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

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，成都 610213）

0 引言

工業系統中各電氣設備在進行功能性能試驗前，通常需要對動力電源進出線及控制電源進行絕緣性能測試，只有在絕緣性能滿足要求的情況下，才能進行后續試驗。在工業系統各項目中，對于低壓電氣設備，通常在設備調試及運行前，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載設備，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較多，手動進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熱狀態，其絕緣特性可能發生變化，致使絕緣阻值降低。因此，不僅需要在設備運行前對其絕緣狀態進行檢測，在設備運行期間也需要對各電加熱器絕緣狀態進行監測。

根據絕緣檢測時被測設備是否需要斷電，可將絕緣檢測技術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，主要對當前離線和在線絕緣檢測研究現狀進行調研。

1 離線絕緣檢測技術調研

離線絕緣檢測主要依靠測量儀器對設備絕緣性能進行定期或不定期的檢測，如數字萬用表、兆歐表和耐壓測試儀等。目前，國內對設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行絕緣檢測通常存在以下不足：

1）針對不同種類設備通常使用不同類型測試儀表。

2）進行離線絕緣性能測試時，設備需斷電，不利于設備運行，降低經濟效益，不利于設備維護。

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

為了解決傳統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，國內已有研究提出采用自動絕緣檢測裝置代替傳統測試儀表[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、電流等數據，這些數據傳入控制器后，通過控制器計算判斷當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多通道自動檢測，大大縮短傳統測試儀器進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，該技術已應用在工業系統中。為了解決設備數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備，可實現多路負載自動投入檢測、檢測結果存儲、結果上傳等功能。

2 在線絕緣檢測技術調研

在線絕緣檢測技術是在設備運行過程中，實時檢測設備的絕緣狀態。如果出現絕緣下降等情況，可及時發出報警信號，同時進一步對絕緣故障進行定位，幫助快速消除設備絕緣故障。目前，常用的在線絕緣檢測技術有直流疊加法、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備，通過測量流過設備的直流電流來進行診斷。圖2 中，ea、eb、ec和Za、Zb、Zc分別為發電機的相電勢和內阻抗，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。由于配電設備的內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態電壓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分布電容影響等優點[4]，但該方法只可用于電網側的絕緣電阻檢測，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。當設備發生低絕緣故障時，裝置依次向設備配電線路某相與地間發出由電勢源Er產生的f1和f2兩個低頻正弦波信號。圖4 中，ea、eb、ec為發電機相電勢，C1…Ci…Cn為負載支路的對地電容，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]

零序電流法是根據小電流接地系統中零序電流的幅值、相位特性作為選線的綜合判據，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成熟、可靠性較高在工業領域得到廣泛應用。因零序電流幅值比較法無法對故障支路絕緣電阻進行直接計算，通常零序電流幅值比較法用于對支路較多負載設備的絕緣故障情況進行定位，從而進一步對該故障支路絕緣情況進行判定。

3 基于零序電流檢測的絕緣故障檢測方案

通過上述技術調研，對在線絕緣檢測技術方案進行對比分析，可得出如下結論：

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

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、范圍無嚴苛要求，可對故障支路進行定位，但無法進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缺點，結合電加熱器工作特點，為了提高故障電加熱器判定的準確率，本文提出將離線絕緣檢測與在線絕緣檢測結合，綜合應用于電加熱器的絕緣故障檢測：當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一步對該路負載絕緣阻值進行計算?；诹阈螂娏鳈z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用，本文主要對基于零序電流在線檢測方案及其系統配置方案設計進行說明。

3.1 零序電流在線檢測方案設計

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電流送往主控卡中的A/D 采樣電路，經A/D 采樣電路后，控制器一方面將采集到的零序電流在機箱進行就地顯示，另一方面通過幅值比較選定出發生絕緣故障的支路。通過通訊接口，將判定結果送給離線絕緣檢測裝置。

零序電流在線檢測機箱硬件主要分為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 控制器及其相關電路?？刂破魍ㄟ^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 通訊送往本地機箱顯示。同時，控制器依據采集到的電流幅值進行比較計算：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設的電流閾值進行比較，若在一定時間內同一支路零序電流幅值均超出設定閾值，則定位該支路為絕緣故障支路。此時，控制器通過RS 485 通訊向外發送指令，通過離線絕緣檢測機箱切除該路負載并進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0.05mA ～5mA 電流， 對應一次側零序電流為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出的電流數據進行顯示，另一方面將顯示屏的操作信息下發給控制器，從而執行閾值設定等功能。通常，閾值設定功能不開放給現場應用人員，僅向設備調試人員預留閾值設定接口。

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

3.2 系統方案配置

采用離線絕緣檢測裝置與零序電流在線檢測機箱結合方式，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回路中，且根據負載回路數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量不同。因此，需將在線檢測機箱安裝在各配電柜中與零序電流互感器配合使用。各在線檢測機箱通過外部RS 485 接口組網后與離線絕緣檢測裝置通訊，將現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展電路對多路負載實現控制，從而實現一路絕緣檢測電源對多路負載依次進行絕緣檢測。因此，可將一套離線絕緣檢測裝置配置于系統側，最終實現“一配多”的配置方案。

4 結論

為了提升核電中類似于電加熱器等多路負載低壓電氣設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行調研，結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配置方案進行闡述。該方案通過零序電流檢測與離線絕緣檢測裝置結合的方式，通過“一配多”的系統配置，可在節省機柜空間體積的情況下，實現對多路低壓電氣設備絕緣故障的定位與檢測，提升設備絕緣檢測的自動化程度。