考慮雜散參數(shù)影響的控制電纜絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法

尹相國(guó)，李 洋，崔翔

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，銀川 750011）

變電站是電力系統(tǒng)中電能變換、接收和分配的場(chǎng)所，是連接發(fā)電廠和用戶的中間環(huán)節(jié)，發(fā)揮著不可替代的作用[1]。變電站的正常運(yùn)行依賴于控制及信號(hào)系統(tǒng)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、電氣測(cè)量?jī)x表、操作電源等二次設(shè)備的可靠供電。通常這些設(shè)備需要變電站為其單獨(dú)供電。

然而，在實(shí)際運(yùn)行中變電站直流系統(tǒng)存在多種故障，其故障原因包括負(fù)荷所處環(huán)境溫度不同、各個(gè)設(shè)備絕緣強(qiáng)度受環(huán)境溫度變化、電流熱效應(yīng)而發(fā)生的老化或損壞。同時(shí)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改造及設(shè)備的安裝、調(diào)試等過程中，若操作不當(dāng)均會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障。按照接地原因可將接地故障分為下雨天接線盒進(jìn)水接地、由小動(dòng)物誤碰引起的接地、由于擠壓磨損引起絕緣皮破損進(jìn)而導(dǎo)致的接地等[2]；按照接地極性，接地故障可分為正極接地和負(fù)極接地；按照接地方式，接地故障可分為金屬性接地和高阻接地[3]；按照接地點(diǎn)，接地故障可分為單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和稱片接地。

在實(shí)際中，因直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備選型不當(dāng)而引起的電力設(shè)施損壞、故障甚至人身傷亡的事故時(shí)有發(fā)生[4]。例如2013年6月某公司#2機(jī)6 kV 直流系統(tǒng)短路故障，6 kV 保護(hù)失去工作電源，期間6 kV 閉冷泵發(fā)生故障，由于6 kV 保護(hù)拒動(dòng)導(dǎo)致高廠變保護(hù)動(dòng)作引起停機(jī)，造成故障范圍擴(kuò)大[5]。根據(jù)國(guó)家電力系統(tǒng)相關(guān)部門分析，在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)生的隧道、溝道火災(zāi)事故中，90%的事故是由于直流系統(tǒng)電纜絕緣下降進(jìn)而過溫引起的[6]。由此可見，變電站低壓直流供電系統(tǒng)的可靠性直接影響電力系統(tǒng)主回路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

通常變電站低壓直流系統(tǒng)正、負(fù)極線是懸浮的，采用偽雙極結(jié)構(gòu)，負(fù)載接在正、負(fù)極線之間。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)，盡管負(fù)載供電不受影響，但應(yīng)盡快找到故障點(diǎn)予以排除；否則，另外一極發(fā)生故障時(shí)，將導(dǎo)致控制回保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，甚至造成短路，從而引發(fā)嚴(yán)重故障。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣具有重要意義[7-10]。

當(dāng)前，變電站常用的絕緣監(jiān)測(cè)方法包括低頻信號(hào)注入法[11]、阻抗頻譜分析法[12-13]和電橋-漏電流檢測(cè)法。低頻信號(hào)注入法是向直流系統(tǒng)注入低頻交流信號(hào)，通過交流信號(hào)的流向判斷故障支路，但是此方法容易受到雜散電容的影響[14]；阻抗頻譜分析法是對(duì)電纜進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)，將所得出的阻抗曲線與正常情況下的曲線進(jìn)行對(duì)比，從幅值和相位兩個(gè)角度觀察，來判斷電纜的故障類型，但是此方法需要將電纜從線路中脫離，是一種離線測(cè)量方法，無法滿足在線絕緣監(jiān)測(cè)需求；電橋-漏電流檢測(cè)法是目前變電站低壓直流系統(tǒng)中最常用的方法，其原理是先使用不平衡電橋來監(jiān)測(cè)整個(gè)直流系統(tǒng)絕緣電阻是否出現(xiàn)下降，當(dāng)監(jiān)測(cè)到某一極絕緣電阻下降時(shí)，通過漏電流檢測(cè)法進(jìn)一步定位故障支路，但在實(shí)際運(yùn)行中，常出現(xiàn)絕緣電阻監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)而導(dǎo)致誤報(bào)的情況，給現(xiàn)場(chǎng)檢修運(yùn)維人員帶來極大的不便。

為此，本文提出考慮雜散參數(shù)影響的低壓直流系統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法。首先，研究基于有限元分析的控制電纜雜散參數(shù)計(jì)算方法，針對(duì)實(shí)際電纜建模，獲得其在關(guān)注頻段范圍（0～10 kHz）內(nèi)的雜散參數(shù)；然后，將實(shí)際電纜雜散參數(shù)代入某變電站低壓直流電纜絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的PSCAD/EMTDC 仿真模型中，分析實(shí)際變電站中雜散參數(shù)帶來的不平衡電橋測(cè)量電壓振蕩進(jìn)而引發(fā)的絕緣電阻監(jiān)測(cè)誤差；最后，提出通過主動(dòng)延時(shí)來剔除該誤差的絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法。

1 控制電纜雜散參數(shù)的有限元計(jì)算方法

1.1 控制電纜物理結(jié)構(gòu)及其等效電路模型

在變電站直流供電系統(tǒng)中，控制電纜用于連接各類電氣儀表及自動(dòng)化裝置，起著傳遞各種電氣信號(hào)、保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的作用。從結(jié)構(gòu)上來說，控制電纜主要包括導(dǎo)體線芯、絕緣層、金屬屏蔽層、保護(hù)層等。根據(jù)工作環(huán)境的不同要求，控制電纜的組成結(jié)構(gòu)存在差異。例如敷設(shè)在室內(nèi)電纜溝、管道或地下的電纜需承受較大的機(jī)械外力，需要加裝鎧裝金屬層以防止內(nèi)部線芯、絕緣層、屏蔽層等遭受破壞；阻燃場(chǎng)合下控制電纜則還需要阻燃護(hù)套以滿足防火需求。

控制回路負(fù)載輕、額定電流較小（一般為幾安培）、線芯較細(xì)，具有2芯、4芯、5芯等多種結(jié)構(gòu)。變電站中直流供電系統(tǒng)中常用控制電纜的標(biāo)稱截面積為1.5 mm2、2.5 mm2的兩芯電纜。本文以圖1 所示的某商用兩芯控制電纜為例開展分析研究。

圖1 兩芯電纜截面Fig.1 Cross-section of two-core cable

圖1 中線芯導(dǎo)體是由多股銅絞線或鋁絞線制成，具有良好導(dǎo)電性，為其末端連接的保護(hù)屏等負(fù)載供電；絕緣層由油浸紙、橡膠、聚乙烯等構(gòu)成，包裹在導(dǎo)體上，起到絕緣與保護(hù)作用；填充物填補(bǔ)電纜線芯之間的空隙，使電纜外徑相對(duì)圓整，內(nèi)部結(jié)實(shí)；屏蔽層是包裹在線芯外部的編織銅網(wǎng)，通過屏蔽層接地起到抗干擾的作用；保護(hù)層一般由鋁包皮和鉛包皮制成，主要作用是保護(hù)電纜，避免其在運(yùn)輸、敷設(shè)過程中受到機(jī)械損傷，并具有防潮作用。

參考電力電纜的兩線分布參數(shù)模型[15]，在原有兩線分布模型基礎(chǔ)上考慮接地屏蔽層及兩兩之間互感的影響，可以得到控制電纜的等效模型如圖2所示。

圖2 控制電纜的等效模型Fig.2 Equivalent model of control cable

圖2 所示的等效電路包括正極線芯、負(fù)極線芯、接地屏蔽層。其中，Rp、Rn、Rg分別為單位長(zhǎng)度正極線芯、負(fù)極線芯和屏蔽層的雜散電阻，Ω/m，用來反映線路通過電流時(shí)產(chǎn)生的有功功率損失效應(yīng)；Lp、Ln、Lg分別為單位長(zhǎng)度正極線芯、負(fù)極線芯和屏蔽層的雜散電感，nH/m，用來反映電流流過電纜時(shí)周圍磁場(chǎng)與不同線路鉸鏈的磁鏈；Mp-n、Mp-g、Mn-g分別為單位長(zhǎng)度正負(fù)線芯之間、正極線芯和接地屏蔽層之間、負(fù)極線芯和接地屏蔽層之間的雜散互感，nH/m，用來反映當(dāng)電流流過某條線芯時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與其他線芯鉸鏈的磁鏈；Gp-n、Gp-g、Gn-g分別為單位長(zhǎng)度上正負(fù)線芯之間、正極線芯和接地屏蔽層之間、負(fù)極線芯和接地屏蔽層之間的雜散電導(dǎo)，S/m，用來反映泄露電流或電暈所產(chǎn)生的有功損耗；Cp-n、Cp-g、Cn-g分別為單位長(zhǎng)度正負(fù)極線芯之間、正極線芯和接地屏蔽層之間、負(fù)極線芯和接地屏蔽層之間的雜散電容，nF/m，用來反映正負(fù)極間電壓作用在電纜絕緣層上的電容效應(yīng)。

1.2 控制電纜雜散參數(shù)計(jì)算

為了分析控制電纜雜散參數(shù)對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量性能的影響，本節(jié)討論基于有限元分析的控制電纜雜散參數(shù)計(jì)算方法，以及各雜散參數(shù)的頻率特性。

本文采用ANSOFT 軟件對(duì)商用兩芯控制電纜進(jìn)行有限元建模，分別通過渦流場(chǎng)計(jì)算雜散電阻、電感，通過交變電場(chǎng)求解雜散電導(dǎo)及電容參數(shù)。控制電纜的有限元仿真典型截面如圖3所示。

圖3 控制電纜的軟件仿真截面Fig.3 Cross-section of control cable simulated by software

具體步驟如下。

步驟1建立物理結(jié)構(gòu)。設(shè)置線芯半徑為0.69 mm，電纜半徑為5.00 mm。

步驟2設(shè)置材料屬性。設(shè)置線芯為銅，填充物為聚丙烯，絕緣層為聚乙烯，屏蔽層為編織銅網(wǎng)。

步驟3根據(jù)不同求解目標(biāo)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，求解得出電場(chǎng)、磁場(chǎng)的分布情況。

1.2.1 雜散電阻計(jì)算及其頻變特性

單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的直流電阻表達(dá)式為

式中：r1為單位長(zhǎng)度的電阻，Ω/km；ρ為導(dǎo)體電阻率，Ω·mm2/km；S為導(dǎo)線的額定截面積，mm2。集膚效應(yīng)使得導(dǎo)線的交流電阻大于直流電阻，即交變電流通過導(dǎo)體時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)渦流的影響，導(dǎo)體中心電流密度下降而導(dǎo)體表面電流密度增大，導(dǎo)體等效導(dǎo)電面積減小，其剖面如圖4所示。

圖4 集膚效應(yīng)剖面示意Fig.4 Schematic of profile under skin effect

為進(jìn)一步定量分析集膚效應(yīng)的影響，在ANSOFT中建立單芯電纜模型，仿真得到交/直流場(chǎng)下的電流密度分布情況，如圖5所示。

圖5 交/直流場(chǎng)下的電流密度分布Fig.5 Current density distribution under AC/DC field

由圖5（a）可知，直流場(chǎng)下電流均勻分布在導(dǎo)體截面。由圖5（b）和（c）可知，交流場(chǎng)下集膚效應(yīng)使得導(dǎo)體表面電流密度要大于導(dǎo)體中心電流密度，且電流不均勻程度會(huì)隨頻率的升高而增大。以50 Hz電流下對(duì)應(yīng)的電阻為基準(zhǔn)值，計(jì)算得到不同頻率下電阻對(duì)于基準(zhǔn)值的相對(duì)變化率，如圖6所示。可以看出，在0～10 kHz 頻段，交流電阻增加不明顯（＜5%），而后續(xù)隨著頻率的增加，交流電阻顯著增大，100 kHz交流電流下交流電阻相比50 Hz交流電流下增加了約90%。

圖6 電阻相對(duì)變化率隨頻率變化曲線Fig.6 Curve of relative change rate of resistance versus frequency

由于在本文關(guān)注的0～10 kHz頻段內(nèi)，電纜單位長(zhǎng)度電阻幾乎不變，因此暫不需考慮頻變特性，直接采用直流電阻作為電纜雜散電阻參數(shù)。此時(shí)，電纜單位長(zhǎng)度電阻為0.011 50 Ω/m，屏蔽層單位長(zhǎng)度電阻為0.000 97 Ω/m。

1.2.2 雜散電感計(jì)算及其頻變特性

自感和互感的物理含義是單位電流在周圍所激勵(lì)的磁場(chǎng)與不同導(dǎo)線所鉸鏈的磁鏈。因此，計(jì)算電纜雜散電感的關(guān)鍵是求解單位電流激勵(lì)下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與不同導(dǎo)線所鉸鏈的磁鏈。電纜電感所對(duì)應(yīng)的磁鏈如圖7所示。

圖7 電纜電感所對(duì)應(yīng)的磁鏈?zhǔn)疽釬ig.7 Schematic of magnetic linkage corresponding to cable inductance

圖7 中，Ψp、Ψn、Ψg分別為正極線芯、負(fù)極線芯和屏蔽層所鉸鏈的總磁鏈，而每根線芯的總磁鏈包括以Ip、Ig、In為激勵(lì)源的磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的磁鏈。以Ψp為例，其包括Ip所產(chǎn)生的Ψpp、Ig所產(chǎn)生的Ψp-g、In所產(chǎn)生的Ψn-p。同理，Ψn包括Ψnn、Ψn-p和Ψn-g，Ψg包括Ψgg、Ψn-g和Ψp-g。由此可得

式中：Lpp為正極線芯的自感；Lgg為屏蔽層的自感；Lnn為負(fù)極線芯的自感；Lp-g為正極線芯和屏蔽層之間的互感；Ln-p為正極線芯和負(fù)極線芯之間的互感；Ln-g為負(fù)極線芯和屏蔽層之間的互感。

在ANSOFT 中建立實(shí)際兩線芯控制電纜模型，并在直流場(chǎng)下求解磁場(chǎng)分布，得到與式（2）對(duì)應(yīng)的3 階電感矩陣，其中單位長(zhǎng)度下線芯的自感為929 nH/m，屏蔽層的自感為491 nH/m，正、負(fù)極線芯之間的互感為630 nH/m，正、負(fù)極線芯和屏蔽層之間的互感為495.32 nH/m。

為進(jìn)一步定量分析電感的頻變特性，以電纜直流電感為基準(zhǔn)，計(jì)算不同頻率下的自感，并得到自感相對(duì)變化率隨頻率的變化曲線如圖8所示。

圖8 自感相對(duì)變化率隨頻率變化曲線Fig.8 Curve of relative change rate of self-inductance versus frequency

由圖8 可知，自感幾乎不隨頻率變化，只有在高頻段才出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)。這是由于自感由內(nèi)自感和外自感兩部分構(gòu)成，其中內(nèi)自感Li是線芯內(nèi)部?jī)H與部分電流Ii相交鏈的部分磁鏈Ψi的電路等效；外自感Lo是線芯外部與全部電流Io相鉸鏈的外磁鏈Ψo的電路等效。內(nèi)自感和外自感的表達(dá)式分別為

為進(jìn)一步解釋頻率對(duì)電感的影響，圖9 給出了交/直流場(chǎng)下的電流和磁場(chǎng)分布。

圖9 交/直流場(chǎng)下的電流與磁場(chǎng)分布Fig.9 Distribution of current and magnetic fields under AC/DC filed

對(duì)比圖9（b）和（d）可知，交流場(chǎng)下，電流在電纜截面的分布不再均勻，其對(duì)內(nèi)磁鏈（內(nèi)自感）有一定影響，但外磁鏈（外自感）幾乎不受影響。這是因?yàn)橥獯沛湥ㄍ庾愿校┱贾鲗?dǎo)，電流分布不均對(duì)自感的整體影響較小。因此，針對(duì)本文所關(guān)心的頻段（0～10 kHz），不需要考慮電纜的頻變特性。

1.2.3 雜散電容計(jì)算

兩芯電纜中主要包括3 個(gè)導(dǎo)體，各導(dǎo)體間由絕緣介質(zhì)填充。電纜的電容等效如圖10所示[16]。

圖10 電纜電容等效圖Fig.10 Equivalent diagram of cable capacitance

圖10 中，V1為線芯1 上的電壓，V2為線芯2 上的電壓，C10為線芯1和屏蔽層之間的部分電容，C20為線芯2和屏蔽層之間的部分電容，C12為線芯1和線芯2之間的部分電容。分別用Q1和Q2表示線芯1和線芯2上的電荷，則根據(jù)圖10可得

利用ANSOFT 計(jì)算靜電場(chǎng)，可以得到單位長(zhǎng)度下兩線芯自電容C10和C20為53.0 pF/m，互電容C12為38.5 pF/m。

1.2.4 雜散電導(dǎo)

電纜在工作過程中面臨機(jī)械老化、熱老化、潮濕等多種應(yīng)力作用[17]，可能出現(xiàn)泄漏電流增大、絕緣電阻下降的現(xiàn)象。絕緣監(jiān)測(cè)裝置所監(jiān)測(cè)的絕緣電阻實(shí)際就是監(jiān)測(cè)泄漏電流，在電纜等效電路模型中由雜散電導(dǎo)反映。根據(jù)交聯(lián)聚乙烯材料特性，利用有限元分析得到單位長(zhǎng)度電纜與屏蔽層之間的電導(dǎo)為2.02×10-6S/m。當(dāng)出現(xiàn)電纜老化、潮濕等情況時(shí)，電纜全線或某些特殊點(diǎn)處的電導(dǎo)增大，導(dǎo)致泄漏電流明顯上升。絕緣監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)到該缺陷，以提示檢修人員開展針對(duì)性檢修措施。

2 基于不平衡電橋的絕緣電阻監(jiān)測(cè)原理

2.1 絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

基于不平衡電橋的低壓直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置是本文的研究對(duì)象。以泉眼330 kV 變電站的直流供電系統(tǒng)實(shí)際接線為例，其配置絕緣監(jiān)測(cè)裝置后的結(jié)構(gòu)如圖11 所示。該段母線共用一套不平衡電橋，其正、負(fù)極投切開關(guān)為K+、K-，正、負(fù)極投切電阻為R。

圖11 基于不平衡電橋的直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)Fig.11 Basic structure of DC insulation monitoring device based on unbalanced bridge

圖11 所示的絕緣監(jiān)測(cè)裝置的工作原理為絕緣監(jiān)測(cè)裝置每隔一段時(shí)間，例如每天輪轉(zhuǎn)投切K+、K-一次，同步測(cè)量輪轉(zhuǎn)投切過程中正極對(duì)地和負(fù)極對(duì)地電壓，計(jì)算正極和負(fù)極對(duì)地絕緣電阻，以達(dá)到絕緣監(jiān)測(cè)的目的。

2.2 絕緣電阻測(cè)量原理

絕緣電阻測(cè)量方法是通過不平衡電橋法測(cè)量電壓信號(hào)，并對(duì)所采集到的電壓進(jìn)行計(jì)算，從而得到絕緣電阻。絕緣電阻測(cè)量原理為當(dāng)K+閉合、K-斷開時(shí)，測(cè)量正極線對(duì)地電壓U1和負(fù)極線對(duì)地電壓U2，如圖12（a）所示[18]；當(dāng)K+斷開、K-閉合時(shí)，測(cè)量正極線對(duì)地電壓和負(fù)極線對(duì)地電壓，如圖12（b）所示。圖12中，R為正、負(fù)極投切電阻；R+和R-為整個(gè)低壓直流系統(tǒng)的正、負(fù)極對(duì)地等效絕緣電阻，其大小與控制電纜單位長(zhǎng)度電導(dǎo)密切相關(guān)，易受溫度、濕度、機(jī)械損傷等因素影響，是絕緣監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

圖12 絕緣電阻測(cè)量方法原理Fig.12 Schematic of measuring method for insulation resistance

由電阻分壓原理可得

可見，通過輪轉(zhuǎn)投切不平衡電橋中的正極對(duì)地電阻和負(fù)極對(duì)地電阻，可計(jì)算得到直流系統(tǒng)的絕緣電阻。由于式（9）和式（10）采取的量均為穩(wěn)態(tài)量，然而實(shí)際情況下，在絕緣電阻投切瞬間電壓信號(hào)會(huì)存在暫態(tài)變化過程，因此計(jì)算出的絕緣電阻也會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)存在誤差。

3 絕緣電阻監(jiān)測(cè)誤差及其消除方法

3.1 絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仿真建模

在PSCAD中建立圖11所示的直流供電系統(tǒng)的模型，主要包括±110 V直流電源、正/負(fù)極投切開關(guān)K+和K-、正/負(fù)極投切電阻R和控制電纜。所建模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the model

仿真計(jì)算可得電壓參數(shù)U1、U2、隨時(shí)間變化曲線如圖13 所示。可見，由于控制電纜雜散參數(shù)的存在，在電阻投切過程中存在控制電纜雜散電容的充放電過程，因此其波形存在一定的暫態(tài)過渡過程，而非直接達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖13 電壓信號(hào)隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Curve of voltage signal versus time

根據(jù)式（9）和式（10）可得到絕緣電阻隨時(shí)間變化曲線如圖14所示。

圖14 絕緣電阻隨時(shí)間變化曲線及其局部放大Fig.14 Curve of insulation resistance versus time,and its local magnification

在t=10 ms 之前，由于K+和K-處于斷開狀態(tài)，無法通過電壓計(jì)算得出電阻值；當(dāng)t=10 ms時(shí)，閉合K+或K-會(huì)導(dǎo)致電壓測(cè)量值發(fā)生變化，進(jìn)而使得電阻計(jì)算值也會(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)殚_關(guān)K+或K-閉合后，電纜等效電容發(fā)生充放電過程。以正極接地為例，正常運(yùn)行時(shí)，正極對(duì)地電壓為110 V，負(fù)極對(duì)地電壓為-110 V，正、負(fù)極對(duì)地等效電容及正負(fù)極之間等效電容均有電荷；當(dāng)發(fā)生正極接地時(shí)，由于正極對(duì)地電壓下降，負(fù)極對(duì)地電壓升高，正、負(fù)極間電壓不變，則正極對(duì)地等效電容放電，負(fù)極對(duì)地等效電容充電，存在過渡過程。圖14（a）中陰影部分表示絕緣電阻監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差，在此范圍內(nèi)，電阻監(jiān)測(cè)值低于實(shí)際值，可能會(huì)存在誤動(dòng)的情況，需要采用主動(dòng)延時(shí)以排除其影響。

從圖14（b）可以看出，絕緣電阻計(jì)算曲線存在振蕩過程并最終趨于穩(wěn)定。最終所計(jì)算出來的電阻值為499.47 Ω，能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出絕緣電阻值。

由圖14 可知，基于不平衡電橋檢測(cè)的絕緣電阻計(jì)算值小于實(shí)際值，若選取還未達(dá)到穩(wěn)定的計(jì)算電阻值作為絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果可能會(huì)引起裝置誤跳，因此需要增加延時(shí)，選擇穩(wěn)定后的計(jì)算值作為絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3.2 振蕩時(shí)間與電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系

由于電纜雜散參數(shù)會(huì)對(duì)絕緣電阻計(jì)算值帶來誤差，當(dāng)單位長(zhǎng)度電纜雜散參數(shù)相同時(shí)（由電纜型號(hào)決定），電纜長(zhǎng)度越大，等效電感、電阻、電容、電導(dǎo)越大，進(jìn)而影響振蕩時(shí)間。根據(jù)直流供電系統(tǒng)實(shí)際接線，設(shè)置24條分支電纜，每條電纜最大長(zhǎng)度為1 000 m。為了分析振蕩時(shí)間與電纜長(zhǎng)度之間的關(guān)系，將電纜長(zhǎng)度分別設(shè)置為100 m，200 m，…，1 000 m，進(jìn)行10次輪轉(zhuǎn)投切，得到絕緣電阻振蕩時(shí)間與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系如圖15所示。

圖15 絕緣電阻計(jì)算穩(wěn)定時(shí)間隨電纜長(zhǎng)度變化曲線Fig.15 Curve of calculated stability time of insulation resistance versus cable length

由圖15 可知，振蕩時(shí)間正比于電纜總長(zhǎng)度。目前變電站中電纜長(zhǎng)度一般小于1 000 m，此時(shí)絕緣電阻的振蕩時(shí)間約為5 ms，故設(shè)置延時(shí)時(shí)間為5 ms，便能夠躲過其振蕩過程。因此，絕緣監(jiān)測(cè)裝置必須考慮該振蕩時(shí)間才能避免誤報(bào)的問題。

4 結(jié)語

本文提出了基于有限元分析的電纜雜散參數(shù)計(jì)算方法，考慮雜散參數(shù)對(duì)絕緣電阻計(jì)算的影響，以解決由于未考慮雜散參數(shù)而存在的某些時(shí)刻絕緣監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量絕緣電阻不準(zhǔn)確的問題。首先對(duì)當(dāng)前絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了研究，分析其未考慮電纜雜散參數(shù)而導(dǎo)致的絕緣電阻計(jì)算不準(zhǔn)的問題；然后，研究了電纜正、負(fù)極線芯和屏蔽層的等效電路模型，以及雜散參數(shù)的頻變特性；最后，在PSCAD/EMTDC 中搭建變電站低壓直流供電系統(tǒng)仿真模型，并考慮雜散參數(shù)對(duì)電橋投切所產(chǎn)生的影響。結(jié)果表明，絕緣電阻測(cè)量值需要經(jīng)過振蕩時(shí)間才能達(dá)到真實(shí)值，且該振蕩時(shí)間與電纜長(zhǎng)度成正比。