0 引言

　　在IT系统中，单点接地故障是一种很常见的故障。一旦出现单点接地▅故障，IT系统就会变为TN-S系统，虽然可以带故障继续运行，但已经∏失去了IT系统的△优点，增加了安╱全隐患。因此需要实时监测系统的对地绝缘状况，并在监测到对地绝缘故障时，能通过仪表自动定位故障点支路。若没有自动定位功能，一旦出现故障，只能依靠人工对多达数十条、数百条，乃至成千上万条负载支路〖逐条断电查找，不仅费时费力，更严重㊣　破坏了供电连续性。这在某些需要连续供电的特殊场所(如医院手术︽室等)是不允许的。

　　基于上述情况，本文设计了一种绝缘故障定位用信号发生器，它装设于IT系统中， 配︾合绝缘故障定位装置实现绝缘故障定位功☉能。当IT系统发生绝缘故障时，信号发生器启动并产生定位信号，注入到IT系〗统与地之间。绝【缘故障定位装置通过传感器逐路巡检，当检测到定位信号流经某支路时，便可确定该支路为绝缘故障所在回路。此时，操作人员可有目的性的针对该故障支路进行断电或其它保护操作，不必逐条支路断电进行排查，不仅提高了工作效率，也有效的保障了系统供电的连续性。因此，对电力系统供电的安全性、连【续性和可靠性具有极其重要的意义。

　　1 信号发生原理

　　信号发生器的工作原理是当IT系统发生单点接地故障时，轮流在系统某√根线与大地之间注入定位信号，以便绝缘故障定位仪能在故障支路上监测到定位信号。

　　在IT系统中，注入的测试信号有效值▆必须足够小，以免对IT系统形成太大干扰，，甚至对系▓统负载造成危害;但又要有足够大的峰值，以便在故障支路上形成足■够大的电流，使◤故障定位仪的电流互√感器能正常监测。

　　考虑以上两种情况后，本文采用脉冲信号作为测试信号。脉冲信号幅度足够大、宽度足够窄，就可实现足够小的有效值、足够大的峰ㄨ值两个期望目标。从简化设计的角度出发，没必要在信※号发生器上直接产生高压脉冲信号，可通过截取IT系统中交流信号的波峰来实现→◣。

　　对于单相交流IT系统， L1、L2线间电压为AC 220V，其峰值为220V，满足脉冲峰值足够大的要求。为满足有效值足够小的要求№，本文依照标准▅IEC61557-9的“定位信号电压的有效值不允许超过50V”的规定，将电压阈值设为50V。

　　利用单片♂机的定时器功能，配合光耦，可以精确ㄨ截取0.4ms的峰值脉冲。由于0.4ms<0.4304ms<0.5165ms，且实际截取的脉冲信号中，除波峰一点外，其余点幅度均小于V，因此其有效值一定会小于设定的阈值(50V)，满足脉冲有效值足够小的要求。

　　2 硬件设计

　　信号发生器的硬件功能模块主要→包括电源模块、中央控制模块、监测模块、信号□　发生模块、通信模块、指示灯模块。

　　信号发生器上电后，CPU即通过监测模块对IT系统的电压进行〇实时监测，测量出IT系统的交流频率。当系统发生对地绝缘故╱障时，信号发生器根据测量¤出的频率大小，确定测试信号的脉冲宽度以及脉冲频率，截取系统ω　波峰，产生测试信号，轮流加到L1-PE、L2-PE间。由于发生绝缘故】障，故障支路⌒可等效为一较小电阻，连接IT系统发生故障的线】路以及大地，形成电流回路，因此测试信号能在故障支路上产生测试电流。绝缘故障定位仪逐路巡检各支路时，在某支路上监测到此测试电流，即可判定此条支路为故障支路。本设计中，中央控制模块选用ST的32位ARM -M3内核单片机STM32F103。该芯片处理々速度快，最高运行速度可¤达72MHz;具有丰富的片内外围资源，内部有20KB的片内RAM和多达64KB的FLASH闪存，带有多通道的12位A/D转化模块，以及多个SPI、C、CAN等通信接口，大大简化了外围电路的设＠计。

　　3 软件设计

　　信号发生器的控制程序由C语言编写，在程序设计中采用了结构化程序设计方法，便于程◥序代码的维护、移植和升级。系统︾上电后，首先完成各模块的初始化和自检，确保系♀统工作的可靠性;然后确定系统中各部分硬件电路正常后，自动进入正常工作模♀式。 为了保障信号发生器运行准确与可靠，保证设备不会误动，软件上采用了特定的程序算法进行处理。

　　(1)数字滤波算法。信号发生器采用数字滤波算法滤除信号中谐波、噪声□等干扰，只让有用的信号◥参与结果运算，从而使计算的结果更加精确々可靠。

　　(2)IT系统交流频率自适应法。因为工作环境的多样∴性，工作电压不①一定就是50Hz，实际中的电压频率可♀能更高或更低，因此要通过监测模块实时监测IT系统的交流频率。监测模块将比ㄨ较L1、L2线间的电压，UL1>UL2和UL1t2或t2>t1的现象。如果t1+t2=20ms(即系统交流频率█为50Hz)，出现系统对地绝缘故障时，就可在与之间截取≡一段宽度为0.4ms的脉冲，在与之间截取一段宽度为0.4ms的脉冲。

　　在系统电压的每个周期，信号发生器截取2次脉冲，分别在L1-L2的正半波波峰处，以及L1-L2的负半波波峰处)。若㊣故障点在L1线上，则在L1-L2的负半波波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正，能被绝缘故障定位仪监№测到;若故障ㄨ点在L2线上，则在L1-L2的正半波波峰处截取的脉冲波形可以在故障支路上表现为正，能被绝缘故障定位仪监测到。

　　如果t1+t2=10ms，考虑到》脉冲有效值小于50V的需求，那么可以不用每个周期截取2次脉冲(L1-L2正半波，L1-L2负半波)，而选择每两个周期截取两次脉冲(L1-L2正半波，L1-L2负半波)。其它频率依次↓类推即可。

　　定位信号发生器实物如图5所示，它采用DC 24V供电，面板上有“运行”、“通讯”以及“测试”LED指示←灯显示工作状态。

　　当IT配电系统无故障运行时，信号发生器自动▲监测系统频率。当IT配电系统发生单点接地故障时，信号发生器产生测试脉冲№信号，配合绝缘』监测仪、绝缘故障定位仪定位故障支路。

　　信号发生器已通过型式试验检验，各项指标均达到国家标准的要求，目前已成功应用于某医院重症监护室，如图6所示。通过通信线路，绝缘监测仪、绝缘故障定位仪和信号发⊙生器构成一个局域网络。信号发→生器上电后自动进入监测模式，监测IT系统的频率。当绝缘监测仪监测到IT系统发生对地绝缘故∑　障时，通过通信线路，启动信号发生器和绝缘故障定位仪，进入信号发生模式和故障定位模式。

　　该波⌒　形存在大量的杂波干扰，峰值也较理论的偏小(图中正弦波形为系统电压，作为比照)，但还是满足绝缘故障定位要求。在绝缘▓故障定位仪端监视到的波形，经过滤波等』预处理操作后。监测到的脉冲波形比干扰波形要高，形成一个明显的落差。通过设定适当的阈值，配合脉冲宽度等条件，可准确判断出此支路是否有测试信号通过，即此支路是否有绝缘故障。

　　监测到故障支路后，绝缘故障定位仪显示故障▽支路数，同时通★过通信线路，将故障支路信息返回给绝缘监测仪。绝缘监测仪收到信息后立即报警，通过界面显示故障支路数，同时命令信号发『生器和绝缘故障定位仪停止发出信号和故障定位，信号发生器再次进入监测模式。

　　在现场对系统进≡行调试，模拟绝缘故障100次，绝缘故障◥定位率为100%，这充分证明了该信号发生器的可行性。

　　4 结束语

　　本文设计的信︾号发生器具有自适应IT系统频率，注入高峰值、低〓有效值脉冲波形，多系统组网等功能，并可通过面板指示灯显示当前工作状态。该信号发生器符合国家相关标准，配合绝缘监测仪、绝缘故障定位仪，能为IT系统提供安全、可靠的供◥电解决方案。