基于MSP430的直流接地檢測系統

直流電源系統主要負責為電力生產(chǎn)過(guò)程中的控制設備、保護設備等供電。絕緣性能下降和直流母線(xiàn)接地是直流電源系統常見(jiàn)的故障。一旦直流電源發(fā)生故障后，會(huì )影響控制設備和保護設備的正常工作，故障嚴重時(shí)甚至會(huì )導致控制設備的錯誤控制和保護設備的拒保護，從而引發(fā)生產(chǎn)事故。因此對直流電源系統的絕緣性能檢測和接地檢測是值得重視的問(wèn)題。常見(jiàn)的直流接地檢測系統，多采用平衡電橋原理檢測母線(xiàn)的絕緣電阻，采用雙頻探測原理檢測支路的絕緣電阻，并查找接地支路。但平衡電橋原理不能檢測正負母線(xiàn)絕緣電阻等比例下降情況下的電阻值，而雙頻探測原理需要向系統中注入交流信號，會(huì )加大直流電源系統的紋波。本文介紹的直流接地檢測系統采用“平衡-不平衡法”檢測母線(xiàn)電壓，采用漏電流傳感器檢測支路絕緣電阻，有效地克服了上述方法的缺陷。
直流接地檢測系統主要用于測量直流系統的對地絕緣電阻、檢測母線(xiàn)接地故障。具體檢測內容包括：測量正負母線(xiàn)對地電壓、正負母線(xiàn)電壓差、正負母線(xiàn)對地絕緣電阻、各支路對地絕緣阻值。當發(fā)生接地故障時(shí)，判斷接地母線(xiàn)的正負極性和并查找具體接地支路。

1 直流接地檢測原理
1．1 直流接地檢測系統工作原理
直流供電系統由于長(cháng)時(shí)間在惡劣環(huán)境中工作，線(xiàn)路、連接器、接線(xiàn)端子、刀閘等會(huì )產(chǎn)生老化，從而導致正負母線(xiàn)的絕緣性能降低，對地絕緣電阻減小，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成直流電壓。這樣在每個(gè)用電負載的輸入和輸出線(xiàn)路上安裝一個(gè)非接觸式直流漏電流傳感器，就能檢測出每個(gè)用電負載或者線(xiàn)路的漏電流。直流接地檢測系統則根據漏電流傳感器的感應電壓求出漏電流的大小。然后通過(guò)“平衡-不平衡法”檢測出正負母線(xiàn)對地電壓，根據母線(xiàn)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原理
平衡-不平衡檢測法，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的接通與斷開(kāi)，順序往被測線(xiàn)路中接入不同的平衡與不平衡電阻網(wǎng)絡(luò )，并同時(shí)測量檢測點(diǎn)A的電壓Un，根據接入的網(wǎng)絡(luò )結構和測得的Un電壓值，可以計算出母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻。該方法能夠有效地克服電橋平衡原理檢測法不能檢測正負母線(xiàn)絕緣電阻同比例下降的缺陷，也避免了雙頻探測法對直流供電系統供電紋波的影響。平衡-不平衡檢測法檢測流程，如圖2所示。

如圖2所示，U+和U-為被測線(xiàn)路的母線(xiàn)供電電壓，正常工作時(shí)兩母線(xiàn)間的電壓差Ux+y為440 V，且隨蓄電池內阻變化。Rx，Ry分別為被測線(xiàn)路的正母線(xiàn)絕緣電阻和負母線(xiàn)絕緣電阻。正、負母線(xiàn)絕緣電阻反映的是64路的正、負支路的總體絕緣性能，等效于各個(gè)支路的正、負絕緣電阻的并聯(lián)，正常時(shí)兩母線(xiàn)絕緣電阻>20 kΩ。Ux和Uy為正負母線(xiàn)對地電壓，大小隨正負母線(xiàn)的絕緣電阻變化，但兩母線(xiàn)電壓差恒定為Ux+y。為了檢測正負母線(xiàn)電壓Ux，Uy，Rx，Ry，系統采用了“平衡-不平衡檢測法”檢測母線(xiàn)電壓和母線(xiàn)絕緣電阻。計算公式如式(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

根據歐姆定律及分壓原理可以求出


2 系統硬件設計
直流接地檢測系統采用低功耗處理器MSP430F149為硬件核心，外圍電路可分為數據采集模塊、人機交互模塊、處理器模塊。數據采集模塊負責檢測64路支路的漏電流、母線(xiàn)電壓、母線(xiàn)絕緣電阻；人機交互模塊負責進(jìn)行液晶顯示和鍵盤(pán)輸入；處理器模塊負責協(xié)調整個(gè)系統的數據處理，數據存儲，人機交互等。具體的硬件結構框圖，如圖3所示。