直流系統絕緣監測技術研究與應用

潘杰，尹 斌，阮金金

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

電力系統中，直流電源系統是為變電站中的保護、監控、監視、記錄等自動化裝置提供電源的多分支網絡。它的安全運行，對整個電力系統的安全運行起著至關重要的作用[1]。直流接地是直流操作系統常見故障之一，一般情況下，單點接地并不影響直流系統的運行，但如果不能迅速找到故障點并修復而發生另一點接地故障時，就可能引起重大故障。

目前，絕緣檢測裝置采用的檢測原理主要有電橋平衡原理和變頻探測原理[2-5]，兩種檢測原理的裝置都能在一定程度上解決直流接地問題，但也存在著不足，基于電橋平衡原理的絕緣檢測裝置無法檢測正、負母線絕緣同等下降的情況，也不能區分多支路故障。而后者則易受直流系統對地分布電容的影響，并且注入的低頻交流信號增大了直流系統的電壓紋波系數，影響電源的質量。文中旨在介紹一種在線絕緣檢測方法，并基于msp430單片機予以實現。

1 原理介紹

原理圖如圖1所示。圖中CM+、CM-為正負母線。U+、U-為正、負母線電壓。Jk1、Jk2為繼電開關，R為精密電阻。R+、R-為正、負母線發生絕緣故障時的對地電阻。Dt1、Dt2為高精度霍爾電流傳感器，其輸出電壓與通過環孔的電流差成正比，并且成線性關系。所以，利用采樣電流傳感器輸出的電壓，經過換算成電流，再利用歐姆定律獲得正、負母線電壓U+、U-，則電源電壓 U=U+-U-。

圖1 絕緣檢測原理圖Fig.1 Insulation testing schematic

在直流系統正常工作情況下，電子繼電開關Jk1、Jk2保持閉合。R+、R-一般趨近無窮大，此時，U+=-U-。當發生絕緣接地故障時，則R+或 R-為有限值，此時U+≠-U-，當 R+≤R-時，則有U+≤-U-，反之亦然。如果發生R+=R-都為有限值時，即正負母線絕緣電阻同等下降，此時U+=-U-，則需要進一步進行檢測，檢測步驟如下：

1）斷開繼電開關Jk2，保持Jk1閉合，測得正、負母線電壓對地分別記為：U+1，U-1；

2）斷開繼電開關Jk1，保持Jk2閉合，測得正、負母線電壓對地分別記為：U+2，U-2；

求解方程組可得到下面的結果：

這里需要說明下，這里用到的霍爾電流傳感器的電流量程為0～10 mA，所以對于一般直流220 V電源，結合電流傳感器的精度，精密電阻R一般的選擇為20～100 kΩ。

2 硬件實現

2.1 絕緣主回路

具體實現電路圖如圖2所示。

圖2 絕緣主回路原理圖Fig.2 Insulation of the circuit schematic

對電子繼電器AQW214的用法作簡單說明：當AQW214的1、2腳導通時，7、8腳也導通，并且導通的內阻很小；同理3、4腳導通時，5、6腳也導通。AQW214的耐壓值可以達到400 V，即當7、8腳或5、6腳步導通時其兩端可承受400 V的電壓，所以可以通過單片機的P10和P11引腳來控制電子繼電器的導通與否從而達到控制Jk1和Jk2的通斷[6]。具體控制和實現過程在前文中已做過闡述，這里不再贅述。

需要說明的是，圖中所標定的數值只適用于一定的電源電壓范圍（24～300 V），電源電壓過低則易受霍爾電流傳感器的精度的影響而測量不準確，過高則會超越霍爾傳感器的電流量程以及電子繼電器的耐壓值，所以可以根據實際情況，更換適當的器件以達到要求。

2.2 絕緣支路

由式（1）通過計算得知直流系統是否發生了絕緣降低故障[7]，但還需要確定是配電母線還是某個或者某些饋電支路發生了接地故障。

如圖3所示，當支路沒有發生接地故障時，支路饋線電流I0=I1，通過電流傳感器的電流差為0，其輸出電壓也為0；當發生接地故障時，I3=I0－I1不為0，電流傳感器輸出電壓不為0。設此時正、負母線電壓為U+、U－。則第n條支路的對地

對于多支路，可以采用多路開關如CD4051進行選通控制，如圖4所示，當發生支路絕緣接地故障，檢測系統啟動支路絕緣電阻巡檢程序，通過單片機向CD4051芯片的A、B、C引腳發送信號，依次選通支路，查看發生故障的支路數并進行接地電阻的計算。（圖中COM端連接一模擬電路接入單片機AD采樣端口，此處略去）。

圖3 支路絕緣電阻測量示意圖Fig.3 Slip insulation resistance measurement schematic

圖4 多路開關選通支路原理圖Fig.4 Multi-switch strobe slip schematic

3 結束語

文中介紹的絕緣檢測方法在實際應用中取得了不錯的效果，不僅能夠解決正負母線同等下降的問題，而且不影響電源質量，達到了初始設計的要求。但經過長時間的實踐也發現了不足，比較突出的是電流傳感器在使用較長時間，并且受到周圍環境電磁影響下，易發生漏電流零點漂移的情況。需要在軟件中加以矯正或者進行支路斷電后的零點校準，否則，易出現漏報或誤報的情況。但考慮兩者在實際應用中都存在著一定的弊端，筆者在做進一步研究，以期得到改善。

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