不接地IT系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置技術(shù)和應(yīng)用分析與探討

顧 宏

(上海棟能機(jī)電科技有限公司, 上海 200443)

0 引 言

在一些供電可靠性、安全性要求高的場合嚴(yán)格要求不間斷供電的系統(tǒng)中,電源中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng))可有效避免這一危險(xiǎn);在運(yùn)用IT系統(tǒng)供電方式的系統(tǒng)內(nèi),由于單相對(duì)地漏電流較小,相較中性點(diǎn)接地系統(tǒng)來說不會(huì)破壞供電系統(tǒng)的電壓平衡,所以更安全。

在IT系統(tǒng)中,由于沒有帶電導(dǎo)線直接接地,當(dāng)?shù)谝淮谓^緣故障出現(xiàn)時(shí)故障電流只有一個(gè)很小的系統(tǒng)泄漏電容產(chǎn)生的漏電流,電氣設(shè)備金屬外殼不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)性的接觸電壓,故障點(diǎn)上游的保護(hù)裝置也不會(huì)動(dòng)作;這樣可以保證設(shè)備電源不被切斷繼續(xù)運(yùn)行[1]。絕緣監(jiān)測裝置是監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)地絕緣阻抗,連接在系統(tǒng)和大地間,當(dāng)設(shè)備發(fā)生對(duì)地絕緣故障時(shí),絕緣監(jiān)測裝置會(huì)立刻發(fā)出報(bào)警信號(hào),使用戶提前發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并及時(shí)加以排除,所以絕緣監(jiān)測裝置在IT系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。

1 當(dāng)前絕緣監(jiān)測裝置的主要測量原理和方法

根據(jù)IEC 61326-1系統(tǒng)關(guān)于絕緣監(jiān)測裝置的定義:絕緣監(jiān)測裝置(Insulation Monitoring Device,簡稱IMD)主要應(yīng)用于電源中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(IT系統(tǒng)),它能夠監(jiān)測IT系統(tǒng)的絕緣電阻,包括對(duì)稱和非對(duì)稱組件,并在系統(tǒng)和地面之間的絕緣電阻低于預(yù)定水平時(shí)發(fā)出警告。

1.1 絕緣電阻監(jiān)測法

在IT不接地系統(tǒng)中,絕緣監(jiān)測裝置連接在系統(tǒng)和地線(或保護(hù)接地線PE)之間,同時(shí)將一低頻交流測量信號(hào)疊加于被監(jiān)測系統(tǒng)和地之間,測量信號(hào)與系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻形成了測量回路,通過不間斷地對(duì)監(jiān)測電流的分析處理而獲得相應(yīng)的系統(tǒng)相對(duì)地絕緣電阻值RF,當(dāng)測量的絕緣電阻值下降到低于預(yù)設(shè)閾值時(shí),絕緣監(jiān)測裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.2 電橋平衡監(jiān)測法

國內(nèi)目前絕緣監(jiān)測裝置采用的監(jiān)測原理主要有電橋平衡原理、低頻注入測量原理及霍爾磁式平衡法原理等,其中應(yīng)用最廣泛的是基于“電橋平衡原理”的“電橋法”。

“電橋法”主要是根據(jù)電橋平衡原理[2],在正、負(fù)母線之間人為地接入一個(gè)電阻橋路,橋路中間點(diǎn)連接系統(tǒng)參考地;正、負(fù)母線絕緣狀況良好時(shí),電阻橋處于平衡狀態(tài),當(dāng)正、負(fù)母線出現(xiàn)接地現(xiàn)象(直接接地或?qū)Φ亟^緣電阻下降)時(shí),電阻橋一端電阻相當(dāng)于平衡電阻和母線對(duì)地電阻的并聯(lián),電阻橋另一端電阻仍為平衡橋電阻,這樣電阻橋的平衡就被打破,電阻的不平衡直接反映在正、負(fù)母線電壓值的不相等上。電橋檢測原理圖如圖1所示。

基于電橋平衡原理的“電橋法”具有結(jié)構(gòu)簡單、成本經(jīng)濟(jì)、適合大批量需求、適合小型電氣系統(tǒng)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)而得到了相對(duì)較廣泛的應(yīng)用,但同時(shí)它存在以下缺點(diǎn):

(1) 只可在線帶電狀態(tài)下測量,系統(tǒng)通電前無法工作;

(2) 無法分辨非對(duì)稱故障;

(3) 交直流無法同時(shí)監(jiān)測;

(4) 無法監(jiān)測到直流系統(tǒng)正、負(fù)極絕緣同等下降時(shí)的情況,不能直接得到系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻大小,而需要通過繼電器通斷來計(jì)算絕緣阻值,降低了壽命和可靠性;

(5) 電壓波動(dòng)等情況下,測量誤差較大;

(6) 無自適應(yīng)能力。

上述問題制約了其測量精度、靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性和應(yīng)用等。因此,電橋平衡法適合在支路數(shù)不多、回路簡單、自動(dòng)化水平較低及對(duì)供電可靠性要求不高的場合使用。在較大系統(tǒng)中只能起預(yù)告接地事故的作用,并配合其它的接地方法來查找接地故障。

2 自適應(yīng)測量脈沖測量法(AMP測量法)和采用此法的絕緣監(jiān)測裝置

2.1 AMP測量法

自適應(yīng)測量脈沖測量法(Adaptive Measuring Pulse Measuring Principle Method,簡稱AMP測量法)由德國本德爾公司(Bender)提出:即通過依次向直流系統(tǒng)正負(fù)母線與地之間注入一個(gè)低頻交流信號(hào),通過對(duì)該測量信號(hào)的分析處理計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)地絕緣電阻。這個(gè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要具備以下特征:對(duì)控制技術(shù)和測量精度要求極高,對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求合適,對(duì)電網(wǎng)的影響盡可能小等。

AMP測量法是疊加脈沖電壓信號(hào)的低頻信號(hào)注入法[2];其測量方法是送出的測量信號(hào)根據(jù)被監(jiān)測系統(tǒng)的分布漏電容大小以及系統(tǒng)絕緣阻值的高低,可以自動(dòng)地調(diào)整輸出電壓信號(hào)的大小及頻率。這種方法應(yīng)用于被監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)能夠帶來更快捷的響應(yīng)和更可靠的保護(hù)。應(yīng)用于包括交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)和帶直流成分的交流系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具有較高對(duì)地泄漏電容的系統(tǒng)等各種系統(tǒng),是目前較最先進(jìn)的監(jiān)測方法之一。AMP測量法示意圖如圖2所示。

圖2 AMP測量法示意圖

AMP測量法采用交替測量脈沖,一外施電壓UDC通過匹配電阻R1注入監(jiān)測系統(tǒng)回路,采用正、負(fù)極交替注入信號(hào),當(dāng)測量時(shí)間達(dá)到5τ平衡后,即在經(jīng)過幾個(gè)取樣測量A和B后會(huì)自動(dòng)計(jì)算處理,UDC和Um不斷相加和相減,A和B的測量結(jié)果將存儲(chǔ)在μ處理器中進(jìn)行處理,最后的獲取測量電壓Um,并最終通過歐姆定律Rm=Um/Im。得到絕緣電阻值。交替注入的低頻測量信號(hào)示意圖如圖3所示。

圖3 交替注入的低頻測量信號(hào)示意圖

2.2 AMP測量法的原理

自適應(yīng)測量脈沖測量法(AMP測量法)在系統(tǒng)泄漏電流之間采用交替注入(類似一開關(guān))測量電壓,其所測數(shù)值與絕緣電阻成一定比例,在與交流/直流以及直流IT系統(tǒng)綜合使用時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)寬帶干擾,根據(jù)故障條件,發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生頻率在0～5 Hz電壓信號(hào),電壓通過標(biāo)準(zhǔn)電阻形成測試電流,然后通過低通數(shù)字濾波器能夠很容易地抑制系統(tǒng)頻率大小的干擾或頻率更高的干擾,但是很難消除低頻干擾。

通過AMP測量技術(shù)軟件內(nèi)嵌自適應(yīng)濾波器軟件,低頻干擾例如來自變頻器的干擾就可以得到控制;在采用高性能變頻傳動(dòng)的IT系統(tǒng)內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)頻率范圍在0 Hz至10 Hz,強(qiáng)度達(dá)到幾百伏的電壓分量,這些電壓疊加于絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出的測量電壓會(huì)變成干擾電壓,如果這些干擾電壓超過裝置的最大容許值,傳統(tǒng)監(jiān)測裝置可能會(huì)無法抑制而產(chǎn)生不正確的測量結(jié)果。在設(shè)定好IT系統(tǒng)對(duì)地測量電壓的持續(xù)時(shí)間之后,以傅里葉分析為基礎(chǔ)采用特殊設(shè)計(jì)的電壓模塊會(huì)確定測量電壓的特性,以保證數(shù)據(jù)采集器收到盡可能高的信號(hào)強(qiáng)度,數(shù)據(jù)采集器使數(shù)字濾波器的中頻段適應(yīng)其信號(hào)采集模塊;信號(hào)發(fā)生器自激的測量電壓通過阻抗產(chǎn)生的測量電流會(huì)流經(jīng)系統(tǒng)泄漏電容、絕緣電阻和耦合電路等回路;一部分耦合電阻內(nèi)的壓降進(jìn)入模擬數(shù)字變流器(ADC),然后將ADC輸出數(shù)據(jù)輸入濾波器數(shù)字帶通。測量信號(hào)是一個(gè)周期的均方根,根據(jù)濾波器的輸出數(shù)據(jù)確定,系統(tǒng)泄漏電容和系統(tǒng)絕緣電阻可以通過均方根數(shù)值系數(shù)和濾波器中頻系數(shù)計(jì)算。

控制處理器對(duì)測量過程不停采樣、擬合、預(yù)測、直至找到5τ平衡點(diǎn)。雖然絕緣監(jiān)測注入信號(hào)只有十幾/幾十微安級(jí),來自系統(tǒng)的干擾要遠(yuǎn)大于測試信號(hào),通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT)算法識(shí)別出系統(tǒng)基頻測量數(shù)據(jù),通過NOTCH邏輯處理單元去除干擾,同時(shí)通過FFT識(shí)別的基頻測量數(shù)據(jù)提供給控制處理器,來規(guī)避系統(tǒng)基頻干擾數(shù)據(jù)。處理干擾后的數(shù)據(jù)與原先設(shè)定的RF故障絕緣電阻閾值作比較,小于等于閾值發(fā)出故障報(bào)警,大于閾值則正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)處理流程示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程示意圖

試驗(yàn)脈沖充放電過程曲線圖如圖5所示,測量電壓UM通過每個(gè)脈沖對(duì)系統(tǒng)泄漏電容進(jìn)行充放電,結(jié)果為測量電流IM;充放電周期為5τ(τ為時(shí)間常數(shù))。

圖5 試驗(yàn)脈沖充放電過程曲線圖

t=5τ;τ=[RIΠRE]×CE

(1)

一個(gè)測量脈沖的時(shí)間可以通過以下公式計(jì)算:

(2)

根據(jù)式(1)絕緣監(jiān)測裝置的響應(yīng)時(shí)間由系統(tǒng)泄漏電容決定,在純交流系統(tǒng)內(nèi)響應(yīng)時(shí)間通常少于1 s,而系統(tǒng)內(nèi)可忽略的泄漏電容則高達(dá)1 μF,然而在交流系統(tǒng)內(nèi)和帶有直流部件的交流系統(tǒng)內(nèi)響應(yīng)時(shí)間會(huì)高達(dá)10 s(IEC 61557-8),甚至100 s都是允許的。

考慮到在出現(xiàn)第一次故障時(shí)可以將帶有輔助保護(hù)性等電位連接的IT系統(tǒng)比作TN系統(tǒng),很明顯較長的響應(yīng)時(shí)間不會(huì)對(duì)絕緣監(jiān)測裝置產(chǎn)生負(fù)面影響,在泄漏電容較高或電壓波動(dòng)較大的系統(tǒng)內(nèi),同樣需要較長的測量時(shí)間?？梢姕y量時(shí)間與系統(tǒng)分布漏電容大小有關(guān)。

2.3 采用AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置的優(yōu)點(diǎn)

AMP測量法很好地解決了電橋法等出現(xiàn)的問題,能夠做到:

(1) 可以監(jiān)測未通電狀態(tài)的系統(tǒng),包括高壓系統(tǒng);

出報(bào)社門，耳邊響起李梅的話：報(bào)社記者，不靠工資活命。原先他還半信半疑，現(xiàn)在信了，不知不覺就跨入食物鏈的上端，這一端的人攫錢容易，有人送。

(2) 可以分辨對(duì)稱故障;

(3) 交直流側(cè)的絕緣都可以監(jiān)測,并且可以同時(shí)監(jiān)測;

(4) 無需通過繼電器通斷來計(jì)算絕緣阻值,提高了可靠性;

(5) 電壓波動(dòng)不影響測量精度;

(6) 全生命周期測量穩(wěn)定,自適應(yīng),測量溫度可在-40 ℃～85 ℃。

對(duì)比采用自適應(yīng)AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置與其它采用非AMP測量法制造的裝置,得出結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用AMP測量法的裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1) 更寬泛的報(bào)警范圍,能夠滿足更多監(jiān)測報(bào)警值的設(shè)定;

(3) 更小的系統(tǒng)漏電容,更符合各種設(shè)備的監(jiān)控特性,匹配度更高;

(4) 更小的注入信號(hào),對(duì)系統(tǒng)幾乎沒有影響;

(5) 滿足電磁兼容要求IEC 61326注入測量法的保障,不影響被監(jiān)測系統(tǒng),也不受被監(jiān)測系統(tǒng)影響。

上述特點(diǎn)和優(yōu)勢體現(xiàn)了采用AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置在性能上更加優(yōu)越,代表了新一代絕緣監(jiān)測裝置的技術(shù)發(fā)展趨勢。

3 采用AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置的應(yīng)用

對(duì)于市政、工業(yè)等重要設(shè)施,供電可靠性和生產(chǎn)持續(xù)性要求設(shè)備一直保持良好可用狀態(tài)并盡量減少停機(jī)檢修時(shí)間,定期停電進(jìn)行維護(hù)會(huì)變得越來越困難,采用AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置以其先進(jìn)可靠的技術(shù)使這些難題都得到了解決。不僅對(duì)于在線運(yùn)行的設(shè)備可以進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測,對(duì)離線的設(shè)備也能進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測,并且可以實(shí)現(xiàn)故障定位和后臺(tái)顯示和監(jiān)控。使用戶從計(jì)劃的“定期維護(hù)”過渡到預(yù)知的“狀態(tài)維護(hù)”,可做到提前對(duì)設(shè)備的電氣絕緣劣化趨勢作出評(píng)估預(yù)判。

以“上海白龍港污水處理廠”為案例,用戶不但要求運(yùn)行主泵保持良好狀態(tài),停、待機(jī)的備用泵也需保持良好狀況,隨時(shí)準(zhǔn)備投切替換運(yùn)行主泵工作或與其同時(shí)工作,并且在后臺(tái)控制室能監(jiān)測到停、待機(jī)泵的狀態(tài)。目前對(duì)于運(yùn)行泵的安全監(jiān)測和保護(hù)手段等比較多,而對(duì)于停、待機(jī)狀態(tài)的泵為了確定其狀態(tài)是否良好,用戶原來都是按照運(yùn)行規(guī)程定期停電做電試和檢修維護(hù)等實(shí)現(xiàn)的,費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)錢。

用戶在廠里采用了德國Bender公司的離線絕緣監(jiān)測裝置,通過加裝的中間繼電器的輔助觸點(diǎn)與控制泵啟停的接觸器或斷路器輔助觸點(diǎn)互為閉鎖來實(shí)現(xiàn)離線絕緣監(jiān)測裝置的開關(guān):當(dāng)泵開始運(yùn)行時(shí)絕緣監(jiān)測裝置通過中間繼電器輔助觸點(diǎn)斷開而脫開,當(dāng)泵停止運(yùn)行時(shí)絕緣監(jiān)測裝置通過中間繼電器輔助觸點(diǎn)接通而自動(dòng)投入工作;通過接入離線絕緣監(jiān)測裝置對(duì)停、待機(jī)泵的絕緣狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)負(fù)載的絕緣電阻值低于預(yù)設(shè)的報(bào)警響應(yīng)值時(shí),該離線絕緣監(jiān)測裝置可以在10 s內(nèi)給出預(yù)警信號(hào)和系統(tǒng)故障兩級(jí)報(bào)警,并輸出上傳至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)可以發(fā)指令閉鎖有問題的泵,使其退出工作狀態(tài),等待檢修等。

“上海白龍港污水處理廠”低壓開關(guān)柜內(nèi)安裝離線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)。離線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)接線示意圖如圖6所示。

圖6 離線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)接線示意圖

該離線絕緣監(jiān)測系統(tǒng)在投運(yùn)后運(yùn)行良好,用戶可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)隱患并采取必要措施,同時(shí)減少甚至免去定期檢修維護(hù)工作;幫助用戶節(jié)省了運(yùn)維的時(shí)間、人工和費(fèi)用等,也助力用戶將來建立全廠預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

通過比較在IT不接地系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測裝置的工作原理、方法以及各自特點(diǎn),明確了AMP測量法的技術(shù)先進(jìn)性,以及基于此原理和方法設(shè)計(jì)開發(fā)的絕緣監(jiān)測裝置具有的適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、應(yīng)用寬泛、靈活等諸多優(yōu)點(diǎn),指出采用AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置可以在早期階段甚至設(shè)備離線工作狀態(tài)下監(jiān)測到設(shè)備的潛在問題和故障隱患,起到預(yù)防絕緣故障、快速確定故障點(diǎn)等作用,提高了事故的預(yù)警和響應(yīng)能力,為用戶提高競爭力和效率,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化預(yù)測性維護(hù)等提供了可能;基于AMP測量法的絕緣監(jiān)測裝置代表了絕緣監(jiān)測技術(shù)的最新發(fā)展方向,有著較好的前景和應(yīng)用價(jià)值。