阶跃响应法在浮地交流系统绝缘故障定位中的应用初探

针对交流系统绝缘故障定位现有方法存在的问题，提出了一种新的解决方案—阶跃响应法。通过对阶跃信号注入电网后的负载支路漏电流及其传感器感应电流的理论分析，得到了支路阻性电流与容性电流在时域上分离，而与电网工频信号在频域分离，从而易于提取这一结论。并通过试验验证。
关键词：阶跃响应法；浮地交流系统；绝缘故障定位

The Application of Step-Response Method in The Insulation Fault-location of Earth Free AC System

Zhuang Jin-wu Zhang Xiao-feng

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033. China)

Abstract: Power network ground capacitor can influence the correctness of fault-location, which is hard to be overcome with existing fault-location method. To solve this problem, a new method—step-response method is developed and presented in this paper. The method can achieve separation between the characteristic value reflecting the ground resistance and the value reflecting the ground capacitor in time domination. Moreover, the characteristic value is also separated from the power network signal in frequency domination and can be picker up easily. The paper included both theoretical analysis and experimental research.
Keywords: earth free AC system; insulation fault-location; step-response method

0 引言
查找浮地交流系统对地绝缘故障最常用的方法是工频零序电流判据^[1-3] ，但当出现三相绝缘同时降低或接地电阻较大时，该方法将难以判断。为此，低频信号注入法开始被用来解决该类问题，通过对直流电网的应用分析，发现该方法检测灵敏度随着电网对地电容的增大而降低 ^[3,4]，这一结论同样适用于交流电网。为了克服电网对地电容的影响，笔者尝试采用了稳态直流信号注入方法，通过霍尔传感器对负载支路漏电流的感应和直流成分的提取来判断绝缘故障支路，理论上是优越的，但在工程实现上较难。通过工业现场的应用，发现霍尔传感器受空间杂散磁场的干扰大，尤其是在穿心口径大且漏电流微弱的情况下；当霍尔传感器数量多且较分散时，其工作电源的提供在工程上复杂且电源品质难以保证；霍尔传感器间的偏差校正较复杂，这些问题影响了稳态直流信号注入方法在工程上的应用。基于此，本文提出了一种能有效克服电网分布电容等参数和工频变量影响，且工程上易实现的方案—阶跃响应法，其基本思想是向电网注入一直流阶跃信号，利用负载支路暂态漏电流响应中阻性电流与容性电流在时域上分离，而与电网工频信号在频域上分离的特性，通过高精度传感器对暂态漏电流的感应，并采用数字滤波手段，将反映支路对地绝缘电阻大小的阻性电流提取出，从而判断出绝缘故障支路。

1 阶跃响应法原理
阶跃响应法应用于浮地交流系统绝缘故障支路定位的原理如图1(a)所示，三相电网母线给n条负载支路供电，每条支路对地电容分别为C₁,C₂,^...C_n，交流漏流传感器环套在每条支路三相电缆上，当电网出现低绝缘故障时，假设第i条负载支路绝缘下降，且绝缘电阻为R_J，闭合开关K，即向电网投入了直流阶跃信号，直流电势为E，限流内阻为R₀。
1.1 故障支路对阶跃信号的电流响应
阶跃注入电网时，负载支路暂态漏电流同时包含有阶跃响应成分和工频成分。为便于讨论，首先以故障支路i为例，分析直流阶跃信号单独作用时的暂态电流响应。由于交流电源内阻抗z远小于限流内阻和绝缘电阻，则图1(a)所示电路可等效成如图1(b)所示简化电路。

向电网注入直流阶跃信号时，故障支路的漏电流(传感器的穿心电流)为

① 当I_R = I_C时，或电网对地无电容时，漏电流为阶跃形式，阶跃幅值为I_R，见图2曲线b；
② 当I_R > I_C时，漏电流阶跃上升至IC后，按指数规律上升至I_R，见图2曲线c；
③ 当I_R I_C时，漏电流阶跃上升至IC后，按指数规律下降至I_R，见图2曲线a；

由图2可知，阶跃信号作用于电网时，流过绝缘故障支路的漏电流同时包含了反映接地电阻和对地电容信息量，而反映电容大小的电流量会按指数规律迅速衰减，并收敛于仅反映电阻大小的电流量上。因此，若能采用高导磁率材料制成的高精度交流电流传感器，使之能较准确地反映出故障电流的初始动态过程，则不难得到故障电流的波形，尤其是反映电阻大小的电流值，从而计算出故障支路接地电阻的大小。
1.2 穿心电流传感器的模型及其感应电流的计算
电流传感器电气线路和磁路示意图见图3。原边电流为i₁，副边电流为i₂，副边匝数为w₂，Φ为互磁通，Φ_2s为副漏磁通，副边接负载电阻R，电流、电势和磁通的正方向如图示。