淺析240 V直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置的原理及應(yīng)用

孫文波，侯福平

（中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院）

0 引 言

近年來(lái)，社會(huì)各行業(yè)信息化建設(shè)迅猛發(fā)展。有資料顯示，未來(lái)數(shù)年，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還將高速發(fā)展。目前數(shù)據(jù)設(shè)備的供電普遍采用交流UPS系統(tǒng)，而交流UPS供電一直是通信電源維護(hù)的難點(diǎn)，如何提高IT數(shù)據(jù)設(shè)備供電可靠一直是電源業(yè)界努力的方向。

針對(duì)交流供電的缺點(diǎn)，業(yè)界提出了240 V直流供電，并在這兩年得到了迅猛發(fā)展。240 V直流系統(tǒng)與傳統(tǒng)的－48 V直流系統(tǒng)的接地工作方式不同，本文將就此著重介紹絕緣監(jiān)察裝置的原理及其應(yīng)用方式，供大家研究探討，以便更好地推廣應(yīng)用240 V直流系統(tǒng)。

1 －48 V系統(tǒng)為什么需要正極接地

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的－48 V直流供電系統(tǒng)一直采用正極接地的工作方式。存在兩個(gè)問(wèn)題：一是為什么需要接地，二是為什么是正極接地。資料表明，采用該接地方式有歷史原因及現(xiàn)實(shí)需要：最早的通訊網(wǎng)是電話網(wǎng)，話機(jī)是由電信局供電的，采用的是搖把子通信方式，接地的作用是把地作為一根導(dǎo)線使用，需要通過(guò)大地作為回流，因此采取了一極接地的方式。因?yàn)槎司值接脩艟嚯x比較長(zhǎng)，采取一極接地，可以減少電路間的耦合，降低干擾的影響，保證通話質(zhì)量等。后來(lái)采用人工交換機(jī)、步進(jìn)制自動(dòng)交換機(jī)、縱橫制自動(dòng)交換機(jī)，共同特點(diǎn)是采用大量的電磁繼電器完成通信功能。電磁繼電器是由鐵芯和細(xì)銅絲組成，當(dāng)空氣中有一定濕度時(shí)，電磁繼電器將產(chǎn)生“微電池”。如果不接地或負(fù)接地，“微電池”放電將會(huì)使細(xì)銅絲腐蝕。而采用正接地，腐蝕的是鐵，由于鐵很大，不影響電磁繼電器壽命。可見(jiàn)采用正接地的作用是防止“電化學(xué)”的腐蝕作用，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2 240 V直流系統(tǒng)為什么不接地

2.1 現(xiàn)代通信設(shè)備供電系統(tǒng)無(wú)需接地

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的成熟，現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信設(shè)備已不再使用電磁繼電器，當(dāng)然就不存在“微電池”現(xiàn)象，直流電源系統(tǒng)的接地就不是必須的。目前我們采用高壓直流電源系統(tǒng)替代交流UPS系統(tǒng)對(duì)通信設(shè)備供電，本質(zhì)上只是提供了一次電源，通信設(shè)備的工作全部靠通信設(shè)備內(nèi)部的電源模塊轉(zhuǎn)換成直流12 V、直流5 V、直流3.3 V 等二次電源，它與一次輸入電源是完全隔離的，所以一次電源系統(tǒng)是否接地對(duì)通信設(shè)備工作不產(chǎn)生任何影響。

2.2 240 V直流系統(tǒng)接地弊端

在－48 V系統(tǒng)電池維護(hù)時(shí)，因?yàn)殡妷罕容^低，維護(hù)人員觸摸蓄電池或負(fù)極時(shí)，電壓很難擊穿人體電阻形成電流，并不會(huì)發(fā)生觸電事故，所以接地的好處很多。但是對(duì)于現(xiàn)在高壓直流，如果將一極接地，由于電壓比較高，人觸及到未接地的一極時(shí)，觸電電流通過(guò)大地形成回路，將發(fā)生電擊事故。尤其是電池維護(hù)，維護(hù)人員是很容易觸摸到電池端子的，如圖1所示，系統(tǒng)正極接地，當(dāng)人體觸摸到某個(gè)電池端后，就可能存在高壓，擊穿人體電阻，通過(guò)大地回路形成電流，發(fā)生觸電事故。

圖1 系統(tǒng)接地后，人觸電示意圖

如果系統(tǒng)不接地，兩根導(dǎo)線對(duì)地懸浮，人體觸摸其中一個(gè)導(dǎo)線或者電池某個(gè)端子時(shí)，雖然可能會(huì)存在一定的容性電流，但該電流很小，不足以對(duì)人體造成傷害，更重要的是，電流不能通過(guò)大地形成回路，可以避免在人體產(chǎn)生持續(xù)電流進(jìn)而觸電。因此，目前的240 V直流供電系統(tǒng)采用不接地系統(tǒng)，同時(shí)也要求模塊的輸入與輸出應(yīng)進(jìn)行隔離。

3 安裝絕緣監(jiān)察裝置的必要性

240 V直流供電系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，當(dāng)某相供電線路出現(xiàn)絕緣降低或接地故障后（如IT設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)），接地電流會(huì)非常小甚至沒(méi)有，如圖2所示。由于沒(méi)有短路電流流過(guò)，斷路器不會(huì)斷開(kāi)，系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。雖然發(fā)生一極接地時(shí)并不引起嚴(yán)重危害，但是由于系統(tǒng)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)該故障，如果在這種情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，就有可能造成大的事故。因?yàn)榇藭r(shí)若再發(fā)生另一極接地，就將造成直流短路。更嚴(yán)重的是，如果在一極發(fā)生絕緣度降低或接地后，有人在維護(hù)的時(shí)候觸摸了另一極或者電池端子，將造成電擊事故，有可能造成人員傷亡。這種情況和圖1類似。

圖2 系統(tǒng)一極發(fā)生絕緣度降低或接地后正常運(yùn)行

因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)這種接地故障，有必要對(duì)系統(tǒng)安裝絕緣監(jiān)察裝置。其作用是監(jiān)視直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常接地情況。

4 絕緣監(jiān)察裝置的原理

絕緣監(jiān)察功能主要包括兩方面：一是及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)直流回路中的絕緣度下降和故障；二是對(duì)出現(xiàn)絕緣度下降和故障的位置進(jìn)行定位。目前，采用的技術(shù)主要有以下幾種方式：

4.1 平衡橋電阻檢測(cè)法

平衡橋電阻檢測(cè)法主要用于母線絕緣的檢測(cè)，是在系統(tǒng)分別對(duì)正負(fù)極接入一個(gè)高阻（約100 kΩ），兩個(gè)電阻阻值相等，如圖3所示。在正常情況下，RX＝RY＝∞，V1＝V2。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一極接地故障時(shí)，比如正極接地，即RX≠∞，RY＝∞。此時(shí)，V1、V2的電壓將發(fā)生改變，系統(tǒng)根據(jù)兩個(gè)電壓變化的幅值，即可判斷系統(tǒng)發(fā)生了絕緣故障。同時(shí)，我們可以通過(guò)下列公式來(lái)計(jì)算RX的大小：

通過(guò)測(cè)量V1、V2的電壓，我們即可計(jì)算出接地電阻RX；同理，也可發(fā)現(xiàn)負(fù)極接地即RY≠∞的情況。

圖3 平衡橋電阻檢測(cè)法示意圖

平衡橋電阻檢測(cè)方式優(yōu)點(diǎn)：由于僅檢測(cè)電壓，只要V1和V2一出超過(guò)預(yù)設(shè)的壓差，即可判斷系統(tǒng)的絕緣出現(xiàn)故障了，因此可以快速檢測(cè)直流回路中非對(duì)稱性的正負(fù)極絕緣狀況。

平衡橋電阻檢測(cè)方式缺點(diǎn)：當(dāng)正負(fù)極絕緣度同時(shí)下降，且接地電阻相差不大時(shí)，由于此時(shí)V1≈V2，壓差達(dá)不到告警值，系統(tǒng)將不能發(fā)現(xiàn)絕緣出現(xiàn)故障。

4.2 投切電阻檢測(cè)法

為了解決平衡橋電阻檢測(cè)法的不足，我們可以采用投切電阻檢測(cè)法。具體原理如圖4所示，增加了R3、R4，通過(guò)K1與K2輪流分?jǐn)唷螛O接地的情況和平衡橋的類似，不再贅述。我們來(lái)看當(dāng)RX＝RY≠∞的情況。

當(dāng)K1合上，K2斷開(kāi)時(shí)：

當(dāng)K1斷開(kāi)，K2合上時(shí)：

通過(guò)以上兩個(gè)方程，即可解出RXRY。（具體計(jì)算過(guò)程略）

圖4 投切電阻檢測(cè)法原理示意圖

工作過(guò)程：K1和K2定期輪流導(dǎo)通，分別記錄V1、V2，然后計(jì)算出RX及RY，當(dāng)發(fā)現(xiàn)RX及RY小于預(yù)設(shè)告警值，一般設(shè)置為20 kΩ～30 kΩ，即發(fā)出告警。

該方法可以解決平衡電橋的缺點(diǎn)，當(dāng)正負(fù)極同時(shí)發(fā)生接地故障也能發(fā)現(xiàn)。但缺點(diǎn)是由于正負(fù)極輪流接入電阻，正負(fù)極對(duì)地電壓不斷變化，因此，每次投入后，都需一定的時(shí)間待電壓穩(wěn)定再進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，由于頻繁對(duì)正負(fù)極投切電阻，投切頻率不能太高，因此該方式的告警時(shí)間比平衡電橋的告警時(shí)間長(zhǎng)，不能做到立即告警，一般需要幾分鐘。

4.3 支路漏電流檢測(cè)法

以上兩種方法只能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有接地故障，但不能發(fā)現(xiàn)是哪個(gè)支路發(fā)生的，因?yàn)椴还茉谙到y(tǒng)哪個(gè)分支路發(fā)生了接地故障，都會(huì)在系統(tǒng)正負(fù)極母排反映出來(lái)。為了解決判斷是哪個(gè)分路，我們需要在每個(gè)分支路安裝電流互感器（CT），通過(guò)測(cè)量出該支路有對(duì)地漏電流，則判斷該支路后端發(fā)生了接地故障。

安裝原理如圖5所示，電流互感器安裝在每個(gè)支路上，正負(fù)極都穿過(guò)互感器。在正常情況下，由于正負(fù)極電流相等，因此流經(jīng)該互感器的合成電流為零。當(dāng)互感器后端的支路發(fā)生了接地故障，對(duì)地出現(xiàn)了漏電流，則流過(guò)該互感器的電流出現(xiàn)不平衡，如所圖5所示的粗線箭頭所示的漏電流。則此時(shí)可以發(fā)現(xiàn)是哪個(gè)支路發(fā)生了接地故障。

由于該種方式需要系統(tǒng)先接一次地，因此需要和上述兩種方式配合使用。

圖5 漏電流檢測(cè)法示意圖

5 絕緣監(jiān)察裝置的實(shí)際應(yīng)用

目前廠家采用的方式各種各樣，有采用平衡電橋＋支路漏電流檢測(cè)的方式，該方式簡(jiǎn)單，告警迅速，缺點(diǎn)是不能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)正負(fù)極同時(shí)發(fā)生接地故障的情況。另外一種是投切電阻＋支路漏電流檢測(cè)的方式，該種方式可以發(fā)現(xiàn)各種接地故障情況，但是告警時(shí)間偏長(zhǎng)。因此，筆者認(rèn)為，比較合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該是：

（1）在正常情況下，采用平衡電橋?qū)偰妇€對(duì)地電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱情況下的絕緣性能下降。

（2）在平衡電橋的基礎(chǔ)上，每隔一定周期（如5分鐘）投切電阻檢測(cè)母線對(duì)地電阻對(duì)稱性變化，這樣就可以發(fā)現(xiàn)正負(fù)極同時(shí)發(fā)生接地故障情況。另外，如果出現(xiàn)正負(fù)極對(duì)地電壓的壓差有變化（大于預(yù)設(shè)值，如50 V），可以將投切電阻間隔時(shí)間調(diào)短，如2秒，這樣可以快速準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻值。因?yàn)楹芏嘟拥毓收霞词故钦?fù)極都發(fā)生了絕緣降低情況，但往往有時(shí)間差，或者是接地電阻值不一樣，平衡電橋也能發(fā)現(xiàn)正負(fù)極母線對(duì)地電壓的變化，但是往往不能準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻的阻值，通過(guò)調(diào)整投切電阻的間隔周期，這樣就能更快地發(fā)現(xiàn)正負(fù)極同時(shí)發(fā)生接地故障的極端情況，同時(shí)也避免了在正常的時(shí)候頻繁的投切電阻。

（3）通過(guò)以上兩種方式發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障后，再通過(guò)分支路安裝的電流互感器測(cè)出是哪個(gè)支路發(fā)生了故障。

通過(guò)上述方案，當(dāng)出現(xiàn)非對(duì)稱性的單極絕緣故障時(shí)，系統(tǒng)能立即發(fā)現(xiàn)；當(dāng)出現(xiàn)對(duì)稱性的兩極絕緣故障時(shí)，系統(tǒng)也能盡快發(fā)現(xiàn)。極端情況下，也可以在一個(gè)投切電阻周期內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

［1］ 趙長(zhǎng)煦.2009.10中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)電源專刊.IT設(shè)備高壓直流供電熱點(diǎn)問(wèn)題研究與應(yīng)用.