一種適用于ITN系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測裝置的設計

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

根據(jù)IEC等相關標準[3-5]規(guī)定，當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)運行，但應有絕緣監(jiān)測器發(fā)出報警信號。本文針對 ITN系統(tǒng)的特點設計了一種絕緣監(jiān)測裝置，可以對系統(tǒng)絕緣狀況進行監(jiān)測和報警。

1 結構及工作原理

ITN系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置要求實時準確測量系統(tǒng)對地絕緣電阻值，并根據(jù)設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，其結構如圖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構，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，并通過人機交互界面實時顯示；選相單元負責在發(fā)生故障時收集故障相相關特征信息，上傳到主控單元；選線單元負責在發(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)配電支路的實際數(shù)量進行配置。

圖1 系統(tǒng)結構圖

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)內出現(xiàn)的第一次單相接地故障或者絕緣電阻值的下降，進而對發(fā)生故障的部位進行定位。目前，多采用注入電壓法進行電阻檢測，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，注入信號幅值應該控制在50 V以內。

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準電阻，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，電壓法避免了當絕緣電阻較大時漏電流較小互感器感應電流微弱測量精度不高的問題，提高了絕緣電阻的測量準確性。

1.2 故障選線原理

當測得絕緣電阻值低于設定報警值時啟動故障選線功能。故障選線方法采用自適應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)絕緣電阻值自適應選擇注入源電壓檔位，再對各支路的零序電流幅值進行比較。注入源電壓分為2檔，一檔為24 V，一檔為36 V，當檢測的絕緣電阻小于20 kΩ時用24 V檔位進行定位；當絕緣電阻大于等于20 kΩ時用36 V檔位進行定位。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接地點的故障電流，該支路零序電流將遠遠大于其他支路。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)點電壓法可知，中性點對地電壓可以表示為[6]：

假設 B相發(fā)生單相接地故障，接地電阻為Rf，則中性點對地電壓為：

由此可知，發(fā)生單相接地故障后中性點對地電壓不再為零，并且故障相電壓的幅值和相位均存在一定的特點，但由于實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）作為特征量進行分析，隨接地電阻變化過程進行分析。

假設系統(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進行分析總結可以得出結論如下：

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 硬件設計

裝置各單元的 CPU 均采用增強型STM32F103芯片，最高運行頻率達72 MHz，功耗低，具有內部CAN總線和USB總線接口，符合設計需求。

2.1 硬件設計

1）主單元

主單元硬件結構如圖6所示，包含CPU、信號注入源、人機交互、信號指示燈等4個主要部分。信號注入源為專門設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。人機交互模塊選用 Kinco公司 MT4404T觸屏型專用人機交互設備，其工作電壓為24 V，支持串口通信，防護等級為IP65，能夠適用較為惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，人機交互模塊主要用來提供人機交互接口，便于現(xiàn)場設置、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、運行狀態(tài)信息，還可提供總線地址信息。

當測得絕緣電阻值低于設定值時，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 主單元結構圖

2）選相單元

選相單元硬件結構如圖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

選線單元硬件結構如圖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250kbps，輸入阻抗達1GΩ，可以滿足系統(tǒng)需求。

圖8 選相單元結構圖

圖9 選線單元結構圖

表1 絕緣監(jiān)測選線選相裝置試驗結果

3 試驗分析

基于上述理論分析和硬件設計，研制了絕緣監(jiān)測裝置樣機，并進行了試驗驗證。試驗系統(tǒng)結構如圖3所示，變壓器型號為S11-M-315/10，在不同的支路人工設置接地電阻模擬實際接地故障，根據(jù)裝置的絕緣電阻監(jiān)測結果來驗證裝置的可靠性。試驗結果如表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，測量誤差不超過10%，當絕緣電阻值低于設定報警值時報警輸出正常，選線選相結果準確。

4 結束語

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，當電阻值低于報警值時可進行故障定位，給出故障支路和故障相別等信息。

參考文獻：

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

[2]王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗[M],北京:中國電力出版社,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,低壓配電設計規(guī)范[S].

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