IT系统绝缘监控

中矿传动技术交流

技术应用

2022年01月10日发布

        I T 接地系统——在供电电源端和负载端均对地隔离或者通过相当的阻抗接地，即所谓“不接地系统”。通常应用在工艺要求不可中断供电的行业和任何过电流的火花可能造成灾难的场所，如矿山井下、金属冶炼、化工生产、医疗手术等。

        由于IT系统电源端带电导体不接地，即使系统发生单相接地故障也只能通过系统对地电容构成回路，由于故障回路阻抗很大，故障电流很小，对电网的正常运行不构成危险，所以不必即时切断电源来防止其破坏性后果，从而维持不间断的供电。（只有在发生第二次接地故障时才要求立即切断电源）。同样，由于IT电网对地的浮置性，无论‘直接接触’还是‘间接接触’的人身电击危险都降到最低。

        但是，IT系统的安全性与其对地的绝缘电阻值的大小有直接的关系。而这一绝缘电阻值是由整个系统的绝缘介质的状态来决定的。为此，不间断地监测IT系统的对地绝缘电阻值并加以控制（及时发现和维修绝缘故障）就成为IT电网安全运行的首要条件。

1、绝缘电阻故障的发生

       绝缘电阻故障的主要原因可有：

1） 意外突发的接地事故（载电导体的意外损伤导致的接地事故）；

2） 系统绝缘材料老化而引起的对地绝缘电阻的下降。

        意外突发的接地事故发生的机率一般是很低的，由于其随机性，主要还是通过加强管理来防止事故的发生。对地绝缘电阻的下降而引起的接地故障是IT系统接地故障的主要成因，系统内的各种设备、连接的电缆等的对地电阻因绝缘材料的老化、环境温度、湿度以及设备负荷的变化都会引起系统对地绝缘电阻的下降，过程可能是漫长缓慢的，又不易被人直观发现。因此，为了保证供电的不会中断，监视系统对地绝缘电阻值的变动就成为预防IT电网接地故障的重要手段。从下图可见，连续监测供电系统的绝缘电阻并在其达到危险值之前采取措施，以防止事故的发生。这就使得操作者赢得了保证安全运行的时间。

图1  绝缘电阻响应模型图

2、IT系统中的绝缘电阻

       IT系统的电源端不接地或经高阻抗接地，其电气装置的外露导体部分，被单独地或集中地通过保护线（PE）接至接地极。在实际应用中，IT系统一般与已经接地的供电系统通过隔离变压器隔离，或用独立的供电装置。在正常情况下，系统中仅存在线路对地电容的微小泄漏电流。

图2  IT系统电路图

       由于系统电源端带电导体不接地，即使系统发生单相接地故障也只能通过系统对地电容构成回路，故障后果的危险很小，不必断电维修，从而维持供电的不间断，只有在发生第二次接地故障时才要求切断电源。同时，安装在系统中的绝缘监测器能及时地检测并给出系统绝缘故障报警信号，提醒工作人员及时排除故障。因此IT系统是一个连续、可靠的供电系统。

        在IT系统中，提高回路的绝缘阻抗、降低回路对地电容量，是提高系统安全性与可靠性的关键。因此在IT系统设计时要尽量缩短系统配电线路的长度，减小系统电容量，减少系统分支回路数。以提高系统的安全性能，防止接地故障的发生。

       对于不接地（IT）电网的对地绝缘电阻，必须进行绝缘电阻的监控以保证电网安全运行（国际标准:IEC 60364-4-41及 IEC60364-7-710 有所规定）。

       绝缘电阻的监视。为了防止系统对地绝缘电阻的下降而发生接地故障，IT系统应设置绝缘监视仪。绝缘监视仪安装在IT系统和大地之间，它不间断地向电网系统发出特定的测试信号，由于绝缘监视仪对电网系统的监视是连续不断的，也不受系统运行状态的影响，从而保证系统对地绝缘电阻监测的连续性。

3、绝缘电阻的监测方法

        现代工业技术的发展，使供电系统大大地复杂化了。这表现在电网的负荷的性质的变化。对地浮置的供电形式不仅包括交流工频电网、直流供电系统、交直流混合供电系统。还包括了变频供电系统、逆变供电系统以及它们的多种组合。由于整流（交直流变换）部件的应用广泛，电网中的接地电容量大大增加。绝缘监控系统对绝缘电阻值的连续检测受到的电磁干扰、电压频率和幅度的不断变化、系统电容的影响均成为检测技术的难题，影响着检测结果的准确性和有效性。

       近来，随着嵌入式智能检测技术的发展，已经极大地完善了对地绝缘电阻的监测技术，将多种检测方法综合于一体，并依据被检电网的实际情况自动设置和调整检测参数，从而保证了检测的适应性和准确性。这也就使得绝缘监控仪器的应用迅速得到发展。

        绝缘监控系统对绝缘电阻的一般测量方法因使用的场合不同其检测的原理也不一样。主要有如下三种：

1) 叠加直流测量电压法：对交流电网施加一个直流测量电压。其正极经高耦合电阻与电网相连。负极经电子电路与大地相连。一旦电网出现绝缘故障，测量电路经故障而闭合。这时，产生的直流测量电流会流经绝缘故障。这一电流会被测量电路检测到。测量电流的大小就反映了绝缘故障电阻的数值。这一方法只适用于交流电网的监控，当电网中存在直流元件、大电容、电压和频率变化，特别是网络泄漏电容都会影响检测的正确性。

   　　　图3  　叠加直流测量电压示意图　　

2) 不对称电压测量法：这种测量方法不在电网上叠加任何电压，而是使用电网电压作为驱动电压。采用一桥路电路与被监视的电网的两极相联接。桥路的一侧二臂为固定电阻。另一侧二臂为电网的二极对地绝缘电阻。对角线上联接测量电阻。其一端接大地。电网的二极对地绝缘电阻发生了不对称的变化就会使测量电阻中流过故障电流从而电子电路检测出相应的绝缘故障。但这种方法仅适用于直流电网而且对于对称平衡的绝缘变化是测不出的，而且只能在电网运行时使用。

图4  不对称电压测量示意图

3) 等幅对称方波（DFB）测量法：即对被监控的电网施加一稳定的定幅值的对称方波。方波电压对被监控的绝缘电阻和电网对地的分布电容（泄漏电容）的并联电路充电。充电所达到的幅度则取决于绝缘电阻的大小。采用电子调节电路控制方波的频率（对称方波的宽度）与电网的分布电容（泄漏电容）相匹配，就可以使漏电电容和其它干扰对检测不发生影响。由于等幅对称方波测量法的先进性，可以不间断地应用于交流、直流电网或交直流复合电网中。

图5  等幅对称方波测量示意图

       等幅对称方波测量法（DFB）是对被监控的电网施加一稳定的定幅值的对称方波信号。方波电压对被监控的绝缘电阻和电网对地的分布电容（泄漏电容）的并联电路充电。充电的幅度值则取决于绝缘电阻的阻值大小，仪器能根据电网分布电容的变化，自动调节方波信号的频率（方波宽度）与电网的分布电容相匹配，即保证方波对被检测的电网的充电时间可以使电网的电容充电达到稳定状态。这样流过电网的检测电流就仅与绝缘电阻值有关。使检测结果不受分布电容（泄漏电容）和其它的干扰的影响。同时，由于采用了正负极性的对称方波，交替进行充电检测，就可在一个检测周期内将可能出现的单极性的干扰信号通过平均运算消除掉。这对复杂电网是必须的。方波的宽度的控制则由运算电路检测充电达到稳态值来完成。这样就既消除电网的电容影响又保证了对不同的电网有最快的检测速度。检测方波是低频率的信号，在检测回路中的高性能滤波器电路足可将可能出现的高频干扰有效地滤除掉，从而保证检测结果的稳定和准确。这些特点也保证了绝缘监控仪的技术特性能有效地满足现场检测的要求。

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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