核反应堆电加热工程环境下的高温、大电流、加热损耗导致的单相绝缘故障是IT系统的主要故障形式。南华大学电气工程学院的研究人员刘建辉、曾铁军 等，在2022年第4期《电气技术》上撰文，分析了发生单相绝缘故障的两种情形：故障支路绝缘电阻偏大时导致总注入源回路电流偏小，故障支路分布电容过大导致支路阻性电流偏小。
基于这两种情形产生的误差，本文总结双频法检测绝缘电阻的基本原理，并在利用双相锁相放大技术提取微弱信号的基础上，提出一种变频变压的双频注入绝缘监测方法。通过在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，经多次仿真试验表明，绝缘电阻在2～500k、500k～3M时误差分别控制在5%、10%以内，验证了该方法在理论上的可行性。
核反应堆稳压器电加热元件采用IT系统（中性点不接地系统）配电，因其电加热管数量多且长期处于高温、高压、大电流的工作环境下，很容易出现故障且故障大多数为单相接地故障。绝缘监测装置可保证核反应堆稳压器的可靠运行，精准检测是实现IT系统有效持续供电的前提。
实现在线绝缘监测的主要方法是低频双频叠加法，通过多次在线测试表明，低频电压幅值和频率的选取对绝缘检测精度有重要影响。当系统发生单相接地故障时，绝缘电阻偏大、分布电容过大会引发注入源回路电流偏小和故障支路阻性电流分量偏小的问题，从而导致测量误差，无法满足绝缘监测精度要求。
本文提出一种变频变压的双频注入绝缘监测方法，以解决传统注入式监测方法在大绝缘电阻时，由于注入源电路电流偏小而导致绝缘电阻测量误差偏大的问题，以及分布电容过大时，注入源回路中电流的电阻分量很小导致测量误差偏大的问题。仿真结果表明，绝缘监测电阻测量的准确性得到有效提升，从而大大提升了核反应堆稳压器系统的安全性。
针对反应堆稳压器绝缘监测高精度的技术需求，本文提供一种变频变压的双频注入绝缘监测方法，即根据双频法测得故障对地电阻和对地电容，然后反馈给注入源信号来调节频率和电压峰值，从而提高绝缘监测的精度。变频变压逻辑框图如图2所示。
图2 变频变压逻辑框图
双相锁相放大器不仅能够锁定掺杂在工频信号和众多其他噪声中的双频信号，而且其同时使用两组低通滤波器和乘法器，所以最终能消除输出依赖参考信号和被测信号相位差的问题。由于没有在IT系统母线处安装电压互感器，所以不能直接测得Uf，需要通过图3所示的绝缘监测采集电路采集得到。
图3 绝缘监测采集电路
电压电流检测原理如图4所示，将电压信号Ur和转化后的电压信号URS分别经过双相锁相电路后的输出信号接至核心处理器。
将双频信号分别作为参考信号，其双相锁相电路原理如图5所示。参考信号和参考信号移相90°后的信号分别与待测信号相乘，然后再分别通过低通滤波器1和低通滤波器2，并作均值滤波后输出。
图5 双相锁相电路原理
为了验证所提变频变压的双频注入法能提高检测精度，本文采用Matlab/Simulink作为仿真工具，搭建如图6所示的IT系统等效仿真拓扑。
图6 IT系统等效仿真拓扑
针对现阶段故障支路绝缘电阻偏大及故障支路分布电容过大时导致检测精度不足的问题，本文提出了一种变频变压的绝缘监测方法。在IT系统发生绝缘故障时，通过双频法测量对地电阻及对地电容的大小并与设定阈值比较，从而进行变频变压，提高检测精度。同时采用双相锁相放大技术解决了混频中频率分离与微弱信号提取的难题。通过仿真证明，该方法提升了绝缘检测故障电阻的精度，可为实际应用提供参考。
本文编自2022年第4期《电气技术》，论文第一作者为刘建辉，1994年生，硕士研究生，研究方向为绝缘故障检测。本课题得到了“省部级重点项目”、“国家自然科学基金项目”的支持。
刘建辉, 曾铁军, 王新林. 一种变频变压的双频注入绝缘监测方法[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 18-24. LIU Jianhui, ZENG Tiejun, WANG Xinlin. A dual-frequency injection insulation monitoring method based on frequency conversion and voltage conversion Electrical Engineering, 2022, 23(4): 18-24.
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