IT配電系統(tǒng)分布絕緣參數(shù)測量方法研究

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)測量中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)(IT系統(tǒng))母線絕緣參數(shù)的目的，通過向系統(tǒng)加載脈沖信號，然后測量系統(tǒng)響應(yīng)信號的電壓值，進(jìn)而計(jì)算得到系統(tǒng)母線的分布電容和絕緣電阻值，利用測量值監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣狀況。通過對大量仿真數(shù)據(jù)的分析可知，該方法具有較高的絕緣監(jiān)測效率。

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關(guān)鍵詞：中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)； 脈沖信號； 母線； 絕緣監(jiān)測

中圖分類號：

TN911.7-34; TM744

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)05

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Research on insulating parameter measurement in IT power distribution system

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JI Wei-zhen， ZHANG Li-cai

(School of Information And Control Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China)

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Abstract：

A method of measuring insulating parameter of the bus of non-ground neutral power distribution system (IT system) is introduced， through loading the pulse signal to the system， then measuring the voltage value of response signal， and then calculating capacitance of the bus system and insulation resistance， through the system bus capacitance and insulation of resistance changes， then monitoring the insulation situation of system. Through the analysis of the simulation data， this method is of high efficiency on insulation monitoring.

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Keywords： IT power distribution system; impulsive signal; bus; insulation monitoring

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收稿日期：2011-09-22

0 引 言

中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)(IT配電系統(tǒng))的突出優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)生單相絕緣故障后，仍然能使供電短時間持續(xù)進(jìn)行0.5～2 h，所以IT配電系統(tǒng)一般用于不允許停電的場所，在大型電廠、醫(yī)院手術(shù)室［1］及地下礦井［2］等場所都得到了廣泛的應(yīng)用。

它采用中性點(diǎn)不直接接地方式，因而在發(fā)生單相絕緣故障時，不具備故障電流返回電源的低阻通路，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流小，電網(wǎng)三相的線電壓仍然對稱，電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分對地故障電壓很低，不致引發(fā)事故，因而IT配電系統(tǒng)的供電可靠性高，安全性好［3］。

IT系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有：IT系統(tǒng)不宜引出中性線，不能提供220 V電源以及IT系統(tǒng)電氣裝置對絕緣水平有較高要求，這些都增加了配電系統(tǒng)的復(fù)雜性和建設(shè)成本［4］。

1 IT配電系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測

當(dāng)IT配電系統(tǒng)發(fā)生單相絕緣故障時，未故障相的相電壓升高為線電壓，故障系統(tǒng)的長時間運(yùn)行可能導(dǎo)致未故障相絕緣薄弱的地方再次產(chǎn)生絕緣故障而發(fā)生相間短路，引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重事故。《民用建筑電器設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 16-2008)第7.2.3條規(guī)定，IT配電系統(tǒng)必須配備絕緣監(jiān)視儀［5］。絕緣監(jiān)視儀的作用就是實(shí)時監(jiān)測線路的絕緣狀況，在最短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)IT配電系統(tǒng)的單相絕緣故障，保障配電系統(tǒng)正常運(yùn)行。

文獻(xiàn)\\[6\\]中絕緣監(jiān)測所采用的方法是在電網(wǎng)對地之間施加一定頻率的對稱方波信號，信號的負(fù)荷就是電網(wǎng)對地的絕緣電阻和電網(wǎng)對地的分布電容并聯(lián)，在測量端得到的電壓跌落值就反映了絕緣電阻的下降，當(dāng)絕緣電阻降低到設(shè)定值時，觸發(fā)報警電路。

文獻(xiàn)\\[6\\]中所述方法的缺點(diǎn)是必須通過調(diào)節(jié)分布電容適配旋鈕來確定方波周期，從而達(dá)到減小電網(wǎng)分布電容對監(jiān)測信號影響的目的。文獻(xiàn)\\[4\\]中所述方法的明顯缺點(diǎn)是對方波周期的選擇存在一定的盲目性，分布電容的不確定性對絕緣電阻的測量精度造成了較大的不良影響。

本文選擇直接對電網(wǎng)的分布電容進(jìn)行計(jì)算，將電網(wǎng)分布電容作為IT配電系統(tǒng)絕緣監(jiān)測中一個重要參數(shù)。通過對電網(wǎng)分布電容和絕緣電阻的實(shí)時監(jiān)測可以得出系統(tǒng)絕緣參數(shù)隨時間變化的曲線，該曲線能夠反映IT系統(tǒng)的絕緣狀況，從而提升了絕緣監(jiān)視儀的絕緣監(jiān)測性能。

2 IT配電系統(tǒng)絕緣參數(shù)測量原理

現(xiàn)有檢測直流系統(tǒng)絕緣的方法主要有電橋平衡原理和低頻探測原理［7］。低頻探測原理中又可以分為單頻法和雙頻法［8］。本方法結(jié)合單頻法和雙頻法的優(yōu)點(diǎn)，將一個周期脈沖信號注入網(wǎng)絡(luò)中。

絕緣參數(shù)的測量模型如圖1所示，圖中L為I(xiàn)T配電系統(tǒng)中待監(jiān)測母線，Ui(t)為單頻矩形脈沖激勵信號，Ce為線路的分布電容，Riso為線路的絕緣電阻，R1，R2，R3為系統(tǒng)內(nèi)部用于保護(hù)測量回路的分壓電阻，U(t)為待測量的電壓信號，Uc(t)為電網(wǎng)分布電容兩端的電壓。待測母線L上的諧波分量通過濾波器與測量系統(tǒng)隔離。



式中:R1∥R3表示R1和R3的并聯(lián)。

由上述公式可知，系統(tǒng)首先需要測量電壓信號U(t)，然后將U(t)分別代入式(2)和式(4)就可以求得分布電容兩端的電壓信號Uc(t)，最后再將U(t)和Uc(t)代入式(5)和式(6)計(jì)算所需要的絕緣參數(shù)Ce和Riso。

3 IT配電系統(tǒng)絕緣參數(shù)測量算法實(shí)現(xiàn)

算法的實(shí)現(xiàn)步驟概括如下：

(1) 數(shù)據(jù)采集得到采樣信號電壓U(t)；

(2) 判斷是否為一個完整信號周期，如果不是則執(zhí)行步驟(1)繼續(xù)采集，否則執(zhí)行步驟(3)；

(3) 對步驟(2)中讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性抽取，減少數(shù)據(jù)的運(yùn)算量；

(4) 根據(jù)式(2)和式(4)利用步驟(3)中的U(t)計(jì)算Uc(t)；

(5) 分別計(jì)算Uc(t)在t1和t2時間區(qū)間內(nèi)的微分dUc(t1)，dUc(t2)；

(6) 根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算Ce和Riso；

(7) 將步驟(6)中計(jì)算得到的參數(shù)值顯示；

(8) 本輪計(jì)算完畢，執(zhí)行步驟(1)進(jìn)入下一輪測量。實(shí)現(xiàn)算法的流程圖如圖2所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在Matlab中采用上述方法對實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和仿真。

實(shí)驗(yàn)誤差曲線如圖3所示。

假設(shè)絕緣電阻分別為1 MΩ，2 MΩ，5 MΩ和10 MΩ，則母線分布電容和絕緣電阻的測量誤差曲線分別如圖3(a)~圖3(h)所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，表2。

圖3(a)中，在t=10處計(jì)算得到的分布電容值的誤差最小。

圖3(b)中，同樣在t=10處計(jì)算得到的絕緣電阻值的誤差最小。

圖3(c)中，分布電容Ce的最大誤差為0.66%，并且隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加呈下降趨勢。

圖3(d)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為0.93%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩(wěn)定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.05%以下。

圖3(e)中，分布電容Ce的最大誤差為0.69%，并且隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加呈下降趨勢。

圖3 實(shí)驗(yàn)誤差曲線

圖3(f)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為1.1%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩(wěn)定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.2%以下。

圖3(g)中，分布電容Ce的最大誤差為1.23%，并且隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加呈下降趨勢。

圖3(h)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為1.45%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩(wěn)定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.35%以下。

從表1和表2的數(shù)據(jù)中可知，通過本方法測量計(jì)算出的分布電容和接地電阻值的誤差在2%之內(nèi)，隨著被測接地電阻的增大，測量誤差也在逐漸的增大，但是由于電阻本身比較大，可以認(rèn)為系統(tǒng)處于絕緣狀態(tài)，因此該誤差的增大并沒有對最終絕緣性能的監(jiān)測產(chǎn)生較大影響，反之，人們更為關(guān)注在絕緣電阻較小區(qū)間內(nèi)的測量誤差，由實(shí)驗(yàn)可得當(dāng)絕緣電阻小于1 MΩ時，測量誤差在0.2%上下波動，可以采用人為誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)一步提高測量計(jì)算精度。本算法可以提高絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測性能。

5 結(jié) 語

本方法通過讀取測量端的電壓信號，進(jìn)而計(jì)算出電網(wǎng)的分布電容和接地電阻的值，為絕緣監(jiān)測系統(tǒng)提供實(shí)時、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高了IT配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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［10］王顯平.電力系統(tǒng)故障分析［M］.北京:中國電力出版社，2008.

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作者簡介：

冀維臻 男，1986年出生，河北石家莊人，碩士研究生。主要從事信號與信息處理、無線傳感網(wǎng)方面的研究。

張立材 男，1959年出生，副教授。主要從事信號與信息處理、自動控制理論方面的研究。