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基于Cotex-M3的直流绝缘监测模块硬件设计

基于Cotex-M3的直流绝缘监测模块硬件设计

[导读] 直流系统是否能够安全可靠运行直接影响着电力系统的安全与稳定,它的绝缘性能降低直接会导致电力系统安全故障。
关键词:Cotex-M3ST公司RS485

  直流系统是否能够安全可靠运行直接影响着电力系统的安全与稳定,它的绝缘性能降低直接会导致电力系统安全故障。因此基于现有绝缘监测技术的基础,利用ST公司Cotex-m3芯片开发了一款模块化的直流绝缘监测模块,可实现直流绝缘在线检测并及时给出告警。在100V直流系统中测试,实验结果证明该装置具有高可靠性、高稳定性。
  1.系统绝缘检测原理
  1.1 平衡桥-非平衡桥检测法
  平衡桥-非平衡桥检测法是通过模拟平衡状态和非平衡状态来实现的。绝缘电阻对地检测原理如图1所示。

  


  在需要检测直流系统绝缘时,首先控制K1闭合,K2、K3断开,CPU采集到CL+对地电压UL1及CL-对地电压UN1,得出公式(1):

  


  注:R1:平衡桥CL+对地电阻;R2:平衡桥CL-对地电阻;R5:CL+对地电阻;R6:CL-对地电阻。
  然后对CL+对地电压及CL-对地电压进行比较,当CL+对地电压大于CL-对地电压时,CPU控制K2闭合,采集到CL+对地电压UL2及CL-对地电压UN2,得出公式(2):

  


  注:R1:平衡桥CL+对地电阻;R2:平衡桥CL-对地电阻;R3:非平衡桥CL+对地电阻;R4:非平衡桥CL-对地电阻;R5:CL+对地电阻;R6:CL-对地电阻。
  如果当CL+对地电压小于CL-对地电压时,CPU控制K3闭合,采集到CL+对地电压UL3及CL-对地电压UN3,得出公式(3):

  


  注:R1:平衡桥CL+对地电阻;R2:平衡桥CL-对地电阻;R5:CL+对地电阻;R6:CL-对地电阻;R3:非平衡桥CL+对地电阻;R4:非平衡桥CL-对地电阻。
  通过公式(1)与公式(2)或公式(3)可以计算出CL+对地电阻R5及CL-对地电阻R6.
  1.2 系统整体功能介绍
  直流绝缘监测模块整体框图如图2所示:
  系统在收到后台监控的命令后开始检测绝缘状态,通过控制切换平衡桥与非平衡桥采集相关电压数据,经处理后送人CPU,CPU根据平衡桥-非平衡桥检测法对数据进行处理后得到实际直流母线对地绝缘值,然后通过通讯送到后台,当绝缘值达到一定范围时,向后台发出告警,后台提示相关人员进行处理。

  



  2.系统硬件设计
  2.1 系统核心电路
  本系统采用ST公司的STM32F107RC处理器,主要应用了芯片的USART、CAN、SPI总线、I2C及GPIO等功能,其系统核心电路结构图如图3所示:

  


  系统通过RS485接口与上位机系统进行通信,实时传输直流系统绝缘情况;通过I2C扩展的存储器EEROM用来存放一些系统给定值;复位电路确保系统的可靠稳定运行,开入开出用来检测一些系统状态并及时给出告警;系统绝缘检测电路主要是利用外部ADC+光耦+分压桥臂电阻的方式实现。
  2.2 绝缘检测电路
  绝缘检测电路主要是应用平衡桥--非平衡桥原理进行检测,具体检测电路结构图如图4所示:

  


  通过平衡桥-非平衡桥电路检测到不同的电压状态,经过运放电路进行放大,输入到ADC把模拟电压值转换为数字电压值,然后通过光耦隔离进入CPU进行计算处理,得出实际接地电阻值并给出告警。
  3.实验结果
  把精密电阻接在CL+与PE之间或CL-与PE之间,用该硬件检测电路检测接入的精密电阻值,结果如表1所示:

  


  通过实际检测验证,8KΩ到100KΩ范围内检测精度能够达到5‰,完全能够满足系统需求。
  4.结论
  采用本文的硬件电路设计测量直流系统的对地绝缘电阻,检测精度高、可靠性高,对电力系统的安全运行产生了积极的影响,给现场运行人员提供很大方便。
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