楊濤，王金全，徐曄，李乾，呂強(qiáng)

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IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)研究綜述

楊濤，王金全，徐曄，李乾，呂強(qiáng)

（解放軍理工大學(xué)，南京 210007）

絕緣監(jiān)測(cè)裝置是IT系統(tǒng)保持高供電可靠性的重要條件?？偨Y(jié)了現(xiàn)有絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理，分析了各中絕緣監(jiān)測(cè)方法存在的問(wèn)題；并對(duì)國(guó)外絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了介紹。得出低壓IT系統(tǒng)對(duì)地阻抗模型以及新型故障診斷方法方面的研究能夠促進(jìn)IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的結(jié)論。

IT系統(tǒng) 絕緣監(jiān)測(cè) 對(duì)地阻抗模型 自適應(yīng)故障診斷

0 引言

IT系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻接地的系統(tǒng)[1-2]，當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障回路只包含接地阻抗、線路阻抗、分布電容，形成的故障電流非常小，不會(huì)威脅到設(shè)備和人身的安全，可持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。如果工作人員借助絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備或其他工具能夠及時(shí)排除故障，則無(wú)需中止供電，電網(wǎng)具有較高的供電安全性和可靠性。這一特點(diǎn)使得低壓IT系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，如發(fā)電廠的廠用電、煤礦、船舶、手術(shù)室等[3-6]。

IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)是對(duì)系統(tǒng)的絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)診斷系統(tǒng)絕緣故障，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)而消除單相接地故障，實(shí)現(xiàn)IT系統(tǒng)有效持續(xù)供電。因此，研究IT系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)具有重要的意義。

1 IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

早在六十年代，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就有針對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)相關(guān)方面的研究。七十至八十年代，隨著單片機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展及在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了在線診斷技術(shù)。九十年代后，隨著傳感技術(shù)、信號(hào)分析處理技術(shù)的發(fā)展，故障診斷技術(shù)更是有了跨越式的發(fā)展。我國(guó)的絕緣故障診斷技術(shù)主要始于上世紀(jì)八十年代，高等院校和電力部門科研院所都相繼開(kāi)展了這方面的研究。

1.1 國(guó)內(nèi)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1直流疊加法[7-9]

這種方法是將直流電壓在線疊加于電網(wǎng)電纜，通過(guò)測(cè)量流過(guò)電纜的直流電流來(lái)進(jìn)行診斷，如圖1所示。圖中，a、b、c和a、b、c分別為發(fā)電機(jī)的相電勢(shì)和內(nèi)阻抗，為直流電勢(shì)源，0和1分別為限流電阻和測(cè)量電阻。

其基本原理為向電網(wǎng)中性點(diǎn)注入直流源信號(hào)，然后根據(jù)測(cè)量電阻上的電壓和相關(guān)已知參數(shù)計(jì)算得到系統(tǒng)的總絕緣電阻值。由于大容量發(fā)電機(jī)組的內(nèi)阻抗相對(duì)限流電阻和測(cè)量電阻來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)，可將直流電動(dòng)勢(shì)單獨(dú)作用的等效電路圖簡(jiǎn)化。通過(guò)對(duì)測(cè)量電阻1上的穩(wěn)態(tài)電壓（直流）采集測(cè)量，可根據(jù)公式計(jì)算出電網(wǎng)對(duì)地的絕緣電阻R（三相對(duì)地絕緣電阻的并聯(lián)值）：

1.1.2雙頻法[10-12]

雙頻法的基本原理是，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低絕緣故障（絕緣電阻值仍較大）時(shí)（如支路i絕緣電阻下降至），裝置依次向電網(wǎng)某相與地間疊加兩個(gè)頻率分別為1和2正弦波信號(hào)，其原理見(jiàn)圖2。圖中，a、b、c為發(fā)電機(jī)相電勢(shì)，Ai、Bi、CCi為第i條負(fù)載支路的對(duì)地電容，為故障接地電阻，漏電流傳感器環(huán)套于每條負(fù)載支路上。

假設(shè)注入信號(hào)頻率為1時(shí)，故障支路的對(duì)地電壓為if1，漏電流為if1；頻率為2時(shí)，故障支路的對(duì)地電壓為if2，漏電流為if2，則可列出如下方程：

(3)

由此求得故障負(fù)載支路的對(duì)地絕緣電阻的大?。?/p>

當(dāng)絕緣電阻值低于設(shè)定值時(shí)，則判定該支路為絕緣故障支路。另外，將帶入式(3)或式(4)中還可求得線路對(duì)地電容。

1.1.3單頻法[13-15]

針對(duì)雙頻法需要注入不同頻率的信號(hào)導(dǎo)致絕緣監(jiān)測(cè)裝置變得復(fù)雜而可靠性降低的問(wèn)題，提出了單頻信號(hào)注入法的檢測(cè)方案，其基本原理是向電網(wǎng)中性點(diǎn)注入一個(gè)穩(wěn)定頻率的正弦波信號(hào)，原理圖與雙頻法類似，但注入源只需提供穩(wěn)定頻率的單一信號(hào)。

若用表示注入信號(hào)頻率，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，設(shè)流經(jīng)各支路的注入信號(hào)電流為1…n，其表達(dá)式如下：

其中，f—注入信號(hào)對(duì)地電壓；n—第n條支路的漏電流；—2π；n—第n條支路對(duì)地電容。

當(dāng)支路i絕緣下降（或發(fā)生單相接地故障）時(shí)，則漏電流變?yōu)椋?/p>

其中，表示該支路對(duì)地絕緣電阻值。

則故障支路的絕緣阻抗值為：

比較式(5)、式(6)可知，故障支路中由注入信號(hào)產(chǎn)生的頻率為的電流值比非故障支路大，可通過(guò)比較各支路中的漏電流幅值的大小來(lái)判別故障支路。通過(guò)測(cè)量值|i|實(shí)部和虛部分別相等計(jì)算得到絕緣電阻。

1.1.4 “S”注入法[16]

“S”注入法選線定位原理不利用非直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的故障量，而是向系統(tǒng)注入外部信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)注入信號(hào)的傳輸路徑和特征進(jìn)行故障選線、測(cè)距和定位，原理圖如圖3所示。一般從電壓互感器二次側(cè)注入電流信號(hào)，其頻率取在工作頻率的各次諧波之間，一般選擇110 Hz，從而保證不被工頻分量及高次諧波分量干擾。注入電流信號(hào)沿接地線路的接地相流動(dòng)，并經(jīng)接地點(diǎn)入地，非故障線路上注入電流信號(hào)較小，用信號(hào)探測(cè)裝置對(duì)每一條出線進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)到注入信號(hào)的線路即故障線路。

圖3 “S注入法”原理示意圖

1.1.5零序電流法[17]

系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，對(duì)應(yīng)支路將產(chǎn)生零序電流，通過(guò)比較系統(tǒng)支路中零序電流的幅值特性和相位特性來(lái)選出故障支路。目前利用零序電流原理的選線方法主要有：零序電流比幅法、零序電流相對(duì)相位法、群體比幅比相法、零序功率法、零序?qū)Ъ{法等。

1.2 國(guó)外研究趨勢(shì)

國(guó)外已經(jīng)有學(xué)者提出了一些能夠提供更多系統(tǒng)絕緣狀態(tài)信息的故障診斷方法，分析了環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)絕緣的影響，探索了新的研究方向。

圖4 零序電流法基本原理圖

David L. McKinnon（美）[18]采用絕緣電阻變化曲線來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的絕緣性能，以提供更多絕緣下降信息。根據(jù)絕緣電阻的變化曲線的形狀將絕緣狀態(tài)分為：正常、潮濕、污染、脆化四種[22]。不同外界環(huán)境條件下絕緣電阻的變化曲線形狀差異較為明顯，通過(guò)絕緣電阻變化曲線可以判別絕緣狀況、分析絕緣下降類型。

S.A. Bhumiwat(新西蘭)[19]使用絕緣電阻、電容聯(lián)合來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)絕緣性能的優(yōu)劣，使用極化、去極化電流，電容比，介電損耗角正切來(lái)診斷系統(tǒng)絕緣故障，研究了這些因素對(duì)電介質(zhì)電導(dǎo)過(guò)程和極化過(guò)程的影響。文章指出，不同的系統(tǒng)分布電容不同，其報(bào)警值的參考價(jià)值不大。分布電容配合絕緣電阻共同作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)絕緣性能的效果要優(yōu)于單一的絕緣電阻。

Reza Soltani(加拿大)[20-22]分析了濕度對(duì)電機(jī)匯流條充電、放電電流的影響及絕緣電阻、極化指數(shù)、介質(zhì)損耗角正切等的變化情況。并用多種材料在不同的濕度條件下試驗(yàn)，結(jié)果表明隨濕度升高試驗(yàn)材料的泄露電容也隨之增大，絕緣性能下降。。

2 現(xiàn)有方法的不足

現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)絕緣監(jiān)測(cè)方法還存的問(wèn)題：

1）零序電流法利用小電流接地系統(tǒng)中零序電流的幅值和相位特性作為綜合判據(jù)的選線方法，該方法雖然可以較準(zhǔn)確地判斷出單相低絕緣故障支路，但當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)單相高阻絕緣故障或三相對(duì)地絕緣同時(shí)降低時(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確選出故障支路。

2）“S注入法”中，由于電網(wǎng)中存在一些與注入信號(hào)頻率接近的頻率信號(hào)，干擾選線。上述兩種方法均只針對(duì)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后進(jìn)行故障選線，不能提供整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)絕緣狀態(tài)信息。

3）直流法監(jiān)測(cè)的是整個(gè)電網(wǎng)的絕緣情況，在各支路加裝互感器后能夠進(jìn)行選線，但是無(wú)法測(cè)量系統(tǒng)的分布電容大小。

4）雙頻法監(jiān)測(cè)的也是整個(gè)電網(wǎng)的絕緣情況，但需要分別注入兩種頻率的監(jiān)測(cè)信號(hào)，且計(jì)算的絕緣電阻值不如直流法精確。

5）單頻法中采用事先估計(jì)的方法來(lái)確定系統(tǒng)電纜的分布電容值，雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算，但未考慮系統(tǒng)絕緣下降時(shí)分布電容值也會(huì)隨之下降，計(jì)算結(jié)果誤差較大。

國(guó)外對(duì)絕緣方面的研究思路較為廣泛，也產(chǎn)生了許多研究成果，但仍存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）沒(méi)有形成統(tǒng)一的絕緣影響因素的理論；

2）沒(méi)有應(yīng)用理論進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)實(shí)際的案例；

3）研究對(duì)象大多為大型旋轉(zhuǎn)電機(jī)等設(shè)備，針對(duì)IT系統(tǒng)的整體絕緣性能研究較少。

3 絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展展望

IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)中亟需解決的一大難點(diǎn)為線路對(duì)地阻抗模型。建立線路對(duì)地阻抗模型，能夠深入分析IT系統(tǒng)絕緣性能的影響因素，研究評(píng)價(jià)絕緣水平的指標(biāo)。另外，傳統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)理論使用固定的絕緣電阻值來(lái)判別系統(tǒng)是否發(fā)生絕緣故障，這在環(huán)境多變或者老化損壞較快的系統(tǒng)中是不可行的。因此，絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)往后可能會(huì)向以下兩方面發(fā)展：

1）理論研究方面，隨電介質(zhì)理論認(rèn)識(shí)的不斷深入，IT系統(tǒng)對(duì)地阻抗模型越來(lái)越符合實(shí)際情況；

2）工程應(yīng)用方面，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，可能產(chǎn)生一些能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自動(dòng)調(diào)整故障判據(jù)報(bào)警值的新型故障診斷方法。

4 結(jié)語(yǔ)

文章對(duì)國(guó)內(nèi)外IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后對(duì)IT絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。IT系統(tǒng)低壓配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻抗模型的深入理解，以及能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自適應(yīng)改變報(bào)警值的故障判別方法在今后的研究中應(yīng)該得到重視。

[1] GB50054-2011, Code for design of low voltage electrical installations [S]. 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范. 2012.

[2] 上海電動(dòng)工具研究所, 等. GB14050-2008中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2009.

[3] 王厚余. 低壓電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)[M].北京: 中國(guó)電力出版社, 2007.

[4] 王厚余. 論IT系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．建筑電氣, 2008(11): 3-6.

[5] 吳恩遠(yuǎn), 馬名東, 徐軍. IT系統(tǒng)在醫(yī)療場(chǎng)所的應(yīng)用及絕緣監(jiān)測(cè)功能擴(kuò)展[J]. 建筑電氣, 2010, 29(4): 19-22.

[6] 王巍, 王金全, 徐曄, 等. IT系統(tǒng)配出中性導(dǎo)體問(wèn)題簡(jiǎn)析[J]. 建筑電氣, 2011, 11.

[7] 胡紀(jì)五, 吳慶明, 馬晉嶸. 電纜絕緣電阻在線測(cè)量的研究. 電測(cè)與儀表, 2000, (5): 9-12.

[8] 曹健, 郭建明, 陳亮. 船舶電網(wǎng)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 船電技術(shù). 2008, 28(5): 277-280.

[9] 王昌長(zhǎng), 李福祺, 高勝友. 電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與故障診斷[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社(第三版), 2006.

[10] 莊勁武, 徐國(guó)順, 戚連鎖, 等.雙頻法在浮地交流電網(wǎng)絕緣故障定位中的應(yīng)用[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2003, 23(2): 83-86.

[11] 楊鋒, 沈兵, 莊勁武, 等. 艦船電網(wǎng)小電流接地選線的工程應(yīng)用研究[J].繼電器, 2005, 33(3): 34-36.

[12] 李建民. 基于附加低頻信號(hào)的單相接地故障選線法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2008, 28(4): 23-27.

[13] 王勇, 張哲, 尹項(xiàng)根. 單頻法絕緣監(jiān)測(cè)原理與仿真分析[J]. 船電技術(shù), 2007, 27(5): 277-281.

[14] 王勇. 船舶交流電力系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[15] 叢偉, 李盼盼, 李洪濤, 等. 基于恒頻注入信號(hào)的消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(19) : 185-189.

[16] 張慧芬. 配電網(wǎng)單相接地故障檢測(cè)技術(shù)研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2006.

[17] 束洪春. 配電網(wǎng)絡(luò)故障選線[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2008.

[18] 林湘寧, 高艷. 基于零序補(bǔ)償導(dǎo)納的小電流接地系統(tǒng)單相故障保護(hù)新方法.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 26(10):45-49.

[19] David L. McKinnon, Tampa. Insulation resistance profile (IRP) and its use for assessing insulation systems [J]. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, 2010.

[20] S.A. Bhumiwat. Insulation Resistance and Polarization of Rotating Machines[C]. 2011 Electrical Insulation Conference, Maryland, 2011: 249-253.

[21] Reza Soltani, Eric David, Laurent Lamarre. Effect of humidity on charge and discharge current of large rotating machines bar Insulation [J]. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, 2009:412-415.

[22] Reza Soltani, Eric David, Laurent Lamarre. Study on the effect of humidity on dielectric response and partial discharges activity of machine insulation material[C]. 2009 IEEE Electrical Insulation Conference. Canada, 2009: 343-347.

Summary of the Insulation Monitoring Technology of IT System

Yang Tao, Wang Jinquan, Xu Ye, Li Qian, Li Qian

(PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

TM855

A

1003-4862（2013）04-0013-04

2012-07-31

楊濤（1987-），男，在讀研究生。專業(yè)方向：IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)及繼電保護(hù)。