一种应用于交流it系统的高精度绝缘监测仪设计

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1、一种应用于交流IT系统的高精度绝缘监测仪设计周赞强1沈标2李平3（1.中国联合工程公司，浙江杭州310052）（2.安科瑞电气股份有限公司，上海嘉定201801）（3.安科瑞电气股份有限公司，上海嘉定201801）摘要:IT系统配电方式应用在一些重要场所（如矿井、玻璃厂和集会场所的安全照明等），在这些场所，因意外导致的断电将会造成惨重的人员伤亡和财产损失。装设绝缘监测装置可以解决由于系统对地绝缘性能降低导致断电的问题。介绍了一种用于工业IT系统的绝缘监测仪(IMD)，并详述了绝缘监测仪的硬件和软件设计原理。目前该绝缘监测仪已通过试验验证，并在市场上大量销售，为工

2、业IT配电系统提供了可靠的绝缘监测。关键词:交流IT系统绝缘监测装置高压IT配电系统引言在一些重要的工业场所（如：矿井、玻璃厂和某些集会场所的安全照明，某些电炉的试验设备，冶金厂和化工厂等），意外断电会造成人员伤亡和重大的财产损失，因此需采用安全性和可靠性较高的IT系统供电。在IT系统中，随着时间的推移，系统对地的绝缘程度下降，当出现第一点接地故障时，IT系统仍能正常运行，但此时IT系统已存在安全隐患，如果再出现不同相上的第二点接地故障，将会产生很大的短路电流，造成前端的断路器脱扣，致使系统出现断电事故。根据（JGJ16-2008）《民用建筑电器设计规范》第7.

3、2.3条规定，IT配电系统必须配备绝缘监视仪。在系统出现第一点接地故障时，装置产生警告或报警信息，及时提醒维修人员对系统进行故障排查，短时间内无需跳闸，从而保证了IT系统供电的可靠性和连续性。国外对电力系统监测与故障诊断技术的研究始于20世纪60年代，各个发达国家都很重视，但到了20世纪七八十年代，随着传感器技术、信号采集技术、数字分析技术和计算机技术的发展与应用，在线诊断技术才得到迅速发展。传统的测量方法有平衡电桥法、差流检测法以及555定时器测量电阻法等。这些测量方法都有各自的优势，但由于应用场所的不同以及受现场环境的影响，上述测量方式还存在着可靠性不足、测

4、量范围较窄和测量精度不高等缺点。针对这些问题，本文提出一种基于交流IT的绝缘监视装置的设计：硬件上采用STM32内置的12位A-D采样、四阶低通滤波电路和128x32液晶显示，软件上采用软件滤波和最小二乘法求斜率与偏移量。最大限度的提高了测量精度（3%）、测量范围（0—999K）,并且在不同环境都能满足精准监测的需求。绝缘监测仪工作原理绝缘监测仪的工作原理如图1所示：信号发生器G绝缘监测仪R1RfPE图1：绝缘监测仪工作原理图中R1为分压电阻，Rf是绝缘监测仪监测的对象—系统对地电阻，电源端的带电导体不接地，只作设备外壳的保护接地。正常情况下，系统与地是绝缘的，

5、此时Rf等效于无穷大；当系统出现绝缘故障时，如系统导线与外壳直接接触，则导致系统与地直接连接，此时的Rf等效于0。绝缘监测仪向系统注入直流信号，经过Rf进入绝缘监测仪，构成一个闭合回路，通过简单的欧姆定律即可算出Rf的大小。该测量原理简单可靠，适用于不含直流分量的IT系统，又因采用直流信号可以有效的避免系统电容造成的影响，使其测量的阻抗具有较高的准确度，可以很好地反映系统的绝缘性能。硬件设计本设计中，中央处理模块选用ST公司生产的32位ARMcortex-M3内核的芯片（STM32F103RBT6），该芯片处理速度快，主频可达72MHz，并且具有丰富的片内外围资

6、源，内部具有20KB的片内SRAM和多达64KB的FLASH闪存，带有多通道的12位A-D转化模块，以及多个SPI、IIC、CAN等通讯接口，大大简化了外围电路的设计。该仪表除了最基本的测量系统对地电阻外，自带两路继电器输出，采用128x32液晶模块作为人机接口，带有RS485通讯，遵循Modbus-RTU协议，有预警报警功能，各个参数可以自行设定。本装置硬件功能模块主要包括电源模块、信号注入模块、信号测量模块、人机接口、铁电存储模块、通讯模块和开关量输出模块等组成。硬件框图如图2所示：11电源模块信号发生电路人机接口信号注入电路MCU绝缘电阻测量RS485通讯

7、开关量输出数据存储图2：绝缘监测仪硬件模块设计1信号测量电路在交流IT系统中，具有不同电压等级，如400V和760V（更高电压等级的需要配合高压耦合器使用）。因此绝缘监测仪内部需要具有满足这些不同电压等级的降压电路。绝缘监测仪上电之后，信号注入模块会持续注入一个特定的直流电压到被监测系统中，系统测量的是R1、R2、Rf的和，由于R1、R2的值是已知的，所以只要减去R1、R2，即可求出Rf。测量电路如图3所示：图3.信号测量电路2滤波放大电路在实际的电力系统中，由于高频信号的存在，可能会对信号采样造成干扰，所以要对采样信号进行滤波处理，该设计采用四阶低通滤波电路，

8、电路截止特性好，曲线的衰