一種隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)的設(shè)計

王 彬 牛小鐵 伭宏偉 何楊軍

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 北京市電氣安全技術(shù)研究所,北京 100042；2.四川歐倫電氣設(shè)備有限公司，四川 綿陽 621000)

0 引言

隨著現(xiàn)代城市不斷發(fā)展，城市功能定位不斷調(diào)整，城市運行對供電質(zhì)量和供電安全的要求不斷上升，用電安全也成為影響城市運行安全的一項重要因素。各類院校、中小學(xué)、科研機構(gòu)擁有大量的實驗室，需要進行頻繁的電氣設(shè)備操作，它們的用電安全成為城市運行安全的重點監(jiān)管對象。

學(xué)校實驗室的使用對象大多是安全用電經(jīng)驗和意識不足的學(xué)生，在面對突發(fā)的電氣安全問題時，往往缺乏有效的防護和處理手段。尤其是電工、電氣類的實驗實訓(xùn)室，學(xué)生需要頻繁地進行電氣設(shè)備和臨時用電操作，很多情況下這些操作是在帶電狀態(tài)下進行的。因此，這類實驗室的電氣安全管理難度很大，僅僅依靠規(guī)章制度對使用人員進行約束并不能起到很好的作用，需要引進新的技術(shù)手段對人員和設(shè)備進行保護，快速發(fā)現(xiàn)并處理安全隱患，防患于未然。

本文設(shè)計的隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)，將隔離電源與絕緣故障定位技術(shù)相結(jié)合，在對人員和設(shè)備進行安全防護的同時，還能快速定位故障位置，減少絕緣故障帶來的人身傷害與經(jīng)濟損失。

1 絕緣故障監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域，絕緣監(jiān)測裝置發(fā)揮著極其重要的作用，時刻保護著人們的人身和財產(chǎn)安全。目前已有很多比較成熟且有針對性的測量方法，并被廣泛應(yīng)用，如：平衡電橋法、不平衡電橋法、電流傳感法以及小信號注入法[1-2]。在這些測量方法的基礎(chǔ)上，絕緣監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)歷了3代技術(shù)發(fā)展。

1.1 帶電測試技術(shù)

最早的電氣設(shè)備絕緣監(jiān)測是通過帶電檢測技術(shù)實現(xiàn)的，為了確保設(shè)備在檢測與維護過程中實現(xiàn)持續(xù)供電，通過人工測試的方式，對絕緣參數(shù)實現(xiàn)帶電測量。這種方式由于受到儀器設(shè)備和人為操作的影響，其檢測樣本較少，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性存在較大的誤差[3-5]。

1.2 傳感器測試技術(shù)

經(jīng)過多年的發(fā)展，為了彌補人工帶電操作過程中出現(xiàn)的問題，現(xiàn)在逐漸用各種檢測傳感器來代替人工測量。傳感器測試技術(shù)從以往的模擬測試方式改為數(shù)字化測試方式，該測試方式實現(xiàn)了被測參數(shù)的時時監(jiān)測，在信號傳輸方面也有著更好的效果。

1.3 多功能在線監(jiān)測技術(shù)

目前使用最多的是在線監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)是在傳感器測試方式上發(fā)展而來的，其通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的傳感器檢測技術(shù)結(jié)合，來提高信號處理效率。這種監(jiān)測方式能夠同時檢測多路絕緣參數(shù)，實現(xiàn)對用電設(shè)備絕緣狀態(tài)的實時監(jiān)控，在與其他帶有防護功能的自動化設(shè)備連接之后，能夠及時處理出現(xiàn)的絕緣問題，對設(shè)備和人員安全起到保護作用。

2 系統(tǒng)工作原理

我國的配電系統(tǒng)接地形式大多采用TN系統(tǒng)(中性點直接接地，設(shè)備外露部分與中性線相連)。該系統(tǒng)在發(fā)生絕緣故障時，由于中性點接地，在電網(wǎng)與大地之間形成1個導(dǎo)電回路，因此產(chǎn)生較大的故障電流，對人員和設(shè)備危害較大。在大多數(shù)情況下，斷路器、漏電保護器等保護裝置會發(fā)生動作，通過斷電來切除故障，從而導(dǎo)致大范圍斷電。

與TN系統(tǒng)相比，IT系統(tǒng)(中性點不接地，電氣設(shè)備外殼采用保護接地)在發(fā)生絕緣故障導(dǎo)致漏電時，系統(tǒng)與大地之間無法形成回路，沒有電流從人體流過，可以避免觸電事故的發(fā)生。因此，在極易發(fā)生單相絕緣故障的場合，通過增加隔離變壓器，將供電網(wǎng)絡(luò)由TN系統(tǒng)改造為IT系統(tǒng)，來保障供電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定。TN系統(tǒng)與IT系統(tǒng)的接線方式對比如圖1所示。

(a)TN系統(tǒng)接線方式 (b)IT系統(tǒng)接線方式

實驗室通過增加隔離變壓器，將電源由TN系統(tǒng)改為IT系統(tǒng)，主要優(yōu)勢是通過將電源與大地隔離，保護在二者之間的人員和設(shè)備的安全。一旦發(fā)生絕緣故障導(dǎo)致漏電，對地漏電流很小甚至忽悠不計，不會破壞電源電壓的平衡，因而更加安全、可靠。雖然增加1個隔離變壓器可以實現(xiàn)隔離的功能，但是這種隔離只能降低絕緣故障造成的危害，并不能發(fā)現(xiàn)并切除故障。將隔離變壓器與絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障測試儀和定位互感器等設(shè)備組合成1個系統(tǒng)，在形成隔離保護的同時，能夠?qū)收峡焖俣ㄎ?，保障了供電安全和穩(wěn)定。人體觸電主要是由于電源和大地通過人體形成了回路，有電流從人體流過。流經(jīng)人體的電流對人體的影響如表1所示。

表1 電流對人體的影響

我國目前采用的漏電保護裝置的動作電流大多為30 mA，通過表1可以看出，30 mA電流可能導(dǎo)致強烈的痙攣甚至心室顫動，通用漏電保護裝置已無法滿足學(xué)校實驗室的要求。另外，在實際操作中發(fā)生絕緣故障時，漏電流超過保護限值，保護裝置動作造成停電，可能會導(dǎo)致實驗設(shè)備損壞和實驗數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重影響正常的教學(xué)和科研工作。在實驗室采用隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)，既能對人員、設(shè)備的安全形成保護，又能保證供電穩(wěn)定性，即使出現(xiàn)絕緣故障也能將損失和影響降到最低。隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。

圖2 隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)工作原理圖

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

以高校電氣類實驗室為例，尤其是涉及供配電系統(tǒng)、電機拖動等內(nèi)容的實驗及科研場合，由于需要頻繁地進行帶電操作和線路的臨時改動，絕緣故障導(dǎo)致漏電事故的概率要遠(yuǎn)高于其他場所。而進行實驗操作的大多是缺乏有效應(yīng)對手段和經(jīng)驗的學(xué)生，故障發(fā)生時，極易引發(fā)二次傷害。因此，為了保證實驗室的用電安全，本文將隔離電源和絕緣監(jiān)測設(shè)備結(jié)合，設(shè)計了1套實驗室用隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)中，所有帶電部分對地絕緣或者配電變壓器中性點通過足夠大的阻抗接地，實現(xiàn)了電源與地的隔離。在發(fā)生絕緣故障時，系統(tǒng)與地之間存在很高的阻抗，漏電流很小甚至可以忽略，形成了安全可靠的供電系統(tǒng)。

如圖3所示，系統(tǒng)主要部件包括隔離變壓器、電流互感器、定位互感器、絕緣監(jiān)測儀、絕緣故障測試儀、絕緣故障定位儀、專用電源和外接報警顯示儀。其中隔離變壓器為單相供電系統(tǒng)提供電源；電流互感器用于測量隔離電源的單相負(fù)荷，如果有多相，在每相都要加1個電流互感器；定位互感器將測量電流轉(zhuǎn)換為可計算的測量信號；絕緣監(jiān)測儀用于監(jiān)測絕緣阻值、監(jiān)測負(fù)荷、監(jiān)測溫度；絕緣故障測試儀與定位互感器一同將測量電流轉(zhuǎn)換成可計算的測量信號；絕緣故障定位儀用于定位故障位置；專用電源為外接報警顯示儀提供交流220 V的電壓；外接報警顯示儀具有聲光報警功能，并顯示實際的監(jiān)測情況。

當(dāng)發(fā)生絕緣故障時，由于隔離變壓器將系統(tǒng)電網(wǎng)改造為IT供電方式，避免了觸電事故發(fā)生的同時，也保證了供電穩(wěn)定性。此時絕緣故障定位儀通過定位互感器和絕緣測試儀轉(zhuǎn)換的測量信號，找到發(fā)生故障的支路進行定位，同時通過報警顯示儀進行報警提示。通過該系統(tǒng)，操作人員能夠快速準(zhǔn)確地切除故障支路的供電，從而保證正常供電支路不受影響。

4 系統(tǒng)故障模擬測試

為了驗證隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)的實際效果，在實驗室交流220 V供電條件下，選取3條支路分別進行絕緣故障模擬，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 故障模擬實驗結(jié)果

由表2可以看出，隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)針對不同原因?qū)е碌慕^緣故障，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障并對故障支路準(zhǔn)確定位，能夠保障人員和設(shè)備安全。

5 結(jié)論

我國的配電系統(tǒng)接地形式大多采用TN系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時，容易對人員和設(shè)備造成傷害，隔離電源絕緣故障定位系統(tǒng)通過隔離變壓器，將電源由TN系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)镮T系統(tǒng)，實現(xiàn)了電源與地之間的隔離，能夠保證供電安全、穩(wěn)定。在發(fā)生絕緣故障時，能迅速發(fā)現(xiàn)故障、進行定位并發(fā)出報警信號，為操作人員提供了安全的用電環(huán)境，保證了人員和設(shè)備的安全，在保障電氣安全運行方面具有廣泛的推廣前景。