慕洪勝，楊 濤，孫凌軍

（中國(guó)人民解放軍65056部隊(duì)，遼寧鐵嶺112000）

0 引言

交流ITN系統(tǒng)，是一種配出中性導(dǎo)體的IT系統(tǒng)，其中性點(diǎn)接地方式與普通IT系統(tǒng)相同，保持了 IT系統(tǒng)傳統(tǒng)的高供電連續(xù)性和較強(qiáng)可靠性的特點(diǎn)[1-2]。由于配出中性導(dǎo)體使得ITN系統(tǒng)可以直接提供單相交流電源，比不配出中性導(dǎo)體IT系統(tǒng)應(yīng)用更加靈活，建設(shè)成本更低。

根據(jù)IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-5]規(guī)定，當(dāng)IT系統(tǒng)發(fā)生第一次單相接地故障或絕緣電阻低于規(guī)定的整定值時(shí)，可繼續(xù)運(yùn)行，但應(yīng)有絕緣監(jiān)測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本文針對(duì) ITN系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種絕緣監(jiān)測(cè)裝置，可以對(duì)系統(tǒng)絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置要求實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻值，并根據(jù)設(shè)定的報(bào)警閾值判定是否發(fā)生絕緣故障，一旦出現(xiàn)絕緣故障，還需要提供有利于故障排除的如故障支路和故障相別等信息。要實(shí)現(xiàn)這些目的，絕緣監(jiān)測(cè)裝置必須要具備電阻測(cè)量和故障定位功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ITN系統(tǒng)中一般包含多個(gè)配電柜，一個(gè)配電柜中配出多條支路，絕緣監(jiān)測(cè)裝置采用分布式結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)主控單元、一個(gè)選相單元以及根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模選配的若干個(gè)選線單元，各單元之間通過(guò) CAN總線進(jìn)行通信。主控單元是裝置的核心部分，能夠控制信號(hào)發(fā)生器工作，完成選相單元和選線單元的綜合數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，并通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示；選相單元負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時(shí)收集故障相相關(guān)特征信息，上傳到主控單元；選線單元負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時(shí)收集故障支路的特征信息，上傳到主控單元，一個(gè)選線單元最多可監(jiān)控8條支路，因此絕緣監(jiān)測(cè)裝置的選線單元數(shù)量需根據(jù)ITN系統(tǒng)配電支路的實(shí)際數(shù)量進(jìn)行配置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 絕緣電阻檢測(cè)原理

絕緣監(jiān)測(cè)的目的是為了發(fā)現(xiàn)在 ITN系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)的第一次單相接地故障或者絕緣電阻值的下降，進(jìn)而對(duì)發(fā)生故障的部位進(jìn)行定位。目前，多采用注入電壓法進(jìn)行電阻檢測(cè)，IT系統(tǒng)中注入的監(jiān)測(cè)和定位信號(hào)幅值不能太大，否則容易對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，甚至危害正常允許。根據(jù) IEC61557規(guī)定[3]，IT系統(tǒng)中用于故障定位的信號(hào)電壓有效值不允許超過(guò)50 V，注入信號(hào)幅值應(yīng)該控制在50 V以內(nèi)。

絕緣電阻值計(jì)算時(shí)采用電壓比較法，因此注入信號(hào)選擇24 V直流電壓信號(hào)，注入信號(hào)后系統(tǒng)等效電路模型如圖2所示。絕緣電阻上的分壓Uin和測(cè)量電阻上的分壓U0之和應(yīng)等于注入源的電壓值E，根據(jù)測(cè)量電阻兩端電壓與注入電壓的比值，以及測(cè)量電阻的阻值R0可計(jì)算出系統(tǒng)的絕緣電阻值Rin。其中，E表示注入源，R0表示測(cè)量所使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻，Rin表示系統(tǒng)絕緣電阻，則：

圖2 等效電路模型

相對(duì)于傳統(tǒng)根據(jù)各支路漏電流和注入源電壓計(jì)算絕緣電阻的方法，電壓法避免了當(dāng)絕緣電阻較大時(shí)漏電流較小互感器感應(yīng)電流微弱測(cè)量精度不高的問題，提高了絕緣電阻的測(cè)量準(zhǔn)確性。

1.2 故障選線原理

當(dāng)測(cè)得絕緣電阻值低于設(shè)定報(bào)警值時(shí)啟動(dòng)故障選線功能。故障選線方法采用自適應(yīng)直流零序電流幅值法，其主要原理是主單元根據(jù)測(cè)得系統(tǒng)絕緣電阻值自適應(yīng)選擇注入源電壓檔位，再對(duì)各支路的零序電流幅值進(jìn)行比較。注入源電壓分為2檔，一檔為24 V，一檔為36 V，當(dāng)檢測(cè)的絕緣電阻小于20 kΩ時(shí)用24 V檔位進(jìn)行定位；當(dāng)絕緣電阻大于等于20 kΩ時(shí)用36 V檔位進(jìn)行定位。正常情況下支路零序電流為支路電容電流，值很小，一旦出現(xiàn)絕緣故障，零序電流就會(huì)包含了流經(jīng)接地點(diǎn)的故障電流，該支路零序電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他支路。故障判定時(shí)確定零序電流幅值最大的支路即為故障支路。

圖3 故障選線原理

如圖3所示，假設(shè)2#支路發(fā)生接地故障，絕緣電阻等效為Rd。注入源注入電壓信號(hào)后，故障支路的零序電流將增大，故障電流if回路如虛線所示，而非故障支路由于絕緣電阻較大，零序電流仍為對(duì)地電容電流。由主控單元發(fā)出指令使所有選線單元在同一時(shí)刻開始采集各支路電流信號(hào)。選線單元把采集的電流信號(hào)發(fā)送到主控單元，由主控單元對(duì)比分析后確定故障支路。

1.3 故障選相原理

發(fā)送單相故障接地時(shí)，會(huì)引起各相電壓及中性點(diǎn)電壓發(fā)生變化，可以通過(guò)分析故障前后的電壓變化情況來(lái)判別故障相。由于電壓受對(duì)地電壓影響較大，因而進(jìn)行故障選相時(shí)需要考慮對(duì)地電容的影響，ITN系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的電路模型如圖4所示。系統(tǒng)各相的對(duì)地絕緣電阻和分布電容分別用Ri、Ci(i=A，B，C，N)表示，接地電阻用Rf表示。

圖4 ITN系統(tǒng)單相接地故障時(shí)的電路模型

配電系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行時(shí)，由于各相對(duì)地絕緣電阻和分布電容相差不大，由節(jié)點(diǎn)電壓法可知，中性點(diǎn)對(duì)地電壓可以表示為[6]：

假設(shè) B相發(fā)生單相接地故障，接地電阻為Rf，則中性點(diǎn)對(duì)地電壓為：

由此可知，發(fā)生單相接地故障后中性點(diǎn)對(duì)地電壓不再為零，并且故障相電壓的幅值和相位均存在一定的特點(diǎn)，但由于實(shí)際工程中計(jì)算相位存在較大誤差，其精度很難滿足，選擇電壓幅值進(jìn)行特征分析。為了消除系統(tǒng)故障前對(duì)地電壓的初始值對(duì)分析的影響，選擇故障前后三相對(duì)地電壓變化量（dUi，i=A、B、C）作為特征量進(jìn)行分析，隨接地電阻變化過(guò)程進(jìn)行分析。

假設(shè)系統(tǒng)中B相、中性線分別發(fā)生接地故障時(shí)，dUi隨接地電阻變化的趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5進(jìn)行分析總結(jié)可以得出結(jié)論如下：

A. 相線發(fā)生接地故障時(shí)，對(duì)地電壓變化量最大的相可以指示故障相，故障相總是超前或滯后對(duì)地電壓變化量最大相；

B. 若對(duì)地電壓變化量最大相的滯后相對(duì)地電壓下降，則該滯后相為故障相，否則相位超前相為故障相；

C. 如果故障發(fā)生后各相對(duì)地電壓幾乎無(wú)變化，則為N線故障。

由以上這條規(guī)律可進(jìn)行故障相別的判定。

圖5 dUi值隨接地電阻變化趨勢(shì)

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置各單元的 CPU 均采用增強(qiáng)型STM32F103芯片，最高運(yùn)行頻率達(dá)72 MHz，功耗低，具有內(nèi)部CAN總線和USB總線接口，符合設(shè)計(jì)需求。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1）主單元

主單元硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示，包含CPU、信號(hào)注入源、人機(jī)交互、信號(hào)指示燈等4個(gè)主要部分。信號(hào)注入源為專門設(shè)計(jì)的直流電壓信號(hào)源，可根據(jù)CPU指令選擇提供24 V或36 V注入電壓信號(hào)。人機(jī)交互模塊選用 Kinco公司 MT4404T觸屏型專用人機(jī)交互設(shè)備，其工作電壓為24 V，支持串口通信，防護(hù)等級(jí)為IP65，能夠適用較為惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，人機(jī)交互模塊主要用來(lái)提供人機(jī)交互接口，便于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置、觀察系統(tǒng)參數(shù)，如圖7所示。指示燈指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，包括電源、故障、運(yùn)行狀態(tài)信息，還可提供總線地址信息。

當(dāng)測(cè)得絕緣電阻值低于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出報(bào)警，啟動(dòng)選相單元中的報(bào)警裝置，主單元向選線、選相單元發(fā)出檢測(cè)命令，啟動(dòng)選線、選相功能。

圖6 主單元結(jié)構(gòu)圖

2）選相單元

選相單元硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。單元主要包括CPU、信號(hào)采集電路、聲光報(bào)警器、信號(hào)指示燈等 4個(gè)部分。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用 Maxim公司的MAX1320，該芯片具有并行14位8通道同步采集功能，每一通道都具有獨(dú)立的采樣保持電路。選相單元接收主控單元發(fā)出的故障選相命令后，啟動(dòng)聲光報(bào)警燈，同時(shí)采集系統(tǒng)電壓電流信號(hào)。

3）選線單元

選線單元硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示，包含CPU、信號(hào)采集電路、信號(hào)指示燈等3個(gè)部分。選線單元中需測(cè)量系統(tǒng)的直流漏電流，漏電流互感器采用Token公司TDC系列霍爾電流傳感器，該系列霍爾傳感器為適應(yīng)大截面電纜專門開發(fā)。由于漏電流值較小，為提高采樣精度，選擇MAXIM公司的MAX11046芯片作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，該芯片具有并行16位8通道同步采集的功能，供電電壓僅為為±5V，8通道同時(shí)采用速率可達(dá)250kbps，輸入阻抗達(dá)1GΩ，可以滿足系統(tǒng)需求。

圖8 選相單元結(jié)構(gòu)圖

圖9 選線單元結(jié)構(gòu)圖

表1 絕緣監(jiān)測(cè)選線選相裝置試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)分析

基于上述理論分析和硬件設(shè)計(jì)，研制了絕緣監(jiān)測(cè)裝置樣機(jī)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，變壓器型號(hào)為S11-M-315/10，在不同的支路人工設(shè)置接地電阻模擬實(shí)際接地故障，根據(jù)裝置的絕緣電阻監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證裝置的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，絕緣監(jiān)測(cè)裝置在1～50 k?的絕緣電阻范圍內(nèi)，測(cè)量誤差不超過(guò)10%，當(dāng)絕緣電阻值低于設(shè)定報(bào)警值時(shí)報(bào)警輸出正常，選線選相結(jié)果準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)和故障定位的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種絕緣監(jiān)測(cè)裝置，該裝置具有絕緣監(jiān)測(cè)和故障定位功能，能夠在線測(cè)量ITN系統(tǒng)絕緣電阻值，當(dāng)電阻值低于報(bào)警值時(shí)可進(jìn)行故障定位，給出故障支路和故障相別等信息。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]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,2008.

[3]International Electrotechnical Commission.IEC61557-8:2007 Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000 V a.c.and 1500 V d.c.— Equipmentfortesting,measuring or monitoring ofprotectivemeasures— Part8:Insulation monitoring devices for IT systems[S].Geneva,2007.

[4]GB50054-2011,低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]GB14050-2008.系統(tǒng)接地的型式及安全技術(shù)要求[S]..

[6]楊濤,王金全,徐曄等.IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)故障選線選相裝置[J].低壓電器,2013,14:18-22.