電加熱器絕緣檢測方法研究

李玉姣，謝 峰，王永棋，鄧 江，趙俊杰，李 朋

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，成都 610213）

0 引言

工業(yè)系統(tǒng)中各電氣設(shè)備在進(jìn)行功能性能試驗前，通常需要對動力電源進(jìn)出線及控制電源進(jìn)行絕緣性能測試，只有在絕緣性能滿足要求的情況下，才能進(jìn)行后續(xù)試驗。在工業(yè)系統(tǒng)各項目中，對于低壓電氣設(shè)備，通常在設(shè)備調(diào)試及運行前，采用輸出為直流500V 的絕緣搖表來測試其動力線路及控制線路的絕緣性能。但針對不同種類的負(fù)載設(shè)備，其檢測要求不同。核電中常用到的電加熱器，一方面由于電加熱器組數(shù)較多，手動進(jìn)行絕緣檢測工作較為繁瑣，另一方面由于電加熱器長期浸泡在液體中且處于發(fā)熱狀態(tài)，其絕緣特性可能發(fā)生變化，致使絕緣阻值降低。因此，不僅需要在設(shè)備運行前對其絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測，在設(shè)備運行期間也需要對各電加熱器絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

根據(jù)絕緣檢測時被測設(shè)備是否需要斷電，可將絕緣檢測技術(shù)分為離線絕緣檢測和在線絕緣檢測。針對電加熱器絕緣檢測的需求，主要對當(dāng)前離線和在線絕緣檢測研究現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。

1 離線絕緣檢測技術(shù)調(diào)研

離線絕緣檢測主要依靠測量儀器對設(shè)備絕緣性能進(jìn)行定期或不定期的檢測，如數(shù)字萬用表、兆歐表和耐壓測試儀等。目前，國內(nèi)對設(shè)備絕緣性能的檢測主要還是采用離線絕緣檢測。使用這些測量儀器進(jìn)行絕緣檢測通常存在以下不足：

1）針對不同種類設(shè)備通常使用不同類型測試儀表。

2）進(jìn)行離線絕緣性能測試時，設(shè)備需斷電，不利于設(shè)備運行，降低經(jīng)濟(jì)效益，不利于設(shè)備維護(hù)。

3）使用測量儀器進(jìn)行設(shè)備絕緣性能測試通常操作較繁瑣，花費時間長且耗費人力，降低設(shè)備的可靠性、維修性。

為了解決傳統(tǒng)離線絕緣檢測方案存在的明顯不足，如可操作性差，花費時間長等問題，國內(nèi)已有研究提出采用自動絕緣檢測裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)測試儀表[1]。

自動絕緣檢測裝置一般分為隔離電源、控制電路和采集電路3 部分。隔離電源主要為自動絕緣檢測裝置提供需要的絕緣檢測電壓，一般通過AC/DC 電路將220VAC變換為需要的絕緣檢測電壓，針對低壓電氣設(shè)備通常為500VDC。控制電路主要包含控制器、譯碼電路等，控制器通過譯碼電路將被選擇的通道投入或切除，通過檢測電路檢測被選擇電路的電壓、電流等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳入控制器后，通過控制器計算判斷當(dāng)前選擇通道的絕緣性能。智能檢測裝置原理示意圖如圖1。采用智能檢測裝置可實現(xiàn)多通道自動檢測，大大縮短傳統(tǒng)測試儀器進(jìn)行多路測試所花費的時間且便于操作。

圖1 智能檢測裝置原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle of intelligent detection device

目前，該技術(shù)已應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中。為了解決設(shè)備數(shù)量眾多帶來的絕緣檢測繁瑣的問題，已研制出離線智能絕緣檢測設(shè)備，可實現(xiàn)多路負(fù)載自動投入檢測、檢測結(jié)果存儲、結(jié)果上傳等功能。

2 在線絕緣檢測技術(shù)調(diào)研

在線絕緣檢測技術(shù)是在設(shè)備運行過程中，實時檢測設(shè)備的絕緣狀態(tài)。如果出現(xiàn)絕緣下降等情況，可及時發(fā)出報警信號，同時進(jìn)一步對絕緣故障進(jìn)行定位，幫助快速消除設(shè)備絕緣故障。目前，常用的在線絕緣檢測技術(shù)有直流疊加法、雙頻法、零序電流法等[2,3]。

1）直流疊加法

直流疊加法原理圖如圖2。這種方法是將直流電壓在線疊加于設(shè)備，通過測量流過設(shè)備的直流電流來進(jìn)行診斷。圖2 中，ea、eb、ec和Za、Zb、Zc分別為發(fā)電機(jī)的相電勢和內(nèi)阻抗，E 為直流電勢源，R0和R1分別為限流電阻和測量電阻。

圖2 直流疊加法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle of DC superposition method

其基本原理為向設(shè)備配電線路一相和地（金屬殼）間注入直流信號源。由于配電設(shè)備的內(nèi)阻抗相對限流電阻和測量電阻來說可忽略不計，則直流電動勢單獨作用的等效電路圖為圖3。通過對測量電阻上的穩(wěn)態(tài)電壓U（直流）采集測量，可計算出配電線路對地的絕緣電阻R：

圖3 直流疊加法的等效示意圖Fig.3 Equivalent schematic diagram of DC superposition method

其中：R0為限流電阻，R1為測量電阻。

直流疊加法具有原理簡單，且計算所得絕緣電阻不受電力系統(tǒng)分布電容影響等優(yōu)點[4]，但該方法只可用于電網(wǎng)側(cè)的絕緣電阻檢測，不能具體定位到某一線路。

2）雙頻法[5-8]

雙頻法其原理示意圖如圖4。當(dāng)設(shè)備發(fā)生低絕緣故障時，裝置依次向設(shè)備配電線路某相與地間發(fā)出由電勢源Er產(chǎn)生的f1和f2兩個低頻正弦波信號。圖4 中，ea、eb、ec為發(fā)電機(jī)相電勢，C1…Ci…Cn為負(fù)載支路的對地電容，Ri為故障接地電阻，漏電流傳感器套于每條負(fù)載支路上。

圖4 雙頻法原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the principle of the dual frequency method

注入信號單獨作用于配電線路時，可得到如圖5 的等效電路，可列出如下方程：

圖5 信號源單獨作用時的等效電路Fig.5 Equivalent circuit when the signal source acts alone

式（2）中：R 為線路的對地電阻；C 為線路等效的分布電容；f1、f2為所加低頻信號的頻率；i01、i02為由頻率為f1、f2的信號源單獨作用時產(chǎn)生的漏電流；u01、u01為由頻率為f1、f2的信號源單獨作用時對地電阻上的電壓降。根據(jù)兩次注入所得電壓與電流，可求得故障支路對地的絕緣電阻：

3）零序電流法[9,10]

零序電流法是根據(jù)小電流接地系統(tǒng)中零序電流的幅值、相位特性作為選線的綜合判據(jù)，通常方法有零序電流的幅值比較法、零序電流無功方向選線、零序電流有功方向選線等。零序電流幅值比較法因其技術(shù)成熟、可靠性較高在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因零序電流幅值比較法無法對故障支路絕緣電阻進(jìn)行直接計算，通常零序電流幅值比較法用于對支路較多負(fù)載設(shè)備的絕緣故障情況進(jìn)行定位，從而進(jìn)一步對該故障支路絕緣情況進(jìn)行判定。

3 基于零序電流檢測的絕緣故障檢測方案

通過上述技術(shù)調(diào)研，對在線絕緣檢測技術(shù)方案進(jìn)行對比分析，可得出如下結(jié)論：

1）直流疊加法可對網(wǎng)側(cè)總絕緣電阻進(jìn)行檢測，雙頻法和零序電流法可對故障支路進(jìn)行定位。

2）雙頻法對傳感器精度要求及范圍要求較高，但可進(jìn)一步估算出故障支路絕緣阻值；零序電流法對傳感器精度、范圍無嚴(yán)苛要求，可對故障支路進(jìn)行定位，但無法進(jìn)一步估算該支路絕緣阻值。

考慮到在線絕緣檢測各方法的優(yōu)缺點，結(jié)合電加熱器工作特點，為了提高故障電加熱器判定的準(zhǔn)確率，本文提出將離線絕緣檢測與在線絕緣檢測結(jié)合，綜合應(yīng)用于電加熱器的絕緣故障檢測：當(dāng)在線運行的電加熱器通過零序電流檢測被判定處于絕緣低時，控制器可將該路電加熱器切除，通過離線絕緣檢測裝置進(jìn)一步對該路負(fù)載絕緣阻值進(jìn)行計算。基于零序電流檢測的電加熱器絕緣故障檢測方案分為兩部分，一部分為零序電流在線檢測，一部分為離線絕緣檢測。因離線絕緣檢測裝置已成熟應(yīng)用，本文主要對基于零序電流在線檢測方案及其系統(tǒng)配置方案設(shè)計進(jìn)行說明。

3.1 零序電流在線檢測方案設(shè)計

零序電流在線檢測以ARM 控制器為核心，通過零序電流互感器采集電加熱器配電回路中的零序電流，并將零序電流互感器二次側(cè)電流送往主控卡中的A/D 采樣電路，經(jīng)A/D 采樣電路后，控制器一方面將采集到的零序電流在機(jī)箱進(jìn)行就地顯示，另一方面通過幅值比較選定出發(fā)生絕緣故障的支路。通過通訊接口，將判定結(jié)果送給離線絕緣檢測裝置。

零序電流在線檢測機(jī)箱硬件主要分為6 部分：控制電源模塊、控制器模塊、A/D 采樣模塊、CAN 通訊模塊、RS 485 通訊模塊及顯示屏。其主要功能架構(gòu)如圖6。

圖6 零序電流在線檢測功能框圖Fig.6 Functional block diagram of zero-sequence current online detection

1）控制電源模塊

控制電源模塊將外部輸入的220VAC 電源，通過AC/DC 電源模塊分別轉(zhuǎn)換為±12V、±5V 等，這些電源分別為控制器、A/D 采樣電路、顯示屏、通訊驅(qū)動電路等供電。

2）控制器模塊

控制器模塊主要包括ARM 控制器及其相關(guān)電路。控制器通過A/D 采集電路采集外部處理后的電流信號，將外部電流信號通過CAN 通訊送往本地機(jī)箱顯示。同時，控制器依據(jù)采集到的電流幅值進(jìn)行比較計算：控制器采集到外部多路零序電流幅值后，將采集到的零序電流幅值與預(yù)設(shè)的電流閾值進(jìn)行比較，若在一定時間內(nèi)同一支路零序電流幅值均超出設(shè)定閾值，則定位該支路為絕緣故障支路。此時，控制器通過RS 485 通訊向外發(fā)送指令，通過離線絕緣檢測機(jī)箱切除該路負(fù)載并進(jìn)行離線絕緣電阻檢測。

3）A/D 采樣模塊

本裝置中，A/D 采樣模塊共包含10 路高精度A/D 采集電路。該電路主要采集零序電流互感器二次側(cè)0.05mA ～5mA 電流， 對應(yīng)一次側(cè)零序電流為10mA ～1A。

4）通訊及顯示模塊

通訊及顯示模塊主要分為顯示屏通訊模塊及RS 485通訊模塊。顯示屏通過CAN 通訊接口與控制器連接，一方面接受控制器發(fā)出的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，另一方面將顯示屏的操作信息下發(fā)給控制器，從而執(zhí)行閾值設(shè)定等功能。通常，閾值設(shè)定功能不開放給現(xiàn)場應(yīng)用人員，僅向設(shè)備調(diào)試人員預(yù)留閾值設(shè)定接口。

RS 485 通訊模塊主要用于與離線絕緣檢測單元進(jìn)行通訊，將控制器中故障判定信息上傳。

3.2 系統(tǒng)方案配置

采用離線絕緣檢測裝置與零序電流在線檢測機(jī)箱結(jié)合方式，通常可采用“一配多”的組合方式。

因零序電流互感器必須安裝在配電柜一次側(cè)回路中，且根據(jù)負(fù)載回路數(shù)量不同及所需識別的支路層級不同，所需安裝的零序電流互感器數(shù)量不同。因此，需將在線檢測機(jī)箱安裝在各配電柜中與零序電流互感器配合使用。各在線檢測機(jī)箱通過外部RS 485 接口組網(wǎng)后與離線絕緣檢測裝置通訊，將現(xiàn)場檢測情況反饋至離線絕緣檢測裝置。而離線絕緣檢測裝置中通常包含有AC/DC 模塊，將220VAC轉(zhuǎn)換為500VDC，該裝置通常體積較大，不適合在每個配電柜中均安裝使用。因離線絕緣裝置可通過譯碼擴(kuò)展電路對多路負(fù)載實現(xiàn)控制，從而實現(xiàn)一路絕緣檢測電源對多路負(fù)載依次進(jìn)行絕緣檢測。因此，可將一套離線絕緣檢測裝置配置于系統(tǒng)側(cè)，最終實現(xiàn)“一配多”的配置方案。

4 結(jié)論

為了提升核電中類似于電加熱器等多路負(fù)載低壓電氣設(shè)備絕緣檢測實時性及自動化程度，本文對離線、在線絕緣檢測常用手段進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合各檢測方式的特點，提出了基于零序電流檢測的絕緣故障檢測方案，并對其中零序電流檢測方案及系統(tǒng)配置方案進(jìn)行闡述。該方案通過零序電流檢測與離線絕緣檢測裝置結(jié)合的方式，通過“一配多”的系統(tǒng)配置，可在節(jié)省機(jī)柜空間體積的情況下，實現(xiàn)對多路低壓電氣設(shè)備絕緣故障的定位與檢測，提升設(shè)備絕緣檢測的自動化程度。