v w 滑动端。v w 是一个滑动端，相当于机械电位器的可移动端。滑动端在电阻阵列 中的位置由控制输入端决定。滑动端的串联电阻值典型是4 0 q 。 c s 片选输入端。当c s 端输入为低时器件被选中。当c s 变为高，j i i n c 输入端也 为高时，当前计数器的值被存储在非易失性存储器中。当储存操作完成后，x 9 c 1 0 3 将处于低功耗的等待方式，直到器件再次被选中。 ( 2 ) 工作原理 x 9 c 1 0 3 的功能框图如图3 - 3 所示。它有三个部分，输入控制、计数器和译码部分；非 易失性存储器以及电阻阵列。输入控制部分的工作就象一个升，降计数器。这个计数器的输 出被译码而接通一个单接点的电子开关，以便把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。在 适当的条件下，计数器的内容可以存储在非易失性存储器中并保持以便今后使用。电阻阵列 包含9 9 个单独的电阻，串联地连接。在二个端点以及每个电阻之间都有一个电子开关，可 将该点的电位传输到滑动端。 l 孳 嬲 ? 砷l 串 棼 内 僦铀 产l o * “嬲乍耗蚓箨髦拜 ；鬻 轻为0 0 0 翳 坟蝴辅 孽 喜 峰 i 燃| 、 t 图3 - 3 功能方框图 c s 、u i d f l i n c 三个输入端控制滑动端沿着电阻阵列移动。只有，c s 置低，x 9 c 1 0 3 被选中，才能使u i i ) 和i n c 输入端接受信号。在，i n c 输入端由高至低的变化将增加或减小 ( 这取决于u i x ) 输入端的状态) 一个7 位计数器的值。这个计数器的输出被译码，进行一 百选一的操作，使滑动端的位置沿电阻阵列移动。当滑动端位于任一固定端点时，就象等效 的机械滑动端那样，不会移到超出终端位置。即：当计数器达到一个极端时，不会循环回复 位( 当计数器达到全“1 ”时不会跳到全“0 ”) 。 只要当c s 转变为高而这时i n c 输入端也是高时，计数器的值即被存储在非易失性存储 器中。当x 9 c 1 0 3 被断电，最后储存的计数器状态将被维持在非易失性存储器中。当电源恢 复时，存储器中的内容被调用，因而计数器被设置到上一次储存的值。 ( 3 ) 操作时序 1 4 第四章在线绝缘装置的软件设计与实现 x 9 c 1 0 3 的操作时序如表3 3 所示。 在使用时，由于每个x 9 c 1 0 3 的特性不完全相同，所以它们的初始值和每个抽头间的阻 值也不完全相等。经实验验证。一般有几欧姆的偏差。比如我的第一版板子上用到的2 片 x 9 c 1 0 3 的起始阻值分别为3 8 q 和4 0 0 ，每个抽头间的阻值分别为1 0 0 q 和1 0 1o 。本装置 中，取样电阻与限流电阻相比，阻值要小很多。所以数字电位器这点偏差可以忽略不计，在 软件计算它的阻值时可按照理想状态看待，即初始阻值为4 0q ，每个抽头问阻值为1 0 1o ， 计算结果不会影响绝缘阻值的精度。 表3 3x 9 c 1 0 3 的操作表 方式 c sl n cu | d l 7 h向上滑动 l 7 l 向下滑动 h 储存滑动端位置 等待电流 生 l不存储，返回等待 3 3 2m a x l 9 7 的使用 m a x l 9 7 是m a x i m 公司出品的高性能1 2 位并行a d 转换器，8 通道模拟信号输入， 6 m 转换时问，1 0 0 k b p s 采样速率，可软件选择测量范围，有1 0 v 、士5 v 、0 到1 0 v 以及o 到5 v 四个量程，内部参考电压4 0 9 6 v ，也可外接基准电压，内有转换时钟，也可外接时钟 脉冲，内部和外部两种应答方式。本装置中，使用0 - 5 v 量程。三路模拟信号输入，用内部 时钟和基准电压，内部应答方式工作州。图3 _ 4 给出了m a x l 9 7 与单片机的接口电路。 c 0 d o p o 0 模拟信号 输入通道 v c c c h 7d 7p 0 7 啪嘲 p i 0 l 口_ s n i n l p 3 3 r e f r d r d r e f a i ) j w r ，m r 一工 c u 【璐 p 1 1 一 i i a x l 9 7w 7 8 e 5 8 b 图3 _ 4 m a x l 9 7 与w 7 8 e 5 8 b 的接口电路 ( 1 ) 控制字 m a x l 9 7 的控制字决定了其时钟模式、工作模式、应答模式、量程以及模拟量输入的 通道。 东南大学硕士学位论文 表3 4 m a x l 9 7 控制字 d 7 ( m s b )d 6 d 5d 4 d 3d 2d ld o ( l s b ) p d ip d oa c o m o dr n gb i pa 2 a la o p d i 、p d 0 选择芯片的时钟模式和工作模式。即是使用内部时钟还是外部时钟，工作在 正常模式还是低功耗模式。见表3 5 表3 5 时钟和工作模式选择表 p d lp d o器件模式 oo 正常模式，外部时钟 o l正常模式，内部时钟 lo s t b y p d 时钟方式不受影响 ll 全低功耗模式，时钟方式不受影响 a c o m o d 应答模式选择位。为0 ，内部应答模式；为1 ，外部应答模式。 r n g 、b i p 选择工作量程。见表3 6 。 表3 6 量程选择表 b i p r n g量程b i pr n g量程 0o0 5 v1o士5 v 0l0 1 0 vll土l o v a 2 、a i 、a o 选择模拟信号输入通道。见表3 7 表3 7 模拟通道选择表 a 2a la oc h oc h lc h 2c h 3c h 4c mc h 6 c h 7 o 0o o0l o lo oil loo l ol llo l1i ( 2 ) 时序图 m a x 工作在内部应答模式，图3 5 是其时序图： 1 6 第四章在线绝缘装置的软件设计与实现 取| _ b | 7 7 矧 一t 一 房易 一呐| 卜k j t 簧 薯、习r o 。 一二二二必粼： h 啪疗 卜h 一 直 。!) 【 kb 如 卜“ 3 4 放大电路 图3 - 5m a x l 9 7 内部应答时序图 经取样电阻得到的电压信号只有7 0 m v 右，在传输中容易受到干扰。需要对此信号进行 放大，再引入m a x l 9 7 。一般放大电路主要由运算放大器构成。再配合适当的阻