淺談直流絕緣監測及接地點定位綜合裝置的設計與應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要 :文章提出一種常態下利用不對稱電橋實時監測直流系統絕緣的方法建立了測定絕緣電阻的數學模型在此基礎上研制出微機直流絕緣監測及故障點定位綜合裝置。實際應用表明該裝置工作可靠運行準確。

主題詞 :發電廠 ;直流系統 ;絕緣 ;故障接地 ;監測

1 引言

　　發電廠、變電所的直流系統是二次設備的電源。為保證二次設備可靠工作需要對直流系統的絕緣狀況實時在線監測對直流系統絕緣薄弱環節作出預測。當直流電源系統發生一點接地故障時需立即排除否則再次發生接地可能會釀成大事故。目前尋找接地故障的辦法是依次拉合直流饋線人工查找接地線路。這種方法不僅費時費力而且不安全且有可能使繼電保護或自動裝置誤動或拒動造成事故。所以需要研制一種既能預測直流系統絕緣狀況又能查找接地故障點的安全自動裝置。

2 裝置的基本工作原理

1. 1 常態下電網正負對地絕緣的監測方法

目前發電廠、變電所廣泛使用的直流絕緣監視裝置是利用一種對稱的電橋當直流系統某絕緣下降時破壞了電橋的平衡通過檢測電橋的不平衡程度來反映直流電網的絕緣狀況。但是當遇到正負絕緣均勻下降時這種裝置失靈并且也不能自動檢測電網的對地絕緣電阻值。為此需要探索一種新的檢測方法。

將一星形電阻電路接入直流系統正負母線及大地之間 ,構成圖1所示的不對稱橋形電壓取樣電路。

　　圖中RZ、RF分別代表直流系統正負極對地絕緣電阻,U為正負極間電壓, R1、R2和RJ為取樣電阻 ,

　　R1≠R2。應用戴維南定律可得到圖1的等值電路圖2。圖2中 :

　　根據等值電路圖2可以得到:

　　在圖1中 ,如果將RJ的接地端斷開,則負母線對地電壓U′F為:

　　式中:UJ為橋電阻RJ上的電壓;U′F為電阻斷開后負母線對地電壓。

　　RZ//RF反應了直流系統對地絕緣狀況,通過采樣UJ、U及U′F,可以利用(4)式連續實時檢測直流系統對地絕緣。對于正負極絕緣均勻下降的情況,(4)式依然有效。

2. 2 故障后接地電阻檢測及故障定位方法

當直流系統對地絕緣電阻 RZ/ / R F 下降至25kΩ以下時認為系統出現了接地故障裝置將一低頻信號注入直流母線與大地之間穿套在各直流饋線支路上的弱電流傳感器傳回信號。由于每一條支路都存在對地電容和對地電阻所以該信號中包含容性電流分量 IC和阻性電流分流量 IR兩部分。可利用相敏電路檢測出其中反應絕緣狀況的阻性電流 IR。依次檢測各電路阻性電流找出大值 IRm同整定值 IRdz比較。如果 IRm > IRdz則該支路為接地支路否則認為故障發生在母線上。

當電網正上出現接地故障時同步電壓信號 U T需從正母線上引出;負出現接地時 U T從負母線引出;正負均勻故障時 U T從正母線或負母線引出均可。在低頻信號投入電網前橋電阻 RJ切除。接地性的判斷可以根據正對地電壓和負對地電壓的大小確定。接地電阻 R0≈ RZ/ / RF其數值可在低頻信號投入前依據(4) 式確定。由于接地故障支路上存在較大的低頻電流信號并且這一電流信號在接地點處流入大地而消失所以可以通過檢測這一低頻電流信號存在與否確定接地點的具體位置。

3 裝置的研制及其應用

根據上述原理研制出微機直流絕緣監視及故障點定位綜合裝置。該裝置由主機、弱電流傳感器和檢測器 3 部分組成系統構成如圖 3 所示。裝置由 80C196 單片機實施控制及數據處理任務。常態下單片機控制橋電阻 RJ 的投切并經電壓取樣電路采樣 UJ 、U 和 U′F利用數學模型計算電網正負對地絕緣電阻經數碼顯示器顯示阻值及正負母線間電壓。

當電網正或負上出現電阻小于25kΩ的單點接地故障或正負絕緣均勻下降至80kΩ以下時單片機控制繼電器動作切除 RJ 并將低頻信號源投入。這一信號經隔離變壓器及電容器耦合到正負母線與大地之間同步電壓形成電路用來產生相敏電路所需的同步信號。單片機控制多路開關依次處理各直流饋線上弱電流傳感器傳回的信號采用 2. 2 中所述原理找出故障支路或母線。如是支路故障數碼顯示器顯示接地支路號及接地電阻值報警器發出較長節奏的報警聲 ;如是母線故障數碼顯示器只顯示接地電阻值報警器發出短促的報警聲。通過比較正負母線對地電壓的大小確定接地線路的性紅燈亮表示正接地綠燈亮表示負接地。接地支路找到后利用檢測器查找接地點。檢測器首端采用鉗形磁路后端經信號處理電路、放大及靈敏度調整電路驅動發光二管及蜂鳴器。將鉗形磁路鉗住接地支路從母線端向負荷端移動發光二管發光并有音響音響消失及發光二管燈滅處即接地點。

4 安科瑞絕緣監測選型

隨著工業科技的發展，漏電流對工業生產安全構成了很大的威脅。為了提高供電的連續性和可靠性，許多重要生產場所采用了不接地供電系統。安科瑞AIM-T系列工業用絕緣監測儀主要應用于工業領域如礦井、玻璃廠、電爐和試驗設備、冶金廠、化工廠、爆炸危險場所、計算機中心及應急電源等的交流不接地系統中，用來實時監測系統對地的絕緣狀況，當系統出現接地故障時，及時報警，提醒相關人員排查故障。產品的設計嚴格按照國家標準和規范進行。安科瑞AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，用來監測IT系統對地的絕緣狀況，在系統出現絕緣故障時及時報警，以提醒電氣維護人員對故障及時排查。產品主要包括AIM-T300、AIM-T500兩大系列，其中兩款絕緣監測裝置除去適用電壓等級不同以外，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。

符合標準：IEC61557-8-2007《交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統電氣安全防護檢測的試驗、測量或監控設備：IT系統中的絕緣監控裝置》

GB/T18268.24-2010《測量、控制和試驗室用的電設備電磁兼容性要求24部分：特殊要求符合IEC61557-8的絕緣監控置和符合IEC61557-9的絕緣故障定位設備的試驗配置、工作條件和性能判據》

(1)工業IT絕緣監測儀

安科瑞絕緣監測儀是用于監測IT配電系統（不接地系統）對地絕緣狀況的儀表。產品采用微控制器技術，集成度高，體積小巧，安裝方便，集智能化、數字化、網絡化于一身。具有測量范圍廣、反應速度快、允許系統泄漏電容大等特點。同時其擁有豐富的功能，絕緣故障預警、故障報警、事件記錄、互聯、參數自由設置。可用于礦井、玻璃廠、電爐和試驗設備、冶金廠、化工廠、爆炸危險場所、計算機中心以及應急電源等工業場所的IT配電系統中，實時監測IT配電系統對地的絕緣狀況，當發生絕緣故障時，及時報警，提醒工作人員排查故障。

測試信號發生器和絕緣故障定位儀

工業IT絕緣監測用耦合儀

對于800V以上的不接地系統，AIM-T500型絕緣監測儀要配合耦合儀才能進行絕緣監測。ACPD系列絕緣監測用耦合儀目前包括ACPD100和ACPD200兩個型號。其中ACPD100應用于單相交流0-1150V，直流0-1760V的不接地系統的絕緣監測，ACPD200應用于交流三相0-1650V，或交流系統帶直流元件（如整流）的0-1300V不接地系統的絕緣監測。

結論

　　本文提出一種常態下利用不對稱電橋實時監測直流系統絕緣的新方法有效地解決了正負絕緣均勻下降時不能正確監視系統絕緣的問題。提出了測定絕緣電阻的數學模型。當出現接地故障后利用短時附加低頻信號確定故障點應用表明該裝置工作可靠、準確。

參考文獻

[1]李剛.蔡旭.一種新型的直流絕緣監測及接地點定位綜合裝置[J].江蘇：煤礦自動化，2001.

[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.6版.

作者簡介：

任運業，男，現供職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事醫療IT和工業絕緣的研究與開發。