宋兵兵
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801；
摘要：海上石油生產屬于高風險作業，對電力系統穩定要求較高。海上平臺多數動設備采用400V電壓供電，受海上潮濕環境影響，電氣設備絕緣故障多發，極大影響平臺的安全生產。目前絕緣監測多采用對低壓盤柜整體監測，且出現絕緣低故障報警時，只能在斷電狀態下逐一排查盤柜所有設備絕緣情況，此種方式無法實現單臺設備實時在線監測，無法滿足目前海洋石油平臺無人化和智能化的發展需要。本文所介紹的在線絕緣監測系統，已在多個海洋石油平臺應用，可實現遠程在線監測設備絕緣狀況，及時發現設備絕緣故障，消除設備運行風險。
關鍵詞：海洋石油平臺；絕緣監測；故障定位；智能化
1概述
海洋石油平臺多數采用自備電站供電，電力系統的穩定對平臺的安全生產至關重要。目前海洋石油平臺多數采用35KV以下的電力系統，根據平臺電力系統電壓等級的不同，配電系統采用不同的接地方式，參考目前海洋石油平臺設計使用現狀，對電壓等級在10.5KV以上的中高壓配電系統，多采用中性點小電阻接地系統(變壓器中性點經接地電阻柜接地)或高阻接地系統(中壓母排通過帶接地變壓器的接地電阻柜接地)，對于400V以下的低壓配電系統，多采用中性點不接地系統(即IT系統)。
2中性點不接地系統(IT系統)的特點
根據國際標準IEC60364區分了三類不同的接地系統，使用兩個字母代號表示，TN、TT和IT。第一個字母表示電源端與地的關系：T表示電源端有一點直接接地；I表示電源端所有帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地。第二個字母表示電氣裝置的外露可導電部分與地的關系：T表示電氣裝置的外露可導電部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點；N表示電氣裝置的外露可導電部分與電源端接地有直接電氣連接。
IT系統的電源中性點是對地絕緣的或經高阻抗接地，而用電設備的金屬外殼直接接地。主要特點如下：
1)當系統出現單相絕緣故障時，漏電電流很小，安全性高；
2)系統出現單相接地故障時，不會跳閘，設備可帶故障運行不超過2小時；
3)三相IT系統對地電壓220V，單相IT系統每根火線對地電壓110V，電壓低；
4)系統出現單相接地故障時，其他兩相對地電壓抬高√3倍。
3AMP自適應脈沖測量法
在不接地電力系統中，存在直流分量和泄漏電容，這些因素的變化會對絕緣故障阻值測量產生影響。因此,在實際測量中，必須設法消除干擾才能準確測量絕緣電阻。對于低壓絕緣監測.，需要考慮由于電路分布而產生的分布電容，以及來自電容器本身的電容。分布電容可能來自于相鄰兩匝之間、兩個分立的元件之間、兩根相鄰的導線間、一個元件內部各部分之間。因為分布式電容來自于系統本身，會跟隨系統設備數量、環境變化而不斷變化，如果沒有自適應系統變化的測量信號，很難對絕緣電阻值進行精確的測量。
AMP測量法(即自適應脈沖測量法)可在具有較高對地泄漏電容的系統內應用，其原理是采用疊加自適應脈沖信號，消除系統中存在的分布電容。相對于IT供電系統注入的信號是一個外部干擾信號，如果這個信號很強則可能會觸發設備誤動作。因此，向系統中注入的脈沖信號要盡可能小，還要達到準確測量的目的。而由于系統分布電容的存在，注入脈沖信號盡可能小的同時，還要能夠抵消掉系統存在的漏電容。
本系統采用的ISO685絕緣監測儀是德國Bender公司生產，采用AMP測量法，通過疊加自適應的脈沖電壓信號對故障回路進行探測，連續不間斷地測量相對地的絕緣阻值RF，當系統對地的絕緣阻值降至預先設定的響應值時，輸出報警信號，故障定位到具體支路，顯示電力系統絕緣阻值。同時，ISO685還能監測支路互感器連接與否，若互感器損壞或者斷線時，發出互感器故障報警。使用自適應脈沖信號對絕緣故障支路進行定位，對電力系統沒有任何干擾，運行穩定。
4在線絕緣監測系統組成
1)絕緣監測儀
絕緣監測儀是在線絕緣監測系統的核心，必須把設備連接在IT系統(不接地系統)和PE線之間才能得到測量值。在運行期間，絕緣監視儀不間斷地監視整個IT系統的絕緣阻值，當該值低于預先設定的響應值時觸發報警。
絕緣監測儀還可與EDS結合使用用以準確定位絕緣故障。當監測到的絕緣值下降到設置的響應值Ran2(LEDALARM2)之后，會產生一個周期性定位電流。絕緣故障是通過EDS和連接的測量電流互感器進行選擇性地定位，定位電流通過帶電線路的絕緣故障位置采取最短的方式從定位電流發生器流過，經過絕緣故障點和PE線返回到絕緣監測儀，這個定位電流脈沖通過在絕緣故障路徑上的測量電流互感器檢測以及通過連接的EDS發出信號。
2)絕緣故障定位儀
絕緣故障定位儀能夠定位不接地直流、交流和三相交流系統中的絕緣故障(IT系統)。通過故障定位電流發射器，來監視不同范圍內的交流網絡、三相交流網絡和直流網絡絕緣工況，顯示交流網絡中的剩余交流電流。EDS440定位模塊與ISO685絕緣監測儀配套使用，當絕緣監測儀監測到系統中有接地故障時，便發射故障定位脈沖信號，定位到支路絕緣故障點后，通過定位模塊反饋到絕緣監測儀。
3)通訊網關
網關COM465IP的作用是轉換ISO685絕緣監測儀通訊協議，使其能夠通過以太網與電腦進行數據交換。該在線絕緣監測系統具有多種通訊連接方式：
◆以太網接口：可以用于Modbus,web服務器和BCOM之間的通信；
◆BCOM：目的是通過以太網和本德爾設備進行通信。通過BCOM通信的所有設備都必須有相同的系統名稱�？梢栽谧酉到y中組織設備。每個設備需要單獨的設備地址。
◆ModbusTCP：國際上應用廣泛的用于數據傳輸的協議；
◆Web服務器：顯示絕緣監測儀參數和其它相關設備的參數，可以通過網頁瀏覽器適用于任意電腦。
4)電流互感器
根據網絡結構的不同，選擇不同規格型號的電流互感器，監測絕緣監測儀發送的定位電流信號，并傳輸至絕緣故障定位儀。電流互感器選用開環式電流互感器，便于在線安裝。
5系統安裝與調試
1)系統安裝
按照三相交流系統的結構圖，分別定位安裝絕緣監測儀、絕緣故障定位儀、通訊網關及各支路電流互感器。安裝過程有以下幾點需要注意：
◆每8路CT電流互感器需接入到1個信號采集單元上，此采集單元安裝在本盤柜后門處，通過導軌固定即可，每個采集單元需用RS485通訊線連接，現場可通過盤柜間穿線孔進行通訊線敷設；
◆絕緣監視CT電流互感器為開口式結構，如下圖所示，安裝方式為直接套在每個支路出線處，如下圖所示，互感器可使用扎帶固定在柜體側面。每個互感器信號線沿盤柜側敷設至采集單元，采集單元固定在后門板處，導軌式安裝。
2)調試
為使監測系統正常保障低壓盤絕緣監測系統的穩定性及有效性，需對系統各個模塊進行功能調試。
①網關COM465IP及上位機軟件調試
網關COM465IP的作用是轉換ISO685絕緣監測儀通訊協議，使其能夠通過以太網與電腦進行數據交換。通過出廠時設備內置的IP地址，進入網頁界面，設置設備的IP地址為平臺局域網內的IP地址，通過新的IP地址登錄網頁，查看通訊是否正常。
②絕緣監測儀主機ISO685調試
通過模擬測試出現接地故障、互感器斷線時，絕緣監測儀ISO685報警反饋情況。
◆外觀檢查：檢查ISO685絕緣監測儀模塊外部是否有碰撞、破損情況，接線端是否完好無缺。
◆上電檢查：上電前用萬用表檢測電源電壓，確認模塊的供電電壓及供電電源接線端，方可接上供電電源，上電后查看儀器內置時間是否與網絡時間相同，并進行校準設置，檢查監測到定位模塊與實際是否相符。
◆模擬故障檢查：模擬出現接地故障及互感器斷線故障時，絕緣監測儀報警與實際是否相符。
③EDS440絕緣故障定位模塊調試
調試目的為測試EDS440定位模塊反饋定位信號是否正常，及其定位的可靠性以及準確性，通過模擬EDS定位模塊絕緣故障報警，觀察絕緣監測儀及上位機軟件顯示的報警是否一致。
◆外觀及接線檢查：檢查EDS定位模塊有無碰撞、破損，接線端子是否完好。圖5模擬定位模塊連接點故障
◆上電檢查：確認供電電源電壓接供電電源接線端后，上電并檢查定位模塊運行指示燈是否正常。
◆模擬故障檢查：模擬定位模塊監測的回路出現絕緣故障，通過絕緣監測儀和上位機查看故障定位信號
6絕緣監測及絕緣故障定位產品
6.1絕緣監測及絕緣故障定位產品
AIM-T系列工業用絕緣監測儀
AIM-T系列絕緣監測儀主要應用在工業場所IT配電系統中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款產品，均適用于純交流、純直流以及交直流混合的系統。
其中AIM-T300適用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系統，AIM-T500適用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了絕緣故障定位功能。
6.2絕緣故障定位產品
工業用絕緣故障定位產品配合AIM-T500L絕緣監測儀使用，主要包括ASG200測試信號發生器，AIL200-12絕緣故障定位儀，AKH-0.66L系列電流互感器，適用于出線回路較多的IT配電系統。
6.3絕緣監測耦合儀
絕緣監測耦合儀配合AIM-T500絕緣監測儀使用，主要包括ACPD100，ACPD200，適用于交流電壓高于690V，直流電壓高于800V的IT配電系統。
7技術參數
7.1絕緣監測儀技術參數
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型號 技術指標 |
AIM-T300 |
AIM-T500 |
AIM-T500L |
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輔助電源 |
電壓 |
AC 85~265V;DC100~300 |
AC 85~265V;DC100~300 |
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功耗 |
＜8W |
＜8W |
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被監測IT系統 |
電壓 |
480V以下的交流、直流以及交直流混合系統 |
690V以下的交流及交直流混合系統、800V以下直流系統 |
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頻率 |
40~60Hz |
40~60Hz |
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絕緣監測 |
測量范圍 |
1kΩ~5MΩ |
1kΩ~10MΩ |
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報警值范圍 |
10kΩ~5MΩ |
10kΩ~10MΩ |
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相對誤差 |
1~10k: 10k；10k~5M: ±10% |
1~10k: 10k；10k~10M: ±10% |
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允許系統泄露電容 |
<150μF |
<500μF |
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響應時間 |
<6s |
<5s |
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通訊 |
RS485，Modbus-RTU |
RS485，Modbus-RTU |
RS485，Modbus-RTU； |
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內部參數 |
測量電流 |
<170μA |
<270μA |
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絕緣故障定位 |
無 |
無 |
有 |
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電磁兼容/電磁輻射 |
IEC61326-2-4 |
IEC61326-2-4 |
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額定沖擊電壓/污染等級 |
8kV/Ⅲ |
8kV/Ⅲ |
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內部直流電阻 |
≥120kΩ |
≥180kΩ |
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輸出 |
繼電器輸出 |
預警、報警 |
出錯、預警、報警 |
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環境 |
工作溫度 |
-20~+60℃ |
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存儲溫度 |
-20~+70℃ |
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相對濕度 |
5%~95%，不結露 |
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海拔高度 |
≤2500m |
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7.2測試信號發生器技術參數
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輔助電源 |
電壓 |
AC 85~265V DC100~300V |
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功耗 |
<7W |
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IT系統 |
額定電壓 |
單相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V |
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絕緣故障定位 |
響應時間 |
<5s |
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定位電壓 |
20V/5Hz |
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定位電流 |
0~10mA |
|
|
環境 |
電磁兼容/電磁輻射 |
IEC61326-2-4 |
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工作溫度 |
-15-+55℃ |
7.3絕緣故障定位儀技術參數
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輔助電源 |
電壓 |
AC 85-265V DC100~300V |
|
功耗 |
<5W |
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絕緣故障定位 |
響應時間 |
<12s |
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定位電壓 |
無 |
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|
定位電流 |
無 |
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響應靈敏度 |
>0.5mA |
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輸出 |
繼電器輸出 |
報警Alarm |
|
環境 |
電磁兼容/電磁輻射 |
IEC61326-2-4 |
|
工作溫度 |
-15-+55℃ |
7.4 AKH-0.66L系列電流互感器技術參數
|
型號 |
額定電流 |
變比 |
等級 |
過載倍數 |
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L-45 |
16-100A |
5A：5mA |
1 |
10 |
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L-80 |
100-250A |
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L-100 |
250-400A |
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L-150 |
400-800A |
|||
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L-200 |
800-1500A |
7.5絕緣監測耦合儀技術參數
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產品型號 |
ACPD100 |
ACPD200 |
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適用系統 |
單相交、直流不接地系統 |
三相交流、直流不接地系統 |
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電壓等級 |
交流0~1150V，直流0~1760V |
交流0~1650V，帶直流元件0~1300V |
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直流阻抗 |
≥160kΩ |
AK1≥225kΩ |
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工作溫度 |
-10~+55℃ |
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|
存儲溫度 |
-20~+70℃ |
|
|
防護等級 |
IP30 |
|
參考文獻
[2]郭明荃，低壓絕緣監測及定位系統在海上石油平臺的研究與應用，儀器儀表用戶
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.08版
[4]安科瑞 IT 系統絕緣監測故障定位裝置及監控系統（中英文）2021.01版
作者簡介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究中低壓綜合保護及絕緣監測系統， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）