IT配電系統分布絕緣參數測量方法研究
2012-04-12 00:00:00冀維臻張立材
現代電子技術 2012年5期
摘 要：為了實現測量中性點不接地配電系統(IT系統)母線絕緣參數的目的，通過向系統加載脈沖信號，然后測量系統響應信號的電壓值，進而計算得到系統母線的分布電容和絕緣電阻值，利用測量值監測系統的絕緣狀況。通過對大量仿真數據的分析可知，該方法具有較高的絕緣監測效率。
關鍵詞：中性點不接地配電系統； 脈沖信號； 母線； 絕緣監測
中圖分類號：
TN911.7-34; TM744
文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2012)05
-0167
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Research on insulating parameter measurement in IT power distribution system
JI Wei-zhen， ZHANG Li-cai
(School of Information And Control Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an 710055， China)
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.
Keywords： IT power distribution system; impulsive signal; bus; insulation monitoring
收稿日期：2011-09-22
0 引 言
中性點不接地配電系統(IT配電系統)的突出優點在于發生單相絕緣故障后，仍然能使供電短時間持續進行0.5～2 h，所以IT配電系統一般用于不允許停電的場所，在大型電廠、醫院手術室［1］及地下礦井［2］等場所都得到了廣泛的應用。
它采用中性點不直接接地方式，因而在發生單相絕緣故障時，不具備故障電流返回電源的低阻通路，流經接地點的電流小，電網三相的線電壓仍然對稱，電氣設備的外露導電部分對地故障電壓很低，不致引發事故，因而IT配電系統的供電可靠性高，安全性好［3］。
IT系統的主要缺點有：IT系統不宜引出中性線，不能提供220 V電源以及IT系統電氣裝置對絕緣水平有較高要求，這些都增加了配電系統的復雜性和建設成本［4］。
1 IT配電系統的絕緣監測
當IT配電系統發生單相絕緣故障時，未故障相的相電壓升高為線電壓，故障系統的長時間運行可能導致未故障相絕緣薄弱的地方再次產生絕緣故障而發生相間短路，引發火災等嚴重事故。《民用建筑電器設計規范》(JGJ 16-2008)第7.2.3條規定，IT配電系統必須配備絕緣監視儀［5］。絕緣監視儀的作用就是實時監測線路的絕緣狀況，在最短的時間內發現IT配電系統的單相絕緣故障，保障配電系統正常運行。
文獻\\[6\\]中絕緣監測所采用的方法是在電網對地之間施加一定頻率的對稱方波信號，信號的負荷就是電網對地的絕緣電阻和電網對地的分布電容并聯，在測量端得到的電壓跌落值就反映了絕緣電阻的下降，當絕緣電阻降低到設定值時，觸發報警電路。
文獻\\[6\\]中所述方法的缺點是必須通過調節分布電容適配旋鈕來確定方波周期，從而達到減小電網分布電容對監測信號影響的目的。文獻\\[4\\]中所述方法的明顯缺點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的分布電容進行計算，將電網分布電容作為IT配電系統絕緣監測中一個重要參數。通過對電網分布電容和絕緣電阻的實時監測可以得出系統絕緣參數隨時間變化的曲線，該曲線能夠反映IT系統的絕緣狀況，從而提升了絕緣監視儀的絕緣監測性能。
2 IT配電系統絕緣參數測量原理
現有檢測直流系統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］。本方法結合單頻法和雙頻法的優點，將一個周期脈沖信號注入網絡中。
絕緣參數的測量模型如圖1所示，圖中L為IT配電系統中待監測母線，Ui(t)為單頻矩形脈沖激勵信號，Ce為線路的分布電容，Riso為線路的絕緣電阻，R1，R2，R3為系統內部用于保護測量回路的分壓電阻，U(t)為待測量的電壓信號，Uc(t)為電網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隔離。
式中:R1∥R3表示R1和R3的并聯。
由上述公式可知，系統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Uc(t)，最后再將U(t)和Uc(t)代入式(5)和式(6)計算所需要的絕緣參數Ce和Riso。
3 IT配電系統絕緣參數測量算法實現
算法的實現步驟概括如下：
(1) 數據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，如果不是則執行步驟(1)繼續采集，否則執行步驟(3)；
(3) 對步驟(2)中讀取的數據進行線性抽取，減少數據的運算量；
(4) 根據式(2)和式(4)利用步驟(3)中的U(t)計算Uc(t)；
(5) 分別計算Uc(t)在t1和t2時間區間內的微分dUc(t1)，dUc(t2)；
(6) 根據式(5)和式(6)計算Ce和Riso；
(7) 將步驟(6)中計算得到的參數值顯示；
(8) 本輪計算完畢，執行步驟(1)進入下一輪測量。實現算法的流程圖如圖2所示。
4 仿真實驗數據分析
在Matlab中采用上述方法對實驗采集數據進行計算和仿真。
實驗誤差曲線如圖3所示。
假設絕緣電阻分別為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，實驗數據見表1，表2。
圖3(a)中，在t=10處計算得到的分布電容值的誤差最小。
圖3(b)中，同樣在t=10處計算得到的絕緣電阻值的誤差最小。
圖3(c)中，分布電容Ce的最大誤差為0.66%，并且隨著采樣點數的增加呈下降趨勢。
圖3(d)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為0.93%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.05%以下。
圖3(e)中，分布電容Ce的最大誤差為0.69%，并且隨著采樣點數的增加呈下降趨勢。
圖3 實驗誤差曲線
圖3(f)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為1.1%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.2%以下。
圖3(g)中，分布電容Ce的最大誤差為1.23%，并且隨著采樣點數的增加呈下降趨勢。
圖3(h)中，絕緣電阻Riso的最大誤差為1.45%，絕緣電阻Riso的值在一個相對穩定的值上下浮動，絕緣電阻Riso的最小誤差在0.35%以下。
從表1和表2的數據中可知，通過本方法測量計算出的分布電容和接地電阻值的誤差在2%之內，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，可以認為系統處于絕緣狀態，因此該誤差的增大并沒有對最終絕緣性能的監測產生較大影響，反之，人們更為關注在絕緣電阻較小區間內的測量誤差，由實驗可得當絕緣電阻小于1 MΩ時，測量誤差在0.2%上下波動，可以采用人為誤差補償的方法進一步提高測量計算精度。本算法可以提高絕緣監測系統的絕緣監測性能。
5 結 語
本方法通過讀取測量端的電壓信號，進而計算出電網的分布電容和接地電阻的值，為絕緣監測系統提供實時、可靠的監測數據，提高了IT配電系統運行的安全性和可靠性，具有廣泛的應用前景。
參 考 文 獻
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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。
