不接地IT系统绝缘监测装置技术和应用分析与探讨

顾 宏

(上海栋能机电科技有限公司, 上海 200443)

0 引 言

在一些供电可靠性、安全性要求高的场合严格要求不间断供电的系统中,电源中性点不接地系统(IT系统)可有效避免这一危险;在运用IT系统供电方式的系统内,由于单相对地漏电流较小,相较中性点接地系统来说不会破坏供电系统的电压平衡,所以更安全。

在IT系统中,由于没有带电导线直接接地,当第一次绝缘故障出现时故障电流只有一个很小的系统泄漏电容产生的漏电流,电气设备金属外壳不会产生危险性的接触电压,故障点上游的保护装置也不会动作;这样可以保证设备电源不被切断继续运行[1]。绝缘监测装置是监测系统对地绝缘阻抗,连接在系统和大地间,当设备发生对地绝缘故障时,绝缘监测装置会立刻发出报警信号,使用户提前发现故障点并及时加以排除,所以绝缘监测装置在IT系统中应用最为广泛。

1 当前绝缘监测装置的主要测量原理和方法

根据IEC 61326-1系统关于绝缘监测装置的定义:绝缘监测装置(Insulation Monitoring Device,简称IMD)主要应用于电源中性点不接地系统(IT系统),它能够监测IT系统的绝缘电阻,包括对称和非对称组件,并在系统和地面之间的绝缘电阻低于预定水平时发出警告。

1.1 绝缘电阻监测法

在IT不接地系统中,绝缘监测装置连接在系统和地线(或保护接地线PE)之间,同时将一低频交流测量信号叠加于被监测系统和地之间,测量信号与系统对地的绝缘电阻形成了测量回路,通过不间断地对监测电流的分析处理而获得相应的系统相对地绝缘电阻值RF,当测量的绝缘电阻值下降到低于预设阈值时,绝缘监测装置就会发出报警信号。

1.2 电桥平衡监测法

国内目前绝缘监测装置采用的监测原理主要有电桥平衡原理、低频注入测量原理及霍尔磁式平衡法原理等,其中应用最广泛的是基于“电桥平衡原理”的“电桥法”。

“电桥法”主要是根据电桥平衡原理[2],在正、负母线之间人为地接入一个电阻桥路,桥路中间点连接系统参考地;正、负母线绝缘状况良好时,电阻桥处于平衡状态,当正、负母线出现接地现象(直接接地或对地绝缘电阻下降)时,电阻桥一端电阻相当于平衡电阻和母线对地电阻的并联,电阻桥另一端电阻仍为平衡桥电阻,这样电阻桥的平衡就被打破,电阻的不平衡直接反映在正、负母线电压值的不相等上。电桥检测原理图如图1所示。

基于电桥平衡原理的“电桥法”具有结构简单、成本经济、适合大批量需求、适合小型电气系统监测等优点而得到了相对较广泛的应用,但同时它存在以下缺点:

(1) 只可在线带电状态下测量,系统通电前无法工作;

(2) 无法分辨非对称故障;

(3) 交直流无法同时监测;

(4) 无法监测到直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况,不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小,而需要通过继电器通断来计算绝缘阻值,降低了寿命和可靠性;

(5) 电压波动等情况下,测量误差较大;

(6) 无自适应能力。

上述问题制约了其测量精度、灵敏度、稳定性、可靠性和应用等。因此,电桥平衡法适合在支路数不多、回路简单、自动化水平较低及对供电可靠性要求不高的场合使用。在较大系统中只能起预告接地事故的作用,并配合其它的接地方法来查找接地故障。

2 自适应测量脉冲测量法(AMP测量法)和采用此法的绝缘监测装置

2.1 AMP测量法

自适应测量脉冲测量法(Adaptive Measuring Pulse Measuring Principle Method,简称AMP测量法)由德国本德尔公司(Bender)提出:即通过依次向直流系统正负母线与地之间注入一个低频交流信号,通过对该测量信号的分析处理计算出系统对地绝缘电阻。这个技术的实现需要具备以下特征:对控制技术和测量精度要求极高,对响应时间要求合适,对电网的影响尽可能小等。

AMP测量法是叠加脉冲电压信号的低频信号注入法[2];其测量方法是送出的测量信号根据被监测系统的分布漏电容大小以及系统绝缘阻值的高低,可以自动地调整输出电压信号的大小及频率。这种方法应用于被监测系统时能够带来更快捷的响应和更可靠的保护。应用于包括交流系统、直流系统和带直流成分的交流系统、变频驱动系统和具有较高对地泄漏电容的系统等各种系统,是目前较最先进的监测方法之一。AMP测量法示意图如图2所示。

图2 AMP测量法示意图

AMP测量法采用交替测量脉冲,一外施电压UDC通过匹配电阻R1注入监测系统回路,采用正、负极交替注入信号,当测量时间达到5τ平衡后,即在经过几个取样测量A和B后会自动计算处理,UDC和Um不断相加和相减,A和B的测量结果将存储在μ处理器中进行处理,最后的获取测量电压Um,并最终通过欧姆定律Rm=Um/Im。得到绝缘电阻值。交替注入的低频测量信号示意图如图3所示。

图3 交替注入的低频测量信号示意图

2.2 AMP测量法的原理

自适应测量脉冲测量法(AMP测量法)在系统泄漏电流之间采用交替注入(类似一开关)测量电压,其所测数值与绝缘电阻成一定比例,在与交流/直流以及直流IT系统综合使用时通常会出现宽带干扰,根据故障条件,发生器会产生频率在0～5 Hz电压信号,电压通过标准电阻形成测试电流,然后通过低通数字滤波器能够很容易地抑制系统频率大小的干扰或频率更高的干扰,但是很难消除低频干扰。

通过AMP测量技术软件内嵌自适应滤波器软件,低频干扰例如来自变频器的干扰就可以得到控制;在采用高性能变频传动的IT系统内可能会出现频率范围在0 Hz至10 Hz,强度达到几百伏的电压分量,这些电压叠加于绝缘监测装置发出的测量电压会变成干扰电压,如果这些干扰电压超过装置的最大容许值,传统监测装置可能会无法抑制而产生不正确的测量结果。在设定好IT系统对地测量电压的持续时间之后,以傅里叶分析为基础采用特殊设计的电压模块会确定测量电压的特性,以保证数据采集器收到尽可能高的信号强度,数据采集器使数字滤波器的中频段适应其信号采集模块;信号发生器自激的测量电压通过阻抗产生的测量电流会流经系统泄漏电容、绝缘电阻和耦合电路等回路;一部分耦合电阻内的压降进入模拟数字变流器(ADC),然后将ADC输出数据输入滤波器数字带通。测量信号是一个周期的均方根,根据滤波器的输出数据确定,系统泄漏电容和系统绝缘电阻可以通过均方根数值系数和滤波器中频系数计算。

控制处理器对测量过程不停采样、拟合、预测、直至找到5τ平衡点。虽然绝缘监测注入信号只有十几/几十微安级,来自系统的干扰要远大于测试信号,通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)算法识别出系统基频测量数据,通过NOTCH逻辑处理单元去除干扰,同时通过FFT识别的基频测量数据提供给控制处理器,来规避系统基频干扰数据。处理干扰后的数据与原先设定的RF故障绝缘电阻阈值作比较,小于等于阈值发出故障报警,大于阈值则正常运行。数据处理流程示意图如图4所示。

图4 数据处理流程示意图

试验脉冲充放电过程曲线图如图5所示,测量电压UM通过每个脉冲对系统泄漏电容进行充放电,结果为测量电流IM;充放电周期为5τ(τ为时间常数)。

图5 试验脉冲充放电过程曲线图

t=5τ;τ=[RIΠRE]×CE

(1)

一个测量脉冲的时间可以通过以下公式计算:

(2)

根据式(1)绝缘监测装置的响应时间由系统泄漏电容决定,在纯交流系统内响应时间通常少于1 s,而系统内可忽略的泄漏电容则高达1 μF,然而在交流系统内和带有直流部件的交流系统内响应时间会高达10 s(IEC 61557-8),甚至100 s都是允许的。

考虑到在出现第一次故障时可以将带有辅助保护性等电位连接的IT系统比作TN系统,很明显较长的响应时间不会对绝缘监测装置产生负面影响,在泄漏电容较高或电压波动较大的系统内,同样需要较长的测量时间。可见测量时间与系统分布漏电容大小有关。

2.3 采用AMP测量法的绝缘监测装置的优点

AMP测量法很好地解决了电桥法等出现的问题,能够做到:

(1) 可以监测未通电状态的系统,包括高压系统;

出报社门，耳边响起李梅的话：报社记者，不靠工资活命。原先他还半信半疑，现在信了，不知不觉就跨入食物链的上端，这一端的人攫钱容易，有人送。

(2) 可以分辨对称故障;

(3) 交直流侧的绝缘都可以监测,并且可以同时监测;

(4) 无需通过继电器通断来计算绝缘阻值,提高了可靠性;

(5) 电压波动不影响测量精度;

(6) 全生命周期测量稳定,自适应,测量温度可在-40 ℃～85 ℃。

对比采用自适应AMP测量法的绝缘监测装置与其它采用非AMP测量法制造的装置,得出结果发现采用AMP测量法的装置具有如下优点:

(1) 更宽泛的报警范围,能够满足更多监测报警值的设定;

(3) 更小的系统漏电容,更符合各种设备的监控特性,匹配度更高;

(4) 更小的注入信号,对系统几乎没有影响;

(5) 满足电磁兼容要求IEC 61326注入测量法的保障,不影响被监测系统,也不受被监测系统影响。

上述特点和优势体现了采用AMP测量法的绝缘监测装置在性能上更加优越,代表了新一代绝缘监测装置的技术发展趋势。

3 采用AMP测量法的绝缘监测装置的应用

对于市政、工业等重要设施,供电可靠性和生产持续性要求设备一直保持良好可用状态并尽量减少停机检修时间,定期停电进行维护会变得越来越困难,采用AMP测量法的绝缘监测装置以其先进可靠的技术使这些难题都得到了解决。不仅对于在线运行的设备可以进行准确的监测,对离线的设备也能进行准确监测,并且可以实现故障定位和后台显示和监控。使用户从计划的“定期维护”过渡到预知的“状态维护”,可做到提前对设备的电气绝缘劣化趋势作出评估预判。

以“上海白龙港污水处理厂”为案例,用户不但要求运行主泵保持良好状态,停、待机的备用泵也需保持良好状况,随时准备投切替换运行主泵工作或与其同时工作,并且在后台控制室能监测到停、待机泵的状态。目前对于运行泵的安全监测和保护手段等比较多,而对于停、待机状态的泵为了确定其状态是否良好,用户原来都是按照运行规程定期停电做电试和检修维护等实现的,费时费力费钱。

用户在厂里采用了德国Bender公司的离线绝缘监测装置,通过加装的中间继电器的辅助触点与控制泵启停的接触器或断路器辅助触点互为闭锁来实现离线绝缘监测装置的开关:当泵开始运行时绝缘监测装置通过中间继电器辅助触点断开而脱开,当泵停止运行时绝缘监测装置通过中间继电器辅助触点接通而自动投入工作;通过接入离线绝缘监测装置对停、待机泵的绝缘状态进行实时监测。当监测到系统负载的绝缘电阻值低于预设的报警响应值时,该离线绝缘监测装置可以在10 s内给出预警信号和系统故障两级报警,并输出上传至后台监控系统,系统可以发指令闭锁有问题的泵,使其退出工作状态,等待检修等。

“上海白龙港污水处理厂”低压开关柜内安装离线绝缘监测系统。离线绝缘监测系统接线示意图如图6所示。

图6 离线绝缘监测系统接线示意图

该离线绝缘监测系统在投运后运行良好,用户可以预先发现隐患并采取必要措施,同时减少甚至免去定期检修维护工作;帮助用户节省了运维的时间、人工和费用等,也助力用户将来建立全厂预测性维护系统。

4 结 语

通过比较在IT不接地系统中绝缘监测装置的工作原理、方法以及各自特点,明确了AMP测量法的技术先进性,以及基于此原理和方法设计开发的绝缘监测装置具有的适应性强、灵敏度高、应用宽泛、灵活等诸多优点,指出采用AMP测量法的绝缘监测装置可以在早期阶段甚至设备离线工作状态下监测到设备的潜在问题和故障隐患,起到预防绝缘故障、快速确定故障点等作用,提高了事故的预警和响应能力,为用户提高竞争力和效率,实现数字化预测性维护等提供了可能;基于AMP测量法的绝缘监测装置代表了绝缘监测技术的最新发展方向,有着较好的前景和应用价值。