基于MSP430的直流接地檢測(cè)系統(tǒng)

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)母線接地故障。具體檢測(cè)內(nèi)容包括：測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電壓、正負(fù)母線電壓差、正負(fù)母線對(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，線路、連接器、接線端子、刀閘等會(huì)產(chǎn)生老化，從而導(dǎo)致正負(fù)母線的絕緣性能降低，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)母線對(duì)地電壓，根據(jù)母線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)算出母線電壓和母線絕緣電阻。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。

如圖2所示，U+和U-為被測(cè)線路的母線供電電壓，正常工作時(shí)兩母線間的電壓差Ux+y為440 V，且隨蓄電池內(nèi)阻變化。Rx，Ry分別為被測(cè)線路的正母線絕緣電阻和負(fù)母線絕緣電阻。正、負(fù)母線絕緣電阻反映的是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)兩母線絕緣電阻>20 kΩ。Ux和Uy為正負(fù)母線對(duì)地電壓，大小隨正負(fù)母線的絕緣電阻變化，但兩母線電壓差恒定為Ux+y。為了檢測(cè)正負(fù)母線電壓Ux，Uy，Rx，Ry，系統(tǒng)采用了“平衡-不平衡檢測(cè)法”檢測(cè)母線電壓和母線絕緣電阻。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、母線電壓、母線絕緣電阻；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。