浅谈在线绝缘监测系统在海洋石油平台低压配电中的应用
浅谈在线绝缘监测系统在海洋石油平台低压配电中的应用
张颖姣
江苏安科瑞电器制造有限公司 江苏江阴 214405
摘要：海上石油生产属于高风险作业，对电力系统稳定要求较高。海上平台多数动设备采用400V电压供电，受海上潮湿环境影响，电气设备绝缘故障多发，极大影响平台的安全生产。目前绝缘监测多采用对低压盘柜整体监测，且出现绝缘低故障报警时，只能在断电状态下逐一排查盘柜所有设备绝缘情况，此种方式无法实现单台设备实时在线监测，无法满足目前海洋石油平台无人化和智能化的发展需要。本文所介绍的在线绝缘监测系统，已在多个海洋石油平台应用，可实现远程在线监测设备绝缘状况，及时发现设备绝缘故障，消除设备运行风险。
关键词：海洋石油平台；绝缘监测；故障定位；智能化
1概述
海洋石油平台多数采用自备电站供电，电力系统的稳定对平台的安全生产至关重要。目前海洋石油平台多数采用35KV以下的电力系统，根据平台电力系统电压等级的不同，配电系统采用不同的接地方式，参考目前海洋石油平台设计使用现状，对电压等级在10.5KV以上的中高压配电系统，多采用中性点小电阻接地系统(变压器中性点经接地电阻柜接地)或高阻接地系统(中压母排通过带接地变压器的接地电阻柜接地)，对于400V以下的低压配电系统，多采用中性点不接地系统(即IT系统)。
2中性点不接地系统(IT系统)的特点
根据国际标准IEC60364区分了三类不同的接地系统，使用两个字母代号表示，TN、TT和IT。第一个字母表示电源端与地的关系：T表示电源端有一点直接接地；I表示电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地。第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系：T表示电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点；N表示电气装置的外露可导电部分与电源端接地有直接电气连接。
IT系统的电源中性点是对地绝缘的或经高阻抗接地，而用电设备的金属外壳直接接地。主要特点如下：
1)当系统出现单相绝缘故障时，漏电电流很小，安全性高；
2)系统出现单相接地故障时，不会跳闸，设备可带故障运行不超过2小时；
3)三相IT系统对地电压220V，单相IT系统每根火线对地电压110V，电压低；
4)系统出现单相接地故障时，其他两相对地电压抬高√3倍。
3AMP自适应脉冲测量法
在不接地电力系统中，存在直流分量和泄漏电容，这些因素的变化会对绝缘故障阻值测量产生影响。因此,在实际测量中，必须设法消除干扰才能准确测量绝缘电阻。对于低压绝缘监测.，需要考虑由于电路分布而产生的分布电容，以及来自电容器本身的电容。分布电容可能来自于相邻两匝之间、两个分立的元件之间、两根相邻的导线间、一个元件内部各部分之间。因为分布式电容来自于系统本身，会跟随系统设备数量、环境变化而不断变化，如果没有自适应系统变化的测量信号，很难对绝缘电阻值进行精确的测量。
AMP测量法(即自适应脉冲测量法)可在具有较高对地泄漏电容的系统内应用，其原理是采用叠加自适应脉冲信号，消除系统中存在的分布电容。相对于IT供电系统注入的信号是一个外部干扰信号，如果这个信号很强则可能会触发设备误动作。因此，向系统中注入的脉冲信号要尽可能小，还要达到准确测量的目的。而由于系统分布电容的存在，注入脉冲信号尽可能小的同时，还要能够抵消掉系统存在的漏电容。
本系统采用的ISO685绝缘监测仪是德国Bender公司生产，采用AMP测量法，通过叠加自适应的脉冲电压信号对故障回路进行探测，连续不间断地测量相对地的绝缘阻值RF，当系统对地的绝缘阻值降至预先设定的响应值时，输出报警信号，故障定位到具体支路，显示电力系统最低绝缘阻值。同时，ISO685还能监测支路互感器连接与否，若互感器损坏或者断线时，发出互感器故障报警。使用自适应脉冲信号对绝缘故障支路进行定位，对电力系统没有任何干扰，运行稳定。
4在线绝缘监测系统组成
1)绝缘监测仪
绝缘监测仪是在线绝缘监测系统的核心，必须把设备连接在IT系统(不接地系统)和PE线之间才能得到测量值。在运行期间，绝缘监视仪不间断地监视整个IT系统的绝缘阻值，当该值低于预先设定的响应值时触发报警。
绝缘监测仪还可与EDS结合使用用以准确定位绝缘故障。当监测到的绝缘值下降到设置的响应值Ran2(LEDALARM2)之后，会产生一个周期性定位电流。绝缘故障是通过EDS和连接的测量电流互感器进行选择性地定位，定位电流通过带电线路的绝缘故障位置采取最短的方式从定位电流发生器流过，经过绝缘故障点和PE线返回到绝缘监测仪，这个定位电流脉冲通过在绝缘故障路径上的测量电流互感器检测以及通过连接的EDS发出信号。
2)绝缘故障定位仪
绝缘故障定位仪能够定位不接地直流、交流和三相交流系统中的绝缘故障(IT系统)。通过故障定位电流发射器，来监视不同范围内的交流网络、三相交流网络和直流网络绝缘工况，显示交流网络中的剩余交流电流。EDS440定位模块与ISO685绝缘监测仪配套使用，当绝缘监测仪监测到系统中有接地故障时，便发射故障定位脉冲信号，定位到支路绝缘故障点后，通过定位模块反馈到绝缘监测仪。
3)通讯网关
网关COM465IP的作用是转换ISO685绝缘监测仪通讯协议，使其能够通过以太网与电脑进行数据交换。该在线绝缘监测系统具有多种通讯连接方式：
◆以太网接口：可以用于Modbus,web服务器和BCOM之间的通信；
◆BCOM：目的是通过以太网和本德尔设备进行通信。通过BCOM通信的所有设备都必须有相同的系统名称。可以在子系统中组织设备。每个设备需要单独的设备地址。
◆ModbusTCP：国际上应用广泛的用于数据传输的协议；
◆Web服务器：显示绝缘监测仪参数和其它相关设备的参数，可以通过网页浏览器适用于任意电脑。
4)电流互感器
根据网络结构的不同，选择不同规格型号的电流互感器，监测绝缘监测仪发送的定位电流信号，并传输至绝缘故障定位仪。电流互感器选用开环式电流互感器，便于在线安装。
5系统安装与调试
1)系统安装
按照三相交流系统的结构图，分别定位安装绝缘监测仪、绝缘故障定位仪、通讯网关及各支路电流互感器。安装过程有以下几点需要注意：
◆每8路CT电流互感器需接入到1个信号采集单元上，此采集单元安装在本盘柜后门处，通过导轨固定即可，每个采集单元需用RS485通讯线连接，现场可通过盘柜间穿线孔进行通讯线敷设；
◆绝缘监视CT电流互感器为开口式结构，如下图所示，安装方式为直接套在每个支路出线处，如下图所示，互感器可使用扎带固定在柜体侧面。每个互感器信号线沿盘柜侧敷设至采集单元，采集单元固定在后门板处，导轨式安装。
2)调试
为使监测系统正常保障低压盘绝缘监测系统的稳定性及有效性，需对系统各个模块进行功能调试。
①网关COM465IP及上位机软件调试
网关COM465IP的作用是转换ISO685绝缘监测仪通讯协议，使其能够通过以太网与电脑进行数据交换。通过出厂时设备内置的IP地址，进入网页界面，设置设备的IP地址为平台局域网内的IP地址，通过新的IP地址登录网页，查看通讯是否正常。
②绝缘监测仪主机ISO685调试
通过vwin 测试出现接地故障、互感器断线时，绝缘监测仪ISO685报警反馈情况。
◆外观检查：检查ISO685绝缘监测仪模块外部是否有碰撞、破损情况，接线端是否完好无缺。
◆上电检查：上电前用万用表检测电源电压，确认模块的供电电压及供电电源接线端，方可接上供电电源，上电后查看仪器内置时间是否与网络时间相同，并进行校准设置，检查监测到定位模块与实际是否相符。
◆模拟故障检查：模拟出现接地故障及互感器断线故障时，绝缘监测仪报警与实际是否相符。
③EDS440绝缘故障定位模块调试
调试目的为测试EDS440定位模块反馈定位信号是否正常，及其定位的可靠性以及准确性，通过模拟EDS定位模块绝缘故障报警，观察绝缘监测仪及上位机软件显示的报警是否一致。
◆外观及接线检查：检查EDS定位模块有无碰撞、破损，接线端子是否完好。图5模拟定位模块连接点故障
◆上电检查：确认供电电源电压接供电电源接线端后，上电并检查定位模块运行指示灯是否正常。
◆模拟故障检查：模拟定位模块监测的回路出现绝缘故障，通过绝缘监测仪和上位机查看故障定位信号
6绝缘监测及绝缘故障定位产品
6.1绝缘监测及绝缘故障定位产品
AIM-T系列绝缘监测仪主要应用在工业场所IT配电系统中，主要包括AIM-T300、AIM-T500和AIMT500L三款产品，均适用于纯交流、纯直流以及交直流混合的系统。
其中AIM-T300适用于450V以下的交流、直流以及交直流混合系统，AIM-T500适用于800V以下的交流、直流以及交直流混合系。AIM-T500L相比AIM-T500增加了绝缘故障定位功能。
6.2绝缘故障定位产品
工业用绝缘故障定位产品配合AIM-T500L绝缘监测仪使用，主要包括ASG200测试信号发生器，AIL200-12绝缘故障定位仪，AKH-0.66L系列电流互感器，适用于出线回路较多的IT配电系统。
6.3绝缘监测耦合仪
绝缘监测耦合仪配合AIM-T500绝缘监测仪使用，主要包括ACPD100，ACPD200，适用于交流电压高于690V，直流电压高于800V的IT配电系统。
7技术参数
7.1绝缘监测仪技术参数
|
型号 技术指标 |
AIM-T300 | AIM-T500 | AIM-T500L |
| 辅助电源 | 电压 | AC 85~265V;DC100~300 | AC 85~265V;DC100~300 |
| 功耗 | ＜8W | ＜8W | |
| 被监测IT系统 | 电压 | 480V以下的交流、直流以及交直流混合系统 | 690V以下的交流及交直流混合系统、800V以下直流系统 |
| 频率 | 40~60Hz | 40~60Hz | |
| 绝缘监测 | 测量范围 | 1kΩ~5MΩ | 1kΩ~10MΩ |
| 报警值范围 | 10kΩ~5MΩ | 10kΩ~10MΩ | |
| 相对误差 | 1~10k: 10k；10k~5M: ±10% | 1~10k: 10k；10k~10M: ±10% | |
| 允许系统泄露电容 | <150μF | <500μF | |
| 响应时间 | <6s | <5s | |
| 通讯 | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU | RS485，Modbus-RTU； |
| 内部参数 | 测量电流 | <170μA | <270μA |
| 绝缘故障定位 | 无 | 无 | 有 |
| 电磁兼容/电磁辐射 | IEC61326-2-4 | IEC61326-2-4 | |
| 额定冲击电压/污染等级 | 8kV/Ⅲ | 8kV/Ⅲ | |
| 内部直流电阻 | ≥120kΩ | ≥180kΩ | |
| 输出 | 继电器输出 | 预警、报警 | 出错、预警、报警 |
| 环境 | 工作温度 | -20~+60℃ | -15~+55℃ |
| 存储温度 | -20~+70℃ | -20~+70℃ | |
| 相对湿度 | 5%~95%，不结露 | 5%~90%，不结露 | |
| 海拔高度 | ≤2500m | ≤2500m |
7.2测试信号发生器技术参数
| 辅助电源 | 电压 | AC 85~265V DC100~300V |
| 功耗 | <7W | |
| IT系统 | 额定电压 |
单相交流AC 220V 三相交流 AC 0~690V 直流DC 0~800V |
| 绝缘故障定位 | 响应时间 | <5s |
| 定位电压 | 20V/5Hz | |
| 定位电流 | 0~10mA | |
| 环境 | 电磁兼容/电磁辐射 | IEC61326-2-4 |
| 工作温度 | -15-+55℃ |
7.3绝缘故障定位仪技术参数
| 辅助电源 | 电压 | AC 85-265V DC100~300V |
| 功耗 | <5W | |
| 绝缘故障定位 | 响应时间 | <12s |
| 定位电压 | 无 | |
| 定位电流 | 无 | |
| 响应灵敏度 | >0.5mA | |
| 输出 | 继电器输出 | 报警Alarm |
| 环境 | 电磁兼容/电磁辐射 | IEC61326-2-4 |
| 工作温度 | -15-+55℃ |
7.4 AKH-0.66L系列电流互感器技术参数
| 型号 | 额定电流 | 变比 | 等级 | 过载倍数 |
| L-45 | 16-100A | 5A：5mA | 1 | 10 |
| L-80 | 100-250A | |||
| L-100 | 250-400A | |||
| L-150 | 400-800A | |||
| L-200 | 800-1500A |
7.5绝缘监测耦合仪技术参数
| 产品型号 | ACPD100 | ACPD200 |
| 适用系统 | 单相交、直流不接地系统 | 三相交流、直流不接地系统 |
| 电压等级 | 交流0~1150V，直流0~1760V | 交流0~1650V，带直流元件0~1300V |
| 直流阻抗 | ≥160kΩ | AK1≥225kΩ |
| 工作温度 | -10~+55℃ | |
| 存储温度 | -20~+70℃ | |
| 防护等级 | IP30 |
参考文献
余成波，陈学军，雷绍兰，王士彬，电气设备绝缘在线监测，清华大学出版社
[2]郭明荃，低压绝缘监测及定位系统在海上石油平台的研究与应用，仪器仪表用户
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.08版
[4]安科瑞 IT 系统绝缘监测故障定位装置及监控系统（中英文）2021.01版
审核编辑 黄宇
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