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        一種適用于ITN系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測裝置的設(shè)計

        2018-05-09 08:32:03慕洪勝孫凌軍
        船電技術(shù) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:選線支路絕緣

        慕洪勝,楊 濤,孫凌軍

        (中國人民解放軍65056部隊,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,可繼續(xù)運(yùn)行,但應(yīng)有絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號。本文針對 ITN系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計了一種絕緣監(jiān)測裝置,可以對系統(tǒng)絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測和報警。

        1 結(jié)構(gòu)及工作原理

        ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置要求實(shí)時準(zhǔn)確測量系統(tǒng)對地絕緣電阻值,并根據(jù)設(shè)定的報警閾值判定是否發(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)測裝置必須要具備電阻測量和故障定位功能,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        ITN系統(tǒng)中一般包含多個配電柜,一個配電柜中配出多條支路,絕緣監(jiān)測裝置采用分布式結(jié)構(gòu),包括一個主控單元、一個選相單元以及根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模選配的若干個選線單元,各單元之間通過 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)分析和計算,并通過人機(jī)交互界面實(shí)時顯示;選相單元負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時收集故障相相關(guān)特征信息,上傳到主控單元;選線單元負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時收集故障支路的特征信息,上傳到主控單元,一個選線單元最多可監(jiān)控8條支路,因此絕緣監(jiān)測裝置的選線單元數(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 絕緣電阻檢測原理

        絕緣監(jiān)測的目的是為了發(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,IT系統(tǒng)中注入的監(jiān)測和定位信號幅值不能太大,否則容易對系統(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電壓有效值不允許超過50 V,注入信號幅值應(yīng)該控制在50 V以內(nèi)。

        絕緣電阻值計算時采用電壓比較法,因此注入信號選擇24 V直流電壓信號,注入信號后系統(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)測量電阻兩端電壓與注入電壓的比值,以及測量電阻的阻值R0可計算出系統(tǒng)的絕緣電阻值Rin。其中,E表示注入源,R0表示測量所使用的標(biāo)準(zhǔn)電阻,Rin表示系統(tǒng)絕緣電阻,則:

        圖2 等效電路模型

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

        1.2 故障選線原理

        當(dāng)測得絕緣電阻值低于設(shè)定報警值時啟動故障選線功能。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)測得系統(tǒng)絕緣電阻值自適應(yīng)選擇注入源電壓檔位,再對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)檢測的絕緣電阻小于20 kΩ時用24 V檔位進(jìn)行定位;當(dāng)絕緣電阻大于等于20 kΩ時用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刻開始采集各支路電流信號。選線單元把采集的電流信號發(fā)送到主控單元,由主控單元對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,會引起各相電壓及中性點(diǎn)電壓發(fā)生變化,可以通過分析故障前后的電壓變化情況來判別故障相。由于電壓受對地電壓影響較大,因而進(jìn)行故障選相時需要考慮對地電容的影響,ITN系統(tǒng)單相接地故障時的電路模型如圖4所示。系統(tǒng)各相的對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)單相接地故障時的電路模型

        配電系統(tǒng)無故障運(yùn)行時,由于各相對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)對地電壓為:

        由此可知,發(fā)生單相接地故障后中性點(diǎn)對地電壓不再為零,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)故障前對地電壓的初始值對分析的影響,選擇故障前后三相對地電壓變化量(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,dUi隨接地電阻變化的趨勢如圖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,對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地電壓變化量最大相;

        B. 若對地電壓變化量最大相的滯后相對地電壓下降,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)生后各相對地電壓幾乎無變化,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

        2 硬件設(shè)計

        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)計需求。

        2.1 硬件設(shè)計

        1)主單元

        主單元硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示,包含CPU、信號注入源、人機(jī)交互、信號指示燈等4個主要部分。信號注入源為專門設(shè)計的直流電壓信號源,可根據(jù)CPU指令選擇提供24 V或36 V注入電壓信號。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)等級為IP65,能夠適用較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境,人機(jī)交互模塊主要用來提供人機(jī)交互接口,便于現(xiàn)場設(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)測得絕緣電阻值低于設(shè)定值時,發(fā)出報警,啟動選相單元中的報警裝置,主單元向選線、選相單元發(fā)出檢測命令,啟動選線、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、信號采集電路、聲光報警器、信號指示燈等 4個部分。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,啟動聲光報警燈,同時采集系統(tǒng)電壓電流信號。

        3)選線單元

        選線單元硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示,包含CPU、信號采集電路、信號指示燈等3個部分。選線單元中需測量系統(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)測選線選相裝置試驗結(jié)果

        3 試驗分析

        基于上述理論分析和硬件設(shè)計,研制了絕緣監(jiān)測裝置樣機(jī),并進(jìn)行了試驗驗證。試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,變壓器型號為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)測結(jié)果來驗證裝置的可靠性。試驗結(jié)果如表1所示。

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

        4 結(jié)束語

        本文根據(jù)ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測和故障定位的需求出發(fā),設(shè)計了一種絕緣監(jiān)測裝置,該裝置具有絕緣監(jiān)測和故障定位功能,能夠在線測量ITN系統(tǒng)絕緣電阻值,當(dāng)電阻值低于報警值時可進(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):

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        [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)測故障選線選相裝置[J].低壓電器,2013,14:18-22.

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