李玉姣,谢 峰,王永棋,邓 江,赵俊杰,李 朋
(中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室,成都 610213)
工业系统中各电气设备在进行功能性能试验前,通常需要对动力电源进出线及控制电源进行绝缘性能测试,只有在绝缘性能满足要求的情况下,才能进行后续试验。在工业系统各项目中,对于低压电气设备,通常在设备调试及运行前,采用输出为直流500V 的绝缘摇表来测试其动力线路及控制线路的绝缘性能。但针对不同种类的负载设备,其检测要求不同。核电中常用到的电加热器,一方面由于电加热器组数较多,手动进行绝缘检测工作较为繁琐,另一方面由于电加热器长期浸泡在液体中且处于发热状态,其绝缘特性可能发生变化,致使绝缘阻值降低。因此,不仅需要在设备运行前对其绝缘状态进行检测,在设备运行期间也需要对各电加热器绝缘状态进行监测。
根据绝缘检测时被测设备是否需要断电,可将绝缘检测技术分为离线绝缘检测和在线绝缘检测。针对电加热器绝缘检测的需求,主要对当前离线和在线绝缘检测研究现状进行调研。
离线绝缘检测主要依靠测量仪器对设备绝缘性能进行定期或不定期的检测,如数字万用表、兆欧表和耐压测试仪等。目前,国内对设备绝缘性能的检测主要还是采用离线绝缘检测。使用这些测量仪器进行绝缘检测通常存在以下不足:
1)针对不同种类设备通常使用不同类型测试仪表。
2)进行离线绝缘性能测试时,设备需断电,不利于设备运行,降低经济效益,不利于设备维护。
3)使用测量仪器进行设备绝缘性能测试通常操作较繁琐,花费时间长且耗费人力,降低设备的可靠性、维修性。
为了解决传统离线绝缘检测方案存在的明显不足,如可操作性差,花费时间长等问题,国内已有研究提出采用自动绝缘检测装置代替传统测试仪表[1]。
自动绝缘检测装置一般分为隔离电源、控制电路和采集电路3 部分。隔离电源主要为自动绝缘检测装置提供需要的绝缘检测电压,一般通过AC/DC 电路将220VAC变换为需要的绝缘检测电压,针对低压电气设备通常为500VDC。控制电路主要包含控制器、译码电路等,控制器通过译码电路将被选择的通道投入或切除,通过检测电路检测被选择电路的电压、电流等数据,这些数据传入控制器后,通过控制器计算判断当前选择通道的绝缘性能。智能检测装置原理示意图如图1。采用智能检测装置可实现多通道自动检测,大大缩短传统测试仪器进行多路测试所花费的时间且便于操作。
图1 智能检测装置原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle of intelligent detection device
目前,该技术已应用在工业系统中。为了解决设备数量众多带来的绝缘检测繁琐的问题,已研制出离线智能绝缘检测设备,可实现多路负载自动投入检测、检测结果存储、结果上传等功能。
在线绝缘检测技术是在设备运行过程中,实时检测设备的绝缘状态。如果出现绝缘下降等情况,可及时发出报警信号,同时进一步对绝缘故障进行定位,帮助快速消除设备绝缘故障。目前,常用的在线绝缘检测技术有直流叠加法、双频法、零序电流法等[2,3]。
1)直流叠加法
直流叠加法原理图如图2。这种方法是将直流电压在线叠加于设备,通过测量流过设备的直流电流来进行诊断。图2 中,ea、eb、ec和Za、Zb、Zc分别为发电机的相电势和内阻抗,E 为直流电势源,R0和R1分别为限流电阻和测量电阻。
图2 直流叠加法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the principle of DC superposition method
其基本原理为向设备配电线路一相和地(金属壳)间注入直流信号源。由于配电设备的内阻抗相对限流电阻和测量电阻来说可忽略不计,则直流电动势单独作用的等效电路图为图3。通过对测量电阻上的稳态电压U(直流)采集测量,可计算出配电线路对地的绝缘电阻R:
图3 直流叠加法的等效示意图Fig.3 Equivalent schematic diagram of DC superposition method
其中:R0为限流电阻,R1为测量电阻。
直流叠加法具有原理简单,且计算所得绝缘电阻不受电力系统分布电容影响等优点[4],但该方法只可用于电网侧的绝缘电阻检测,不能具体定位到某一线路。
2)双频法[5-8]
双频法其原理示意图如图4。当设备发生低绝缘故障时,装置依次向设备配电线路某相与地间发出由电势源Er产生的f1和f2两个低频正弦波信号。图4 中,ea、eb、ec为发电机相电势,C1…Ci…Cn为负载支路的对地电容,Ri为故障接地电阻,漏电流传感器套于每条负载支路上。
图4 双频法原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the principle of the dual frequency method
注入信号单独作用于配电线路时,可得到如图5 的等效电路,可列出如下方程:
图5 信号源单独作用时的等效电路Fig.5 Equivalent circuit when the signal source acts alone
式(2)中:R 为线路的对地电阻;C 为线路等效的分布电容;f1、f2为所加低频信号的频率;i01、i02为由频率为f1、f2的信号源单独作用时产生的漏电流;u01、u01为由频率为f1、f2的信号源单独作用时对地电阻上的电压降。根据两次注入所得电压与电流,可求得故障支路对地的绝缘电阻:
3)零序电流法[9,10]
零序电流法是根据小电流接地系统中零序电流的幅值、相位特性作为选线的综合判据,通常方法有零序电流的幅值比较法、零序电流无功方向选线、零序电流有功方向选线等。零序电流幅值比较法因其技术成熟、可靠性较高在工业领域得到广泛应用。因零序电流幅值比较法无法对故障支路绝缘电阻进行直接计算,通常零序电流幅值比较法用于对支路较多负载设备的绝缘故障情况进行定位,从而进一步对该故障支路绝缘情况进行判定。
通过上述技术调研,对在线绝缘检测技术方案进行对比分析,可得出如下结论:
1)直流叠加法可对网侧总绝缘电阻进行检测,双频法和零序电流法可对故障支路进行定位。
2)双频法对传感器精度要求及范围要求较高,但可进一步估算出故障支路绝缘阻值;零序电流法对传感器精度、范围无严苛要求,可对故障支路进行定位,但无法进一步估算该支路绝缘阻值。
考虑到在线绝缘检测各方法的优缺点,结合电加热器工作特点,为了提高故障电加热器判定的准确率,本文提出将离线绝缘检测与在线绝缘检测结合,综合应用于电加热器的绝缘故障检测:当在线运行的电加热器通过零序电流检测被判定处于绝缘低时,控制器可将该路电加热器切除,通过离线绝缘检测装置进一步对该路负载绝缘阻值进行计算。基于零序电流检测的电加热器绝缘故障检测方案分为两部分,一部分为零序电流在线检测,一部分为离线绝缘检测。因离线绝缘检测装置已成熟应用,本文主要对基于零序电流在线检测方案及其系统配置方案设计进行说明。
零序电流在线检测以ARM 控制器为核心,通过零序电流互感器采集电加热器配电回路中的零序电流,并将零序电流互感器二次侧电流送往主控卡中的A/D 采样电路,经A/D 采样电路后,控制器一方面将采集到的零序电流在机箱进行就地显示,另一方面通过幅值比较选定出发生绝缘故障的支路。通过通讯接口,将判定结果送给离线绝缘检测装置。
零序电流在线检测机箱硬件主要分为6 部分:控制电源模块、控制器模块、A/D 采样模块、CAN 通讯模块、RS 485 通讯模块及显示屏。其主要功能架构如图6。
图6 零序电流在线检测功能框图Fig.6 Functional block diagram of zero-sequence current online detection
1)控制电源模块
控制电源模块将外部输入的220VAC 电源,通过AC/DC 电源模块分别转换为±12V、±5V 等,这些电源分别为控制器、A/D 采样电路、显示屏、通讯驱动电路等供电。
2)控制器模块
控制器模块主要包括ARM 控制器及其相关电路。控制器通过A/D 采集电路采集外部处理后的电流信号,将外部电流信号通过CAN 通讯送往本地机箱显示。同时,控制器依据采集到的电流幅值进行比较计算:控制器采集到外部多路零序电流幅值后,将采集到的零序电流幅值与预设的电流阈值进行比较,若在一定时间内同一支路零序电流幅值均超出设定阈值,则定位该支路为绝缘故障支路。此时,控制器通过RS 485 通讯向外发送指令,通过离线绝缘检测机箱切除该路负载并进行离线绝缘电阻检测。
3)A/D 采样模块
本装置中,A/D 采样模块共包含10 路高精度A/D 采集电路。该电路主要采集零序电流互感器二次侧0.05mA ~5mA 电流, 对应一次侧零序电流为10mA ~1A。
4)通讯及显示模块
通讯及显示模块主要分为显示屏通讯模块及RS 485通讯模块。显示屏通过CAN 通讯接口与控制器连接,一方面接受控制器发出的电流数据进行显示,另一方面将显示屏的操作信息下发给控制器,从而执行阈值设定等功能。通常,阈值设定功能不开放给现场应用人员,仅向设备调试人员预留阈值设定接口。
RS 485 通讯模块主要用于与离线绝缘检测单元进行通讯,将控制器中故障判定信息上传。
采用离线绝缘检测装置与零序电流在线检测机箱结合方式,通常可采用“一配多”的组合方式。
因零序电流互感器必须安装在配电柜一次侧回路中,且根据负载回路数量不同及所需识别的支路层级不同,所需安装的零序电流互感器数量不同。因此,需将在线检测机箱安装在各配电柜中与零序电流互感器配合使用。各在线检测机箱通过外部RS 485 接口组网后与离线绝缘检测装置通讯,将现场检测情况反馈至离线绝缘检测装置。而离线绝缘检测装置中通常包含有AC/DC 模块,将220VAC转换为500VDC,该装置通常体积较大,不适合在每个配电柜中均安装使用。因离线绝缘装置可通过译码扩展电路对多路负载实现控制,从而实现一路绝缘检测电源对多路负载依次进行绝缘检测。因此,可将一套离线绝缘检测装置配置于系统侧,最终实现“一配多”的配置方案。
为了提升核电中类似于电加热器等多路负载低压电气设备绝缘检测实时性及自动化程度,本文对离线、在线绝缘检测常用手段进行调研,结合各检测方式的特点,提出了基于零序电流检测的绝缘故障检测方案,并对其中零序电流检测方案及系统配置方案进行阐述。该方案通过零序电流检测与离线绝缘检测装置结合的方式,通过“一配多”的系统配置,可在节省机柜空间体积的情况下,实现对多路低压电气设备绝缘故障的定位与检测,提升设备绝缘检测的自动化程度。