一种隔离电源绝缘故障定位系统的设计

王 彬 牛小铁 伭宏伟 何杨军

(1.北京工业职业技术学院 北京市电气安全技术研究所,北京 100042；2.四川欧伦电气设备有限公司，四川 绵阳 621000)

0 引言

随着现代城市不断发展，城市功能定位不断调整，城市运行对供电质量和供电安全的要求不断上升，用电安全也成为影响城市运行安全的一项重要因素。各类院校、中小学、科研机构拥有大量的实验室，需要进行频繁的电气设备操作，它们的用电安全成为城市运行安全的重点监管对象。

学校实验室的使用对象大多是安全用电经验和意识不足的学生，在面对突发的电气安全问题时，往往缺乏有效的防护和处理手段。尤其是电工、电气类的实验实训室，学生需要频繁地进行电气设备和临时用电操作，很多情况下这些操作是在带电状态下进行的。因此，这类实验室的电气安全管理难度很大，仅仅依靠规章制度对使用人员进行约束并不能起到很好的作用，需要引进新的技术手段对人员和设备进行保护，快速发现并处理安全隐患，防患于未然。

本文设计的隔离电源绝缘故障定位系统，将隔离电源与绝缘故障定位技术相结合，在对人员和设备进行安全防护的同时，还能快速定位故障位置，减少绝缘故障带来的人身伤害与经济损失。

1 绝缘故障监测技术发展现状

在医疗、工业领域，绝缘监测装置发挥着极其重要的作用，时刻保护着人们的人身和财产安全。目前已有很多比较成熟且有针对性的测量方法，并被广泛应用，如：平衡电桥法、不平衡电桥法、电流传感法以及小信号注入法[1-2]。在这些测量方法的基础上，绝缘监测技术已经历了3代技术发展。

1.1 带电测试技术

最早的电气设备绝缘监测是通过带电检测技术实现的，为了确保设备在检测与维护过程中实现持续供电，通过人工测试的方式，对绝缘参数实现带电测量。这种方式由于受到仪器设备和人为操作的影响，其检测样本较少，数据准确性存在较大的误差[3-5]。

1.2 传感器测试技术

经过多年的发展，为了弥补人工带电操作过程中出现的问题，现在逐渐用各种检测传感器来代替人工测量。传感器测试技术从以往的模拟测试方式改为数字化测试方式，该测试方式实现了被测参数的时时监测，在信号传输方面也有着更好的效果。

1.3 多功能在线监测技术

目前使用最多的是在线监测技术，该技术是在传感器测试方式上发展而来的，其通过物联网技术与传统的传感器检测技术结合，来提高信号处理效率。这种监测方式能够同时检测多路绝缘参数，实现对用电设备绝缘状态的实时监控，在与其他带有防护功能的自动化设备连接之后，能够及时处理出现的绝缘问题，对设备和人员安全起到保护作用。

2 系统工作原理

我国的配电系统接地形式大多采用TN系统(中性点直接接地，设备外露部分与中性线相连)。该系统在发生绝缘故障时，由于中性点接地，在电网与大地之间形成1个导电回路，因此产生较大的故障电流，对人员和设备危害较大。在大多数情况下，断路器、漏电保护器等保护装置会发生动作，通过断电来切除故障，从而导致大范围断电。

与TN系统相比，IT系统(中性点不接地，电气设备外壳采用保护接地)在发生绝缘故障导致漏电时，系统与大地之间无法形成回路，没有电流从人体流过，可以避免触电事故的发生。因此，在极易发生单相绝缘故障的场合，通过增加隔离变压器，将供电网络由TN系统改造为IT系统，来保障供电网络的安全稳定。TN系统与IT系统的接线方式对比如图1所示。

(a)TN系统接线方式 (b)IT系统接线方式

实验室通过增加隔离变压器，将电源由TN系统改为IT系统，主要优势是通过将电源与大地隔离，保护在二者之间的人员和设备的安全。一旦发生绝缘故障导致漏电，对地漏电流很小甚至忽悠不计，不会破坏电源电压的平衡，因而更加安全、可靠。虽然增加1个隔离变压器可以实现隔离的功能，但是这种隔离只能降低绝缘故障造成的危害，并不能发现并切除故障。将隔离变压器与绝缘监测仪、绝缘故障测试仪和定位互感器等设备组合成1个系统，在形成隔离保护的同时，能够对故障快速定位，保障了供电安全和稳定。人体触电主要是由于电源和大地通过人体形成了回路，有电流从人体流过。流经人体的电流对人体的影响如表1所示。

表1 电流对人体的影响

我国目前采用的漏电保护装置的动作电流大多为30 mA，通过表1可以看出，30 mA电流可能导致强烈的痉挛甚至心室颤动，通用漏电保护装置已无法满足学校实验室的要求。另外，在实际操作中发生绝缘故障时，漏电流超过保护限值，保护装置动作造成停电，可能会导致实验设备损坏和实验数据丢失，严重影响正常的教学和科研工作。在实验室采用隔离电源绝缘故障定位系统，既能对人员、设备的安全形成保护，又能保证供电稳定性，即使出现绝缘故障也能将损失和影响降到最低。隔离电源绝缘故障定位系统工作原理图如图2所示。

图2 隔离电源绝缘故障定位系统工作原理图

3 系统结构设计

以高校电气类实验室为例，尤其是涉及供配电系统、电机拖动等内容的实验及科研场合，由于需要频繁地进行带电操作和线路的临时改动，绝缘故障导致漏电事故的概率要远高于其他场所。而进行实验操作的大多是缺乏有效应对手段和经验的学生，故障发生时，极易引发二次伤害。因此，为了保证实验室的用电安全，本文将隔离电源和绝缘监测设备结合，设计了1套实验室用隔离电源绝缘故障定位系统，系统结构如图3所示。

图3 隔离电源绝缘故障定位系统结构图

在本系统中，所有带电部分对地绝缘或者配电变压器中性点通过足够大的阻抗接地，实现了电源与地的隔离。在发生绝缘故障时，系统与地之间存在很高的阻抗，漏电流很小甚至可以忽略，形成了安全可靠的供电系统。

如图3所示，系统主要部件包括隔离变压器、电流互感器、定位互感器、绝缘监测仪、绝缘故障测试仪、绝缘故障定位仪、专用电源和外接报警显示仪。其中隔离变压器为单相供电系统提供电源；电流互感器用于测量隔离电源的单相负荷，如果有多相，在每相都要加1个电流互感器；定位互感器将测量电流转换为可计算的测量信号；绝缘监测仪用于监测绝缘阻值、监测负荷、监测温度；绝缘故障测试仪与定位互感器一同将测量电流转换成可计算的测量信号；绝缘故障定位仪用于定位故障位置；专用电源为外接报警显示仪提供交流220 V的电压；外接报警显示仪具有声光报警功能，并显示实际的监测情况。

当发生绝缘故障时，由于隔离变压器将系统电网改造为IT供电方式，避免了触电事故发生的同时，也保证了供电稳定性。此时绝缘故障定位仪通过定位互感器和绝缘测试仪转换的测量信号，找到发生故障的支路进行定位，同时通过报警显示仪进行报警提示。通过该系统，操作人员能够快速准确地切除故障支路的供电，从而保证正常供电支路不受影响。

4 系统故障模拟测试

为了验证隔离电源绝缘故障定位系统的实际效果，在实验室交流220 V供电条件下，选取3条支路分别进行绝缘故障模拟，实验结果如表2所示。

表2 故障模拟实验结果

由表2可以看出，隔离电源绝缘故障定位系统针对不同原因导致的绝缘故障，能够及时发现故障并对故障支路准确定位，能够保障人员和设备安全。

5 结论

我国的配电系统接地形式大多采用TN系统，该系统发生绝缘故障时，容易对人员和设备造成伤害，隔离电源绝缘故障定位系统通过隔离变压器，将电源由TN系统转变为IT系统，实现了电源与地之间的隔离，能够保证供电安全、稳定。在发生绝缘故障时，能迅速发现故障、进行定位并发出报警信号，为操作人员提供了安全的用电环境，保证了人员和设备的安全，在保障电气安全运行方面具有广泛的推广前景。