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直流系统绝缘接地巡检装置
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1 引言
发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络，其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复， 又发生另一点接地故障，就可能引起信号回路、控制回路、继电保护装置等的误动作。因此，减少这种绝缘故障，必须有一个可靠的绝缘监测方法，从而及时发现问题，避免重大事故的发生。
绝缘在线监测的基本原理是电气设备处于运行状态中，利用其工作电压来监测绝缘的各种特征参数。因此，可以有效地反映绝缘的实际情况，从而对绝缘状况做出比较准确的判断。
电力直流系统的绝缘监测分为直流监测法和交流监测法，交流监测法排除了零点漂移，但是，由于各支路存在着分布电容，导致测得的接地电阻不仅含有电阻分量，也含有电抗分量，为一个复数，因此为提高精度必须去掉电抗分量，导致测量电路比较复杂，而且，对母线注入交流信号也导致了直流母线的纹波系数加大。本方案采用的是直流监测法，采用改进的直流电桥法检测母线的接地电阻，分为母线的接地电阻监测和支路的接地电阻监测。在监测过程中，先对母线进行监测，发现接地故障后，再对支路进行监测。
一般的直流绝缘监测方法是利用直流电源的控制母线的工作电压作为电源，通过检测正负母线的对地漏电流来测量母线的绝缘电阻。此方法的优点是检测电路简单、稳定性好；但是，由于现有直流测量方法的原因，无法准确测量直流电源合闸母线和各条电源馈出线的对地绝缘电阻，从而限制了其测量精度。
改进的直流电桥法母线的接地电阻检测是利用直流母线的工作电压，采用小电流传感器分别测量合闸母线、控制母线以及各条馈出线的对地漏电电流，分别计算出合闸母线、控制母线和各条馈出线的对地绝缘电阻，完成直流母线的绝缘电阻测量和接地选线，大大提高了测量精度和报警的准确性。
2 改进的直流电桥法绝缘电阻检测原理
改进的直流电桥法母线的接地电阻检测是利用直流母线的工作电压，采用小电流传感器分别测量合闸母线、控制母线以及各条馈出线的对地漏电电流，然后根据测量得到的电流和电压的对应关系列出方程组求解接地电阻，测量电路见图1。图中：RKX+、RKX-分别为正控制母线和负母线的对地的绝缘电阻，RHX+、RHX-分别为正合闸母线和负母线的对地绝缘电阻，为待测量；L1、L2为小电流霍尔传感器；R、R1、R2和R3都是已知的标准电阻，K1、K2和K3分别为正负母线的标准电阻选择开关。测量时通过切换开关K1、K2、K3的接通和关断，从而根据测量得到的流过R1、R2、R3的电流值和母线电压值计算出合闸母线和控制母线的对地绝缘电阻。
2.1合闸母线对地绝缘电阻的测量
闭合K1，此时测量电路的等效电路如图2。其中，RHX+、RHX-为正、负合闸母线对地绝缘电阻，IH+1、IH-1分别为闭合K1时正、负合闸母线对地漏电流，ICH1为小电流传感器可以测量的合闸母线电流差值，UH为合闸母线电压，由此可得到方程式：
闭合K3，此时测量电路的等效电路如图3。
其中，RHX+、RHX-为正、负合闸母线对地绝缘电阻，IH+2、IH-2分别为闭合K3时正、负合闸母线对地漏电流，ICH2为小电流传感器可以测量的合闸母线电流差值，UH为合闸母线电压，由此可得到方程式：
两组方程式联立，ICH1、ICH2、I31、I32可直接从电路中测出，因此可解出合闸母线对地绝缘电阻为：
在得到的绝缘电阻表达式中，UH、I31、I32、ICH1、ICH2的测量精度可以达到较高的精度，R1、R3可以选用高精度的精密电阻，因此采用此种测量方法可以达到很好的测量精度。
2.2控制母线对地绝缘电阻的测量
控制母线对地绝缘电阻的测量方中，开关的闭合顺序为K2、K1，检测电流为ICK1=IK+1-IK-1，计算公式与合闸母线的绝缘电阻的计算相似。
3 直流系统绝缘在线监测装置的设计
3.1 系统硬件结构
硬件电路采用89C52单片机作为主控芯片，管理绝缘电阻测量、接地回路选线和与主机之间的通讯等。测量流过测量电阻的电流值和小电流传感器的输出的采样采用12位的A/D转换器；小电流传感器的切换采用继电器阵列，尽量减小开关的导通电阻，提高测量精度。系统硬件结构如下图所示：
“看门狗”电路的设计
“看门狗”能使CPU从死循环和跑飞状态进入正常的程序流程，电路设计时应遵循的原则：
（1）看门狗电路必须由硬件逻辑组成，不宜由可编程计数器充当，因为CPU失控后，可能修改可编程器件的参数，使看门狗失效。
（2）CPU必须在正确完成所有的工作后才能发扫描输入信号，且程序中发扫描输入信号的地方不能太多。否则，正好那里有死循环，看门狗就不产生计满输出信号，不能重新启动CPU。
X25045芯片具有512个字节的
。与89C52单片机连接采用SPI总线的方式。但由于89C52单片机内没有SPI总线，所以就采用软件模拟的方式来实现。89C52单片机与X25045“看门狗”芯片的连接见下图：
X25045引脚连接
89C52单片机上接上X25045“看门狗”芯片 ，用89C52的P10引脚接X25045的片选端 来进行X25045的片选端
来进行X25045的片选。同时，其复位引脚RESET接89C52的复位引脚RST，而当程序弹飞或死循环后，进行CPU的复位。用于增强抗干扰能力，以确保不会有死机现象，提高了巡回监测抗干扰能力。
A/D转换电路的设计
进行母线的接地检查时，将要测的两个电流值，即正母线的电流值和负母线的电流值，因为要通过这两个值,计算正负母线的绝缘电阻值。
将这两个电流值通过一定阻值的电阻后转化为电压值，再经过变换电路，即正母线上的电压通过同向放大器、负母线上的电压通过反向放大器后，接入TLV1544 A/D转换器中，将模拟信号转化成数字信号，然后接入89C52的P1口进行运算处理。连接图见下图 ：
TLV1544的引脚连接图
TLV1544的I/OCLK（第3脚）接上89C52单片机的P17脚，用来控制TLV1544的时钟输入。而TLV1544的数据输入引脚和数据输出引脚分别接89C52单片机的P15引脚与P16引脚。TLV1544芯片的片（第16脚）则由89C52单片机的P11脚来控制，进行片选。将经过放大器后得到的两个模拟量（两个电压值）IN_1和IN_2接入TLV1544的A0（第6脚）和A1（第7脚），来进行模拟量与数字量之间的转换。
3.2系统软件设计
该装置的系统监控软件是根据设计要求及硬件配置情况编制而成的，程序设计使用单片机高级语言C51语言，采用模块化的设计方法。全部程序包括主程序以及芯片驱动程序。主程序是直流系统的绝缘监测的核心，用来管理检查路数、处理数据、调用其它芯片的驱动程序。
经过实际测试运行，使用该装置的具体测量结果如表一所示。
表1 绝缘在线监测装置的实际测量运行分析
注：所有测量结果单位为KΩ，母线测量电阻R1、R2、R3为25 KΩ,电流传感器的量程为10mA
从测量结果可以看出：在绝缘电阻值比较小时测量精度比较高，而在绝缘电阻值比较大时测量精度降低。这是因为绝缘电阻比较大时，流过电流传感器和测量电阻的电流小，此时A/D转换器的±1误差降低了电流的测量精度，同时也降低了绝缘电阻的测量精度。在实际应用中，绝缘电阻的报警门限一般为30 KΩ左右，而在绝缘电阻低于100 KΩ时测量精度高于2%，完全可以达到要求。
4 结论
1．采用本文讨论的改进直流电桥法测量直流母线的绝缘电阻，可以达到对合闸母线和控制母线分别检测，从而避免了控制母线降压硅链对测量精度的影响。
2．本装置采用89C52单片机与若干集成电路芯片组成最小系统，结构紧凑、体积小、工艺简单且工作可靠、抗干扰能力强，用“看门狗”来避免有死机现象，提高了在线监测抗干扰能力。
3．与传统的数字电路相比，自动化程度高，工作性能好，利用计算机丰富的软件功能，通过采样、记忆、处理数据，合理实现了巡回监测直流系统各支路的自动化和智能化；能显示接地支路编号，并报警提示现场工作人员及时处理接地故障。
4．该装置采用微机技术使装置具有智能化、自动化以及维修方便等特点。整个装置可安装在屏上，也可将其置于平台上，直流系统绝缘监测装置经过调试，证明设计方案合理，运行监测可靠，达到指标要求，是直流系统巡回监测较理想的装置。
参考文献
1. Luo Bing. A New Merbad of noise Suppression for on Line Monitoring Patial Discharge in Transformers [C] .ISH-1995：22-24
2. Guan Genzhi，He Jingliang. A Study on the Line Monitoring and Measuring System for Electrical Equipment Insulation in HV Substation [C] .Proceeding of 1994 International Joint Conference，Osaka，Japan，1994：33-34
3. 肖文明.集中式绝缘在线监测系统运行分析[J] .高电压技术.1998，（1）：5
4. 关根志，贺景亮.电气设备的绝缘在线监测与状态维修.中国电力.2000（3）：46-49
5. 李秀卿，崔实.直流系统绝缘在线监测装置的改进.华北电力技术.2000：35-38
发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络，其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复， 又发生另一点接地故障，就可能引起信号回路、控制回路、继电保护装置等的误动作。因此，减少这种绝缘故障，必须有一个可靠的绝缘监测方法，从而及时发现问题，避免重大事故的发生。
绝缘在线监测的基本原理是电气设备处于运行状态中，利用其工作电压来监测绝缘的各种特征参数。因此，可以有效地反映绝缘的实际情况，从而对绝缘状况做出比较准确的判断。
电力直流系统的绝缘监测分为直流监测法和交流监测法，交流监测法排除了零点漂移，但是，由于各支路存在着分布电容，导致测得的接地电阻不仅含有电阻分量，也含有电抗分量，为一个复数，因此为提高精度必须去掉电抗分量，导致测量电路比较复杂，而且，对母线注入交流信号也导致了直流母线的纹波系数加大。本方案采用的是直流监测法，采用改进的直流电桥法检测母线的接地电阻，分为母线的接地电阻监测和支路的接地电阻监测。在监测过程中，先对母线进行监测，发现接地故障后，再对支路进行监测。
一般的直流绝缘监测方法是利用直流电源的控制母线的工作电压作为电源，通过检测正负母线的对地漏电流来测量母线的绝缘电阻。此方法的优点是检测电路简单、稳定性好；但是，由于现有直流测量方法的原因，无法准确测量直流电源合闸母线和各条电源馈出线的对地绝缘电阻，从而限制了其测量精度。
改进的直流电桥法母线的接地电阻检测是利用直流母线的工作电压，采用小电流传感器分别测量合闸母线、控制母线以及各条馈出线的对地漏电电流，分别计算出合闸母线、控制母线和各条馈出线的对地绝缘电阻，完成直流母线的绝缘电阻测量和接地选线，大大提高了测量精度和报警的准确性。
2 改进的直流电桥法绝缘电阻检测原理
改进的直流电桥法母线的接地电阻检测是利用直流母线的工作电压，采用小电流传感器分别测量合闸母线、控制母线以及各条馈出线的对地漏电电流，然后根据测量得到的电流和电压的对应关系列出方程组求解接地电阻，测量电路见图1。图中：RKX+、RKX-分别为正控制母线和负母线的对地的绝缘电阻，RHX+、RHX-分别为正合闸母线和负母线的对地绝缘电阻，为待测量；L1、L2为小电流霍尔传感器；R、R1、R2和R3都是已知的标准电阻，K1、K2和K3分别为正负母线的标准电阻选择开关。测量时通过切换开关K1、K2、K3的接通和关断，从而根据测量得到的流过R1、R2、R3的电流值和母线电压值计算出合闸母线和控制母线的对地绝缘电阻。
2.1合闸母线对地绝缘电阻的测量
闭合K1，此时测量电路的等效电路如图2。其中，RHX+、RHX-为正、负合闸母线对地绝缘电阻，IH+1、IH-1分别为闭合K1时正、负合闸母线对地漏电流，ICH1为小电流传感器可以测量的合闸母线电流差值，UH为合闸母线电压，由此可得到方程式：
闭合K3，此时测量电路的等效电路如图3。
其中，RHX+、RHX-为正、负合闸母线对地绝缘电阻，IH+2、IH-2分别为闭合K3时正、负合闸母线对地漏电流，ICH2为小电流传感器可以测量的合闸母线电流差值，UH为合闸母线电压，由此可得到方程式：
两组方程式联立，ICH1、ICH2、I31、I32可直接从电路中测出，因此可解出合闸母线对地绝缘电阻为：
在得到的绝缘电阻表达式中，UH、I31、I32、ICH1、ICH2的测量精度可以达到较高的精度，R1、R3可以选用高精度的精密电阻，因此采用此种测量方法可以达到很好的测量精度。
2.2控制母线对地绝缘电阻的测量
控制母线对地绝缘电阻的测量方中，开关的闭合顺序为K2、K1，检测电流为ICK1=IK+1-IK-1，计算公式与合闸母线的绝缘电阻的计算相似。
3 直流系统绝缘在线监测装置的设计
3.1 系统硬件结构
硬件电路采用89C52单片机作为主控芯片，管理绝缘电阻测量、接地回路选线和与主机之间的通讯等。测量流过测量电阻的电流值和小电流传感器的输出的采样采用12位的A/D转换器；小电流传感器的切换采用继电器阵列，尽量减小开关的导通电阻，提高测量精度。系统硬件结构如下图所示：
“看门狗”电路的设计
“看门狗”能使CPU从死循环和跑飞状态进入正常的程序流程，电路设计时应遵循的原则：
（1）看门狗电路必须由硬件逻辑组成，不宜由可编程计数器充当，因为CPU失控后，可能修改可编程器件的参数，使看门狗失效。
（2）CPU必须在正确完成所有的工作后才能发扫描输入信号，且程序中发扫描输入信号的地方不能太多。否则，正好那里有死循环，看门狗就不产生计满输出信号，不能重新启动CPU。
X25045芯片具有512个字节的
89C52单片机上接上X25045“看门狗”芯片 ，用89C52的P10引脚接X25045的片选端 来进行X25045的片选端
A/D转换电路的设计
进行母线的接地检查时，将要测的两个电流值，即正母线的电流值和负母线的电流值，因为要通过这两个值,计算正负母线的绝缘电阻值。
将这两个电流值通过一定阻值的电阻后转化为电压值，再经过变换电路，即正母线上的电压通过同向放大器、负母线上的电压通过反向放大器后，接入TLV1544 A/D转换器中，将模拟信号转化成数字信号，然后接入89C52的P1口进行运算处理。连接图见下图 ：
TLV1544的I/OCLK（第3脚）接上89C52单片机的P17脚，用来控制TLV1544的时钟输入。而TLV1544的数据输入引脚和数据输出引脚分别接89C52单片机的P15引脚与P16引脚。TLV1544芯片的片
3.2系统软件设计
该装置的系统监控软件是根据设计要求及硬件配置情况编制而成的，程序设计使用单片机高级语言C51语言，采用模块化的设计方法。全部程序包括主程序以及芯片驱动程序。主程序是直流系统的绝缘监测的核心，用来管理检查路数、处理数据、调用其它芯片的驱动程序。
经过实际测试运行，使用该装置的具体测量结果如表一所示。
注：所有测量结果单位为KΩ，母线测量电阻R1、R2、R3为25 KΩ,电流传感器的量程为10mA
从测量结果可以看出：在绝缘电阻值比较小时测量精度比较高，而在绝缘电阻值比较大时测量精度降低。这是因为绝缘电阻比较大时，流过电流传感器和测量电阻的电流小，此时A/D转换器的±1误差降低了电流的测量精度，同时也降低了绝缘电阻的测量精度。在实际应用中，绝缘电阻的报警门限一般为30 KΩ左右，而在绝缘电阻低于100 KΩ时测量精度高于2%，完全可以达到要求。
4 结论
1．采用本文讨论的改进直流电桥法测量直流母线的绝缘电阻，可以达到对合闸母线和控制母线分别检测，从而避免了控制母线降压硅链对测量精度的影响。
2．本装置采用89C52单片机与若干集成电路芯片组成最小系统，结构紧凑、体积小、工艺简单且工作可靠、抗干扰能力强，用“看门狗”来避免有死机现象，提高了在线监测抗干扰能力。
3．与传统的数字电路相比，自动化程度高，工作性能好，利用计算机丰富的软件功能，通过采样、记忆、处理数据，合理实现了巡回监测直流系统各支路的自动化和智能化；能显示接地支路编号，并报警提示现场工作人员及时处理接地故障。
4．该装置采用微机技术使装置具有智能化、自动化以及维修方便等特点。整个装置可安装在屏上，也可将其置于平台上，直流系统绝缘监测装置经过调试，证明设计方案合理，运行监测可靠，达到指标要求，是直流系统巡回监测较理想的装置。
参考文献
1. Luo Bing. A New Merbad of noise Suppression for on Line Monitoring Patial Discharge in Transformers [C] .ISH-1995：22-24
2. Guan Genzhi，He Jingliang. A Study on the Line Monitoring and Measuring System for Electrical Equipment Insulation in HV Substation [C] .Proceeding of 1994 International Joint Conference，Osaka，Japan，1994：33-34
3. 肖文明.集中式绝缘在线监测系统运行分析[J] .高电压技术.1998，（1）：5
4. 关根志，贺景亮.电气设备的绝缘在线监测与状态维修.中国电力.2000（3）：46-49
5. 李秀卿，崔实.直流系统绝缘在线监测装置的改进.华北电力技术.2000：35-38
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