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1、维普资讯 http:/?_东北电力技术 2001年 第 2期一种单片机型绝缘监察继电器的开发研制Research and DevelopmentofSingle Chip TypeInsulation M onitoring Relays刘成军 迟文信(大连电业局，辽宁 大连 l16001)摘要：分析了直流系统接地问题，介绍了开发过程和此继电器的原理、优点。该 继电器是利用先进电子技术、计算机技术改造传统设备的典型例子。关键词：不接地系统；动态电桥；开关电源；单片计算机中图分类号 TK5184 文献标识码B 文章编号 10047913(2001)020014031 现状分析在 GZD3040系
2、列电力系统用直流电源柜技术条件中规定 220V 直流系统中任何一极发生接地或绝缘下降到 25kQ时，绝缘监视装置应可靠动作，发出声光报警信号。这是由于变电所直流系统给控制、保护、自动装置、事故照明等回路供电，为了提高整个系统的可靠性，采用的是不接地运行方式。这样由于整个系统电位对地悬浮，当系统中有任意一点接地或绝缘不良时，系统照样能正常工作，不至引起事故；当有一点接地或绝缘不良后，要立即发现并尽快排除，否则当另有一点接地或绝缘不良时，将发生环流现象，若环流发生在合跳闸控制回路，将会引起断路器误动作，造成严重事故。故绝缘监视装置必须永久可靠地工作。提高绝缘监察装置的功能和性能的问题就摆在我们面前
3、。R2(一般取 68kQ)，正极对地绝缘电阻 R和负极对地绝缘电阻 R 构成直流电桥。接 地信号继电器 KE相 当于直流电桥的检流计，如果直流系统绝缘良好，RA R日一 OO，电桥处于平衡状态，KE中无电流流过或流过电流不足以使 KE 动作。当RA或 RB之一降低时，电桥失去平衡，KE线圈就有电流通过，当绝缘电阻降低至 l520 kQ 时，KE动作，报警触点闭合发出告警信号。但当两级绝缘电阻同时降低且 RA RB无 法报警，这是此继电器的致命弱点之一。此时若要了解绝缘不良极性及绝缘不良程度，还需人工参与才能测出。具体手动绝缘电阻测量是通过 ck的切换而形成图 2所示的示意图。E +2 课题提出
4、在大连电业局广泛应用的阿城继电器厂生产的ZJJ一1A型绝缘监察继电器，是完全传统的电工型继电器。我 们开发研制的新型继电器不能不考虑与其兼容、直接互换性。其监 察原理是采用静态平衡电桥，原理图如图 1，由于此电桥为静态电桥，线路电容 、 忽略不计：由电阻尺I、尺2及信号继电器 KE构 成绝缘监视的信号部分。其 中 R =】4 一图 1 传统直流绝缘监察装置原理图尺1、尺2 测试电桥的平衡桥臂；RA、尺B 正、负母线对地等效电阻KE 接地信号继电器维普资讯 http:/5 动态范围只有 15Uo，测量时易受干扰且测l Uo -量精度损失较大。+lR二A卜_ 二R二B卜J：lR YL七二hL，(+
5、) 一一 U()图 2 手动绝缘电阻测量简化图RA，RB 正、负母线对地等效电阻；Ry 测试电压表内阻，100 k0；、U(+)、 U(一) 现场测量得到通过两次测量，分别读出 U(+)和 U(一)，由电阻分压公式分别得出：fU(+l)：U0=解此二元一次方程得出：前+uT11一辟坠、一l=可见现场 计 算 比较 复 杂 ，并 且所用电压表为磁电系指针仪表，读取不方便、读数误差大。另外，绝缘监察继电器的报警阀值出厂时已确定，无法重新整定。在数字 仪表技术和微电子技术高速发展的今天，我们萌发了研制一种用模拟开关电路切换、用 A 电路采集、用单片计算机计算的一体化绝缘监察继电器。3 开发思路及技术
6、比较经过查阅大量技术资料，发现国内已有厂家开发制造出与我们思路相近的绝缘监视装置，但都用在接地检测仪中的辅助监视，是一套整体装置，不能直接替换现有 ZJJ一1A型绝缘监察继 电器，改造可能性极小 (因为造 价和空间体积问题难以解决)。并且原理也有需要改进的地方。下面将国内比较先进的 “ZJD型 电脑直流系统接地检测仪 ” 中绝缘监视部分的工作原理与我们设计的原理加以比较。图 3为此监视 部分的动态电桥的两种状态，分别引两电桥的 U 和 两个电压值。此动态电桥的动态范围没有充分利用母线电压的允许范围，即使正极 100接 地 (系统 中最糟糕的情形 )，即 RA=0时有 U=25Uo，V=1图 3
7、 zJD 型直流系统援地检测动态电桥原理图E+、E一 直流系统母线正、负极对地电压；RA、RB 直流系统母线正、负极对地绝缘电阻；CA、CB 直流系统母线正、负极对地绝缘电容；U、一 直流系统母线正、负极对地电压；R 试验电阻，电桥动态臂分别为 R 和 2R有鉴于此，我们想到了用手动测量绝缘电阻的原理和计算公式，用 0电阻代替一桥壁 ，并且取消电桥内臂另一电阻，这样既简化了计算公式，又使广L rL测量电压动态范围更大，+ 是整个R 母线电压一，A 一100保留了采集有用数字，原理如图 4 (注意此动态电桥并未引起人为接地，因为测量电阻 R 选定为 100kt2，对 系统来说是完全安全的)。下甘
8、图 4 绝缘监察继电器动态电桥原理 RP 已知测量电阻； Uo母线电压；【r_ 第 1种状态下电压；、厂_ 第 2种 状态下电压；后三者为循环测量得到；1 第 1种状态下此开关为闭合；2 第 2种状态下此开关为闭合；RA=R上；R日=墨L此动态电桥的循环检测不需人为控制，由单片计算机自动循环切换、测量、计算、比较、显示、报警。我们还经过试验确认：此计算公式不但可以测量出正、负极同时绝缘不良的情况，还可以检测出电池组中间单体绝缘不良的情况，在此就不做进一步的分析。15 一+(6)一(2)_一_一一 开 关隔离电源1 (TOP221)E PROM 、看 门 狗、定 器(1)V-一一 i二 j1(M
9、AX25045)f 模拟开关组件f 量一 一一 一 一三1一 AA3转换器 一 _二二1显示、按钮(ICL7135)一告警接点 二ck1 ck2(6、7j(4、8)图 5 绝缘监察继电器硬件结构维普资讯 http:/电器的电子部分工作电压只有 5 V，并且体积小，故电源部分的发热一定要小，经过查找资料和试验，用TOP221为主要器件，制作了一个开关电源，提供了隔离、低发热量的电源电路，并且此电源的输入电压范围为 100300 V，故此绝缘监察继电器实现了 110V、220V 通用。模拟开关组件用一对高反压光电继电器，目的是提供功耗小、无机械触点的隔离控制；试验电阻选用 100 kQ。光电继电器
10、、试验电阻分压电阻等动态电桥组件被封装成一个模块，以提高其稳定性、可靠性。c程序简要方框图如图 6。我们采用开关工作电源等新技术、新器件，使体积缩小至原通用绝缘监察继电器的大小，保持其外型及引脚结构，可以直接替换已普通运行的 ZJJ一1A型绝缘监察继电器。1L T 一厂；Lr- 馨4 系统框图、元件选用及程序框图a 此监察继电器的系统框图见图 5。其中括弧内数字表示引脚位置。并且利用闲置 5、7脚 增加了一组报警接点，省去了外接信号继电图 6 绝缘监察继电器程序框图器。b 在元件选用方面，CPU 选用的是大家熟悉的 89C52单 片机，由于其内部自带程序存储器(FLASHROM)及数据存储器，
11、已经足够用，故简化了电路，缩小了体积。且是 CMOS器 件，功耗较低。为了掉电也能存储设备的门限，我们选用了带有 E2PROM 的 MAX25045，其 内部的定时器正是为了防止系统死机设计的看门狗所需要的，可谓5 结束语这种继电器可以直接替换 ZJJIA型绝缘监察继电器，尺寸、管脚完全相同，它直接显示正、负极对地电阻值，且两极同时对地绝缘不良时照常能显示接地电阻值和报警，110V、220V 系统通用，可随意设定报警电阻门限，并且自身有声音报警，增加一组报警接点，免除外接信号继电器。在我们“件多用”。此 IC 的应用，使我们不必担心掉电直流室试用一段时间后又在我局民主变和明泽变各一和任何突发性干扰，系统均能在看门狗的硬件复位试用了一块，运行 1个 多月，未发生任何不良现下重新启动。象，并且得到了变电运行人员的认可。AD转换器选用了与单片机接口方便、抗工作者简介：频干扰能力强并且精度十分高的 4 位双积分型ADCICL7135。通过模拟开关组件的转换，分别测得 、 U、 ，供 CPU读取、计算。工作电源也是此继电器的技术关键，由于此继刘成军，男，工程师，工学学士，现从事直流系统试验、维护等工作。(收稿日期 20001115)】6 一