IT系統絕緣監測技術研究綜述

楊濤，王金全，徐曄，李乾，呂強

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IT系統絕緣監測技術研究綜述

楊濤，王金全，徐曄，李乾，呂強

（解放軍理工大學，南京 210007）

絕緣監測裝置是IT系統保持高供電可靠性的重要條件。總結了現有絕緣監測技術的基本原理，分析了各中絕緣監測方法存在的問題；并對國外絕緣監測技術的發展進行了介紹。得出低壓IT系統對地阻抗模型以及新型故障診斷方法方面的研究能夠促進IT系統絕緣監測技術發展的結論。

IT系統 絕緣監測 對地阻抗模型 自適應故障診斷

0 引言

IT系統是中性點不接地或經高阻接地的系統[1-2]，當發生單相接地時，故障回路只包含接地阻抗、線路阻抗、分布電容，形成的故障電流非常小，不會威脅到設備和人身的安全，可持續運行一段時間。如果工作人員借助絕緣監測設備或其他工具能夠及時排除故障，則無需中止供電，電網具有較高的供電安全性和可靠性。這一特點使得低壓IT系統的應用范圍越來越廣泛，如發電廠的廠用電、煤礦、船舶、手術室等[3-6]。

IT系統絕緣監測是對系統的絕緣狀況進行在線監測，及時診斷系統絕緣故障，在盡可能短的時間內發現并進而消除單相接地故障，實現IT系統有效持續供電。因此，研究IT系統的絕緣監測技術具有重要的意義。

1 IT系統絕緣監測技術發展現狀

早在六十年代，美國、德國等發達國家就有針對電力系統狀態監測與故障診斷技術相關方面的研究。七十至八十年代，隨著單片機技術、通信技術的快速發展及在電力系統中的廣泛應用，產生了在線診斷技術。九十年代后，隨著傳感技術、信號分析處理技術的發展，故障診斷技術更是有了跨越式的發展。我國的絕緣故障診斷技術主要始于上世紀八十年代，高等院校和電力部門科研院所都相繼開展了這方面的研究。

1.1 國內絕緣監測技術發展現狀

1.1.1直流疊加法[7-9]

這種方法是將直流電壓在線疊加于電網電纜，通過測量流過電纜的直流電流來進行診斷，如圖1所示。圖中，a、b、c和a、b、c分別為發電機的相電勢和內阻抗，為直流電勢源，0和1分別為限流電阻和測量電阻。

其基本原理為向電網中性點注入直流源信號，然后根據測量電阻上的電壓和相關已知參數計算得到系統的總絕緣電阻值。由于大容量發電機組的內阻抗相對限流電阻和測量電阻來說可忽略不計，可將直流電動勢單獨作用的等效電路圖簡化。通過對測量電阻1上的穩態電壓（直流）采集測量，可根據公式計算出電網對地的絕緣電阻R（三相對地絕緣電阻的并聯值）：

1.1.2雙頻法[10-12]

雙頻法的基本原理是，當電網發生低絕緣故障（絕緣電阻值仍較大）時（如支路i絕緣電阻下降至），裝置依次向電網某相與地間疊加兩個頻率分別為1和2正弦波信號，其原理見圖2。圖中，a、b、c為發電機相電勢，Ai、Bi、CCi為第i條負載支路的對地電容，為故障接地電阻，漏電流傳感器環套于每條負載支路上。

假設注入信號頻率為1時，故障支路的對地電壓為if1，漏電流為if1；頻率為2時，故障支路的對地電壓為if2，漏電流為if2，則可列出如下方程：

(3)

由此求得故障負載支路的對地絕緣電阻的大小：

當絕緣電阻值低于設定值時，則判定該支路為絕緣故障支路。另外，將帶入式(3)或式(4)中還可求得線路對地電容。

1.1.3單頻法[13-15]

針對雙頻法需要注入不同頻率的信號導致絕緣監測裝置變得復雜而可靠性降低的問題，提出了單頻信號注入法的檢測方案，其基本原理是向電網中性點注入一個穩定頻率的正弦波信號，原理圖與雙頻法類似，但注入源只需提供穩定頻率的單一信號。

若用表示注入信號頻率，當系統運行正常時，設流經各支路的注入信號電流為1…n，其表達式如下：

其中，f—注入信號對地電壓；n—第n條支路的漏電流；—2π；n—第n條支路對地電容。

當支路i絕緣下降（或發生單相接地故障）時，則漏電流變為：

其中，表示該支路對地絕緣電阻值。

則故障支路的絕緣阻抗值為：

比較式(5)、式(6)可知，故障支路中由注入信號產生的頻率為的電流值比非故障支路大，可通過比較各支路中的漏電流幅值的大小來判別故障支路。通過測量值|i|實部和虛部分別相等計算得到絕緣電阻。

1.1.4 “S”注入法[16]

“S”注入法選線定位原理不利用非直接接地系統發生單相接地故障的故障量，而是向系統注入外部信號，通過檢測注入信號的傳輸路徑和特征進行故障選線、測距和定位，原理圖如圖3所示。一般從電壓互感器二次側注入電流信號，其頻率取在工作頻率的各次諧波之間，一般選擇110 Hz，從而保證不被工頻分量及高次諧波分量干擾。注入電流信號沿接地線路的接地相流動，并經接地點入地，非故障線路上注入電流信號較小，用信號探測裝置對每一條出線進行探測，探測到注入信號的線路即故障線路。

圖3 “S注入法”原理示意圖

1.1.5零序電流法[17]

系統發生接地故障后，對應支路將產生零序電流，通過比較系統支路中零序電流的幅值特性和相位特性來選出故障支路。目前利用零序電流原理的選線方法主要有：零序電流比幅法、零序電流相對相位法、群體比幅比相法、零序功率法、零序導納法等。

1.2 國外研究趨勢

國外已經有學者提出了一些能夠提供更多系統絕緣狀態信息的故障診斷方法，分析了環境因素對系統絕緣的影響，探索了新的研究方向。

圖4 零序電流法基本原理圖

David L. McKinnon（美）[18]采用絕緣電阻變化曲線來評估系統的絕緣性能，以提供更多絕緣下降信息。根據絕緣電阻的變化曲線的形狀將絕緣狀態分為：正常、潮濕、污染、脆化四種[22]。不同外界環境條件下絕緣電阻的變化曲線形狀差異較為明顯，通過絕緣電阻變化曲線可以判別絕緣狀況、分析絕緣下降類型。

S.A. Bhumiwat(新西蘭)[19]使用絕緣電阻、電容聯合來評價系統絕緣性能的優劣，使用極化、去極化電流，電容比，介電損耗角正切來診斷系統絕緣故障，研究了這些因素對電介質電導過程和極化過程的影響。文章指出，不同的系統分布電容不同，其報警值的參考價值不大。分布電容配合絕緣電阻共同作為標準評價絕緣性能的效果要優于單一的絕緣電阻。

Reza Soltani(加拿大)[20-22]分析了濕度對電機匯流條充電、放電電流的影響及絕緣電阻、極化指數、介質損耗角正切等的變化情況。并用多種材料在不同的濕度條件下試驗，結果表明隨濕度升高試驗材料的泄露電容也隨之增大，絕緣性能下降。。

2 現有方法的不足

現階段的國內絕緣監測方法還存的問題：

1）零序電流法利用小電流接地系統中零序電流的幅值和相位特性作為綜合判據的選線方法，該方法雖然可以較準確地判斷出單相低絕緣故障支路，但當電網出現單相高阻絕緣故障或三相對地絕緣同時降低時，無法準確選出故障支路。

2）“S注入法”中，由于電網中存在一些與注入信號頻率接近的頻率信號，干擾選線。上述兩種方法均只針對系統發生單相接地故障后進行故障選線，不能提供整個系統的實時絕緣狀態信息。

3）直流法監測的是整個電網的絕緣情況，在各支路加裝互感器后能夠進行選線，但是無法測量系統的分布電容大小。

4）雙頻法監測的也是整個電網的絕緣情況，但需要分別注入兩種頻率的監測信號，且計算的絕緣電阻值不如直流法精確。

5）單頻法中采用事先估計的方法來確定系統電纜的分布電容值，雖然簡化了計算，但未考慮系統絕緣下降時分布電容值也會隨之下降，計算結果誤差較大。

國外對絕緣方面的研究思路較為廣泛，也產生了許多研究成果，但仍存在以下幾個方面的問題：

1）沒有形成統一的絕緣影響因素的理論；

2）沒有應用理論進行絕緣監測實際的案例；

3）研究對象大多為大型旋轉電機等設備，針對IT系統的整體絕緣性能研究較少。

3 絕緣監測技術發展展望

IT系統絕緣監測技術中亟需解決的一大難點為線路對地阻抗模型。建立線路對地阻抗模型，能夠深入分析IT系統絕緣性能的影響因素，研究評價絕緣水平的指標。另外，傳統絕緣監測理論使用固定的絕緣電阻值來判別系統是否發生絕緣故障，這在環境多變或者老化損壞較快的系統中是不可行的。因此，絕緣監測技術往后可能會向以下兩方面發展：

1）理論研究方面，隨電介質理論認識的不斷深入，IT系統對地阻抗模型越來越符合實際情況；

2）工程應用方面，在實際的應用過程中，可能產生一些能夠根據現場環境自動調整故障判據報警值的新型故障診斷方法。

4 結語

文章對國內外IT系統絕緣監測技術的研究現狀和最新進展進行了總結，并對其缺點進行了分析，最后對IT絕緣監測技術未來發展方向進行了展望。IT系統低壓配電網絡對地阻抗模型的深入理解，以及能夠根據現場環境自適應改變報警值的故障判別方法在今后的研究中應該得到重視。

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Summary of the Insulation Monitoring Technology of IT System

Yang Tao, Wang Jinquan, Xu Ye, Li Qian, Li Qian

(PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

TM855

A

1003-4862（2013）04-0013-04

2012-07-31

楊濤（1987-），男，在讀研究生。專業方向：IT系統絕緣監測及繼電保護。