直流系統絕緣監測的原理和應用

廖革文

（維諦技術有限公司，廣東 深圳518043）

0 引 言

在傳統的電力系統二次回路中，一般采用200 V／110 V直流電源系統作為供電回路，為了保證二次回路供電的高可靠性，避免因為單端絕緣下降而導致另外一端接地造成直流母線短路的故障發生；同時也為了避免因為單端絕緣下降和接地后，另外一端對地形成有效的高直流電壓而觸電，直流電源系統的正負母線對地絕緣監測變得十分重要。

隨著數據中心的爆發式增長和高壓直流電源（HVDC）系統在數據中心的廣泛應用，從數據中心供電安全和使用維護的安全角度來看，對HVDC電源系統的正負母線絕緣監測十分重要。

本文從絕緣監測的基本原理入手，對常見直流電源系統中使用絕緣監測的場景進行應用分析，對常見絕緣監測的有關應用誤區加以說明，確保絕緣監測在直流電源系統中的正確應用。

1 直流系統絕緣監測的基本原理

在常見的直流電源供電系統中，一般都是交流電源通過整流器變換為直流電源輸出。為了保證直流電源系統的供電安全，避免對地形成參考電壓，一般直流電源系統均會設計為正負母線對地懸浮，這一點有別于交流電源某些制式下的零線接地和－48／＋24 V直流通信電源系統。

直流電源系統的絕緣監測包括了直流母線的絕緣監測和各個負載支路的絕緣監測，一般來說，在實際應用中，母線監測和支路監測會采取不同的監測原理，兩者結合，組成整個直流電源系統的絕緣監測。

1.1 直流母線的絕緣監測原理

母線的絕緣監測基本原理是測量母線正負極對地之間的絕緣電阻，而帶電體的電阻不宜直接測量，因而母線對地絕緣電阻常用在正負母線之間投切采樣電阻，采樣不同投切電阻和絕緣電阻形成不同的對地直流電壓，通過測量不同狀態下的正負母線對地電壓，間接計算出母線的對地絕緣電阻。

圖1 母線絕緣監測原理

如圖1所示，R＋和R－分別是正負母線對地的等效絕緣電阻，224 k與226 k電阻分別為正負母線對地的平衡電阻，這兩個電阻在正常情況下起到平衡母線對地電壓的作用，不至于使得母線由于對地絕緣電阻過大而導致對地電壓不穩定。K1～K4投切的幾組電阻分別在不同情況下使得測量正負母線電壓不同，以便計算出對地的絕緣電阻。

所有開關斷開時，分別測量正負母線的對地電壓U1，U2，得到以下關于R＋，R－的方程：

將K1開關閉合，分別測量正負母線的對地電壓U’1和U’2，得到以下關于R＋，R－的方程：

式（1），（2）為一個關于R＋和R－的二元方程組，通過求解即可算出R＋和R－的值。

在實際應用中，考慮正負母線絕緣電阻等值下降等因素，設置多個投切開關K2，K3，K4等，以便計算在不同工況下的母線對地絕緣電阻。

當正負母線的對地絕緣電阻值低于設定的告警閥值的時候，絕緣監測裝置給出絕緣下降的告警，一般情況下，告警閥值和母線電壓相關，比如常見的220 V直流電源系統，這個告警值一般設置在25 kΩ左右。

1.2 直流支路的絕緣監測原理

為了準確判斷直流電源系統的絕緣下降故障點，一般通過對電源系統的支路輸出進行漏電流檢測，根據漏電流的大小來判斷對應的絕緣電阻的大小，給出支路絕緣故障的告警。支路絕緣監測一般有交流小信號和直流小信號檢測兩種方式。

交流小信號的檢測通過對直流母線和地之間饋入一個低頻小信號（1 Hz左右），然后通過支路互感器監測這個小信號對地的漏電流，從而計算出絕緣電阻的大小。其基本原理如圖2所示。

圖2 交流小信號絕緣監測原理

交流小信號檢測采用交流信號檢測，為了避免線纜分布電容，母線連接設備等對地電容會對測量結果產生很大的誤差，要設置一些復雜的補償電路或者在計算中采用復雜的算法，同時，由于直流母線對地饋入了交流小信號，使得結構復雜，現在已經很少使用。

目前通用的支路絕緣檢測一般采用直流漏電流傳感器進行監測，這得益于霍爾傳感器、通用放大器等半導體技術的高速發展。直流漏電流監測基本原理如圖3。

圖3 直流小信號絕緣監測原理

如圖3所示，正負極性的電纜同時穿過漏電流傳感器，在沒有絕緣下降的情況下，正負極電纜通過的直流電流大小相等，方向相反，這樣在直流互感器上不會產生感應信號；當有一極發生絕緣下降的時候，通過正負極的電流便不會再相等，這時互感器感應出這個電流差的信號，從而與兩個30 kΩ電阻，K3，K4控制的校正電阻計算的漏電流相比較，超出告警閥值時給出支路的告警。

在實際應用中，為了提高測量進度，支路互感器除了設定標準的基準電阻以外，還會采用一些基準的漏電流校準技術來提高測量的進度。直流漏電流檢測技術具有結構簡單，監測精度相對較高，維護相對方便的特點，在當今電力電源和數據中心HVDC中得到廣泛的應用。

1.3 通用絕緣監測儀器的基本原理

通用絕緣監測儀器一般把母線絕緣監測和支路檢測組合起來，同時考慮在不同應用場景下，設置比較完整的監測邏輯，應用于直流電源系統中。

一般情況下，母線的絕緣監測一直在線，可以通過母線電壓偏移（單端絕緣電阻下降直接反映母線對地電壓偏移上）或者母線對地絕緣電阻下降來觸發支路檢測。一般情況下，支路監測處于待機狀態。只有在母線絕緣異常的情況下，才會啟動每一個支路的絕緣巡檢，找到對應的絕緣故障支路。通用絕緣監測儀的原理框圖如圖4所示。

圖4 絕緣監測儀原理框圖

2 常見直流系統的絕緣監測應用場景

2.1 電力操作電源的絕緣監測應用

電力操作電源是直流電源系統中應用絕緣監測儀的主要場景，在電網的變電站和電廠中均有應用，如今在越來越多的用戶變電站也有廣泛應用。在電力系統中，由直流電源系統到負載設備端一般有比較遠的距離，除了大部分直流輸出線路在室內走線，也有一部分在室外走線，特別在電廠應用中，負載多而雜，因此線路的絕緣監測十分重要，一般情況下，電力操作電源系統均需要配置絕緣監測儀設備，以提高電站系統的安全。在一些小型的用戶變電站中，由于供電輸出支路比較少，一般僅對母線做絕緣監測。

2.2 數據中心高壓直流電源的絕緣監測應用

近年來，隨著數據中心建設的爆炸式增長，一些新型數據中心采用HVDC直流電源系統來作為服務器的供電系統。為了保證數據中心的運行安全和維護安全，絕大多數數據中心也配備了直流母線的絕緣監測裝置。在數據中心應用中，具有輸出支路多，全部在室內運行的特點。同時，由于數據中心的場地面積大，直流電源系統數量龐大，服務器供電相對獨立，相互之間的影響比較小。當時對于一些有直流母線并聯的情況下，如兩套直流電源并聯運行，不宜采用多絕緣主機或者交流小信號的支路檢測方式，因為母線并聯時可能因為母線監測的相互干擾，小信號的相互干擾而無法正常監測絕緣情況，甚至頻頻發生誤告警。

2.3 其他應用

在移動通信網中，為了應對惡劣的偏遠地區供電環境，會采用高壓直流電源的遠供技術來給遠端的RRU或者直放站供電，由于電纜和光纖一起在野外走線，為了保護人身安全，一般也會給高壓直流設備提供絕緣監測，這類場景下，基本只需要對用戶住處直流母線進行絕緣監測即可。

3 絕緣監測的使用和維護注意事項

從原理上來看，絕緣監測儀的原理相對比較簡單，但是在實際使用和維護過程中，需注意如下幾方面。

3.1 絕緣下降和接地

接地是絕緣下降的一種極端情況，也就是絕緣電阻下降到幾個歐姆以下時，就直接表現為接地故障。一般情況下，絕緣下降故障是一個緩慢發生的過程，而接地一般會是短時間內形成的故障。在日常維護過程中，有必要對母線絕緣電阻、重要支路的絕緣電阻做一個長期的監測，通過判斷絕緣電阻變化的趨勢，來預測絕緣發生的故障，杜絕絕緣故障導致的生產和人身安全隱患。也期望絕緣監測的監控系統能夠加入類似的智能趨勢判斷功能，實現絕緣監測的智能化。

3.2 絕緣下降故障點的判斷

實際上，由于線路分布、線路端子對地、母線上連接的所有設備內部對地的絕緣電阻等會形成對地的絕緣電阻，這些電阻對地均可簡化為并聯形式，任何一點的絕緣下降均會導致絕緣故障。因此，在實際絕緣故障發生時，除了支路絕緣故障報警以外，還需要關注支路監測以外的絕緣端子、連接到母排上的任意設備、蓄電池組等。圖5顯示了直流系統中常見與絕緣監測相關的設備，用排除法逐步排查可能發生絕緣的地方；筆者就曾經遇到過母排絕緣端子擊穿、蓄電池漏液導致母線絕緣下降而支路無告警的故障。

圖5 直流系統常見接地故障點

3.3 支路絕緣故障與母線絕緣故障

所有支路的絕緣電阻并聯在一起形成了正負極對地的等效電阻，這個等效電阻就是母線監測測量到的母線對地電阻。一般來說，這個等效的對地絕緣電阻要小于每一個支路的對地絕緣電阻。因而在實際應用中，母線的絕緣告警閥值要適當低于支路的告警閥值，否則容易出現母線絕緣下降告警，但是支路卻無法檢測到的情況。建議在選用絕緣監測裝置時，應該選擇每個支路絕緣電阻都可以測量顯示的儀器，方便故障的判別。

3.4 母線電壓偏移大小與絕緣電阻的關系

在絕緣監測的實際維護過程中，維護人員會通過測量正負母線對地的電壓來判斷母線絕緣是否異常，這是一個簡易的辦法，但是也有一定的局限性。首先，如果母線存在平衡電阻的情況下，除了能夠明顯排除正負母線等值絕緣下降，這種方法基本可行，但是不能測量到具體的母線絕緣值降到多少；其次，在沒有平衡電阻的情況下，用測量內阻高的電壓表（如數字萬用表等）來測量這個母線對地的懸浮電壓，會有比較大的測量誤差，測量值基本沒有任何參考意義。

3.5 母線測量時導致正負母線對地電壓的波動影響

在實際的絕緣監測儀中，為了應對各種不同的工況，提高測量精度，如圖1原理中所示，會采用多種不同阻值的電阻進行對地的切換，以保證測量精度，這樣就會帶來影響，在正負母線不同電阻切換時，會形成正負母線對地電壓的波動，影響到設備的正常運行。實際上這種擔心是不必要的：首先，任何負載設備在設計時，不會因為正負母線對地電壓的波動而受到供電的影響，因為負載設備僅僅接受正負母線之間的電壓，而這個電壓基本是維持不變的；其次，由于投切電阻的阻值在幾十到幾百kΩ，雖然電壓有波動，但是不會使得電流有很大的偏移，因而一般不會對負載設備造成嚴重影響。

4 結束語

總而言之，在直流電源系統中，如果正負極性不接地的情況下，正負母線對地的絕緣監測是系統安全運行的必要設備。設計者和維護人員深刻理解不同應用場景下的不同工況，對于直流電源系統的設備安全和維護人員的人身安全有重要的意義。