IT系统绝缘监测技术研究综述

杨涛，王金全，徐晔，李乾，吕强



IT系统绝缘监测技术研究综述

杨涛，王金全，徐晔，李乾，吕强

（解放军理工大学，南京 210007）

绝缘监测装置是IT系统保持高供电可靠性的重要条件。总结了现有绝缘监测技术的基本原理，分析了各中绝缘监测方法存在的问题；并对国外绝缘监测技术的发展进行了介绍。得出低压IT系统对地阻抗模型以及新型故障诊断方法方面的研究能够促进IT系统绝缘监测技术发展的结论。

IT系统 绝缘监测 对地阻抗模型 自适应故障诊断

0 引言

IT系统是中性点不接地或经高阻接地的系统[1-2]，当发生单相接地时，故障回路只包含接地阻抗、线路阻抗、分布电容，形成的故障电流非常小，不会威胁到设备和人身的安全，可持续运行一段时间。如果工作人员借助绝缘监测设备或其他工具能够及时排除故障，则无需中止供电，电网具有较高的供电安全性和可靠性。这一特点使得低压IT系统的应用范围越来越广泛，如发电厂的厂用电、煤矿、船舶、手术室等[3-6]。

IT系统绝缘监测是对系统的绝缘状况进行在线监测，及时诊断系统绝缘故障，在尽可能短的时间内发现并进而消除单相接地故障，实现IT系统有效持续供电。因此，研究IT系统的绝缘监测技术具有重要的意义。

1 IT系统绝缘监测技术发展现状

早在六十年代，美国、德国等发达国家就有针对电力系统状态监测与故障诊断技术相关方面的研究。七十至八十年代，随着单片机技术、通信技术的快速发展及在电力系统中的广泛应用，产生了在线诊断技术。九十年代后，随着传感技术、信号分析处理技术的发展，故障诊断技术更是有了跨越式的发展。我国的绝缘故障诊断技术主要始于上世纪八十年代，高等院校和电力部门科研院所都相继开展了这方面的研究。

1.1 国内绝缘监测技术发展现状

1.1.1直流叠加法[7-9]

这种方法是将直流电压在线叠加于电网电缆，通过测量流过电缆的直流电流来进行诊断，如图1所示。图中，a、b、c和a、b、c分别为发电机的相电势和内阻抗，为直流电势源，0和1分别为限流电阻和测量电阻。

其基本原理为向电网中性点注入直流源信号，然后根据测量电阻上的电压和相关已知参数计算得到系统的总绝缘电阻值。由于大容量发电机组的内阻抗相对限流电阻和测量电阻来说可忽略不计，可将直流电动势单独作用的等效电路图简化。通过对测量电阻1上的稳态电压（直流）采集测量，可根据公式计算出电网对地的绝缘电阻R（三相对地绝缘电阻的并联值）：

1.1.2双频法[10-12]

双频法的基本原理是，当电网发生低绝缘故障（绝缘电阻值仍较大）时（如支路i绝缘电阻下降至），装置依次向电网某相与地间叠加两个频率分别为1和2正弦波信号，其原理见图2。图中，a、b、c为发电机相电势，Ai、Bi、CCi为第i条负载支路的对地电容，为故障接地电阻，漏电流传感器环套于每条负载支路上。

假设注入信号频率为1时，故障支路的对地电压为if1，漏电流为if1；频率为2时，故障支路的对地电压为if2，漏电流为if2，则可列出如下方程：

(3)

由此求得故障负载支路的对地绝缘电阻的大小：

当绝缘电阻值低于设定值时，则判定该支路为绝缘故障支路。另外，将带入式(3)或式(4)中还可求得线路对地电容。

1.1.3单频法[13-15]

针对双频法需要注入不同频率的信号导致绝缘监测装置变得复杂而可靠性降低的问题，提出了单频信号注入法的检测方案，其基本原理是向电网中性点注入一个稳定频率的正弦波信号，原理图与双频法类似，但注入源只需提供稳定频率的单一信号。

若用表示注入信号频率，当系统运行正常时，设流经各支路的注入信号电流为1…n，其表达式如下：

其中，f—注入信号对地电压；n—第n条支路的漏电流；—2π；n—第n条支路对地电容。

当支路i绝缘下降（或发生单相接地故障）时，则漏电流变为：

其中，表示该支路对地绝缘电阻值。

则故障支路的绝缘阻抗值为：

比较式(5)、式(6)可知，故障支路中由注入信号产生的频率为的电流值比非故障支路大，可通过比较各支路中的漏电流幅值的大小来判别故障支路。通过测量值|i|实部和虚部分别相等计算得到绝缘电阻。

1.1.4 “S”注入法[16]

“S”注入法选线定位原理不利用非直接接地系统发生单相接地故障的故障量，而是向系统注入外部信号，通过检测注入信号的传输路径和特征进行故障选线、测距和定位，原理图如图3所示。一般从电压互感器二次侧注入电流信号，其频率取在工作频率的各次谐波之间，一般选择110 Hz，从而保证不被工频分量及高次谐波分量干扰。注入电流信号沿接地线路的接地相流动，并经接地点入地，非故障线路上注入电流信号较小，用信号探测装置对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路。

图3 “S注入法”原理示意图

1.1.5零序电流法[17]

系统发生接地故障后，对应支路将产生零序电流，通过比较系统支路中零序电流的幅值特性和相位特性来选出故障支路。目前利用零序电流原理的选线方法主要有：零序电流比幅法、零序电流相对相位法、群体比幅比相法、零序功率法、零序导纳法等。

1.2 国外研究趋势

国外已经有学者提出了一些能够提供更多系统绝缘状态信息的故障诊断方法，分析了环境因素对系统绝缘的影响，探索了新的研究方向。

图4 零序电流法基本原理图

David L. McKinnon（美）[18]采用绝缘电阻变化曲线来评估系统的绝缘性能，以提供更多绝缘下降信息。根据绝缘电阻的变化曲线的形状将绝缘状态分为：正常、潮湿、污染、脆化四种[22]。不同外界环境条件下绝缘电阻的变化曲线形状差异较为明显，通过绝缘电阻变化曲线可以判别绝缘状况、分析绝缘下降类型。

S.A. Bhumiwat(新西兰)[19]使用绝缘电阻、电容联合来评价系统绝缘性能的优劣，使用极化、去极化电流，电容比，介电损耗角正切来诊断系统绝缘故障，研究了这些因素对电介质电导过程和极化过程的影响。文章指出，不同的系统分布电容不同，其报警值的参考价值不大。分布电容配合绝缘电阻共同作为标准评价绝缘性能的效果要优于单一的绝缘电阻。

Reza Soltani(加拿大)[20-22]分析了湿度对电机汇流条充电、放电电流的影响及绝缘电阻、极化指数、介质损耗角正切等的变化情况。并用多种材料在不同的湿度条件下试验，结果表明随湿度升高试验材料的泄露电容也随之增大，绝缘性能下降。。

2 现有方法的不足

现阶段的国内绝缘监测方法还存的问题：

1）零序电流法利用小电流接地系统中零序电流的幅值和相位特性作为综合判据的选线方法，该方法虽然可以较准确地判断出单相低绝缘故障支路，但当电网出现单相高阻绝缘故障或三相对地绝缘同时降低时，无法准确选出故障支路。

2）“S注入法”中，由于电网中存在一些与注入信号频率接近的频率信号，干扰选线。上述两种方法均只针对系统发生单相接地故障后进行故障选线，不能提供整个系统的实时绝缘状态信息。

3）直流法监测的是整个电网的绝缘情况，在各支路加装互感器后能够进行选线，但是无法测量系统的分布电容大小。

4）双频法监测的也是整个电网的绝缘情况，但需要分别注入两种频率的监测信号，且计算的绝缘电阻值不如直流法精确。

5）单频法中采用事先估计的方法来确定系统电缆的分布电容值，虽然简化了计算，但未考虑系统绝缘下降时分布电容值也会随之下降，计算结果误差较大。

国外对绝缘方面的研究思路较为广泛，也产生了许多研究成果，但仍存在以下几个方面的问题：

1）没有形成统一的绝缘影响因素的理论；

2）没有应用理论进行绝缘监测实际的案例；

3）研究对象大多为大型旋转电机等设备，针对IT系统的整体绝缘性能研究较少。

3 绝缘监测技术发展展望

IT系统绝缘监测技术中亟需解决的一大难点为线路对地阻抗模型。建立线路对地阻抗模型，能够深入分析IT系统绝缘性能的影响因素，研究评价绝缘水平的指标。另外，传统绝缘监测理论使用固定的绝缘电阻值来判别系统是否发生绝缘故障，这在环境多变或者老化损坏较快的系统中是不可行的。因此，绝缘监测技术往后可能会向以下两方面发展：

1）理论研究方面，随电介质理论认识的不断深入，IT系统对地阻抗模型越来越符合实际情况；

2）工程应用方面，在实际的应用过程中，可能产生一些能够根据现场环境自动调整故障判据报警值的新型故障诊断方法。

4 结语

文章对国内外IT系统绝缘监测技术的研究现状和最新进展进行了总结，并对其缺点进行了分析，最后对IT绝缘监测技术未来发展方向进行了展望。IT系统低压配电网络对地阻抗模型的深入理解，以及能够根据现场环境自适应改变报警值的故障判别方法在今后的研究中应该得到重视。

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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

杨涛（1987-），男，在读研究生。专业方向：IT系统绝缘监测及继电保护。