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基于STM32的在线绝缘监测装置的设计

尹强;王佰超;甘江华;刘建鹏;乔海强

【摘要】针对直流电源系统绝缘状况监测不全的问题,提出了基于组合桥的在线绝

缘检测方法,以STM32微处理器为核心,设计了硬件构架和软件构架,研制了在线式

绝缘监测装置,在满足系统接地和绝缘降低的绝缘状况监测的基础上,实现了交流窜

入、直流互窜、电容测量、绝缘预警、母线对地电压补偿和装置自检等功能,现场

运行表明了其可行性和有效性.

【期刊名称】《计算机测量与控制》

【年(卷),期】2019(027)007

【总页数】6页(P40-44,49)

【关键词】直流系统;绝缘监测;STM32;组合桥;在线式

【作者】尹强;王佰超;甘江华;刘建鹏;乔海强

【作者单位】国家电网许继电源有限公司,河南许昌461000;国家电网许继电源有

限公司,河南许昌461000;国家电网许继电源有限公司,河南许昌461000;国家电网

许继电源有限公司,河南许昌461000;国家电网许继电源有限公司,河南许昌

461000

【正文语种】中文

【中图分类】TM93

0引言

在电力系统中，直流系统为各种继电保护设备及操作回路提供稳定可靠的电源，无

带电导线直接接地，其运行状况的好坏直接关系到整个电力系统能否正常运行[1-

3]。系统绝缘降低或接地是直流系统最常见的状况，若不能及时找到并排除，将造

成保护设备误动作或拒动，引起系统瘫痪，甚至导致大面积停电等严重后果[4]。

同时，直流互窜、交流窜电和分布电容较大等绝缘状况也会造成直流系统的绝缘故

障[5-8]，因此系统绝缘状况监测要全面。

目前，国内外直流系统绝缘检测方法主要有电桥法、低频信号注入法和漏电流法

[9-11]，同时电力行业标准《DL/T1392-2014直流电源系统绝缘监测装置技术条

件》5.3.2中规定“直流系统绝缘监测装置应采用直流电压检测法原理……”，因

此站用直流电源系统的母线在线绝缘检测方法主要采用电桥法。

本文在理论和实践的基础上，提出基于平衡桥、检测桥和补偿桥的组合桥在线绝缘

检测方法，结合STM32控制器搭建了软硬件构架，研制了在线式直流绝缘监测装

置样机，其具有采样精度高、抗干扰能力强以及功能完善的特点，完善了绝缘状况

监测的内容，提高了系统运行的稳定性和可靠性。

1系统结构及原理

绝缘监测装置系统结构包括工作电源、智能电桥控制、电压电流采样、人机交互、

开入开出、联机通讯等部分，如图1所示。绝缘监测装置基于平衡桥、检测桥和

补偿桥的组合桥对直流系统的母线实时绝缘监测，主要包括交流窜入、直流互窜、

电容测量和母线对地电压补偿等功能；同时具有平衡桥监测、非平衡桥监测、每天

定时、每天自动、周期定时、周期自动等6种工作模式。

图1绝缘监测装置系统结构图

直流电源系统检测等效电路如图2所示，R1、R2为平衡桥电阻，R3、R5为检测

桥电阻，S1、S3为检测桥开关，R4为补偿桥电阻，S2为补偿桥开关，R+、R-为

正负极母线对地电阻，C+、C-为正负极母线对地电容，虚框为直流在线绝缘监测

装置的组合桥检测电路。

图2直流电源系统检测等效电路图

1.1平衡桥与检测桥

平衡桥是通过周期性监测母线对地电压和电流，通过欧姆定律算出其对地的电阻值。

检测桥是通过控制切换桥的状态，依据平衡状态下正负母线对地电压和电流与非平

衡状态下正负母线对地电压和电流，按照二元一次方程组，计算出母线的正负对地

电阻。

1.1.1平衡桥与负极检测桥的组合桥检测

首先，将开关S1、S2和S3断开，则可得公式(1)：

(1)

其中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-

其次，将开关S1闭合，S2和S3断开，则可得公式(2)：

(2)

最后，联立(1)和(2)两个公式，可解得Z+和Z-，分别如式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

1.1.2平衡桥与检测桥的组合桥检测

若在负极母线对地电压偏低或者正极母线对地电压偏高的情况下，进行负极检测桥

检测，则会导致正极母线对地电压过高，为了防止此现象的出现，先投入正极电阻

降低正极母线对地电压，然后进行负极检测桥检测。

首先，将开关S3闭合，S2和S1断开，则可得公式(5)：

(5)

其次，将开关S1闭合，S2和S3断开，则可得公式(6)：

(6)

最后，联立(5)和(6)两个公式，可解