直流系統不設平衡電橋時測量電壓波動分析研究

陳華泰

摘 要：為了檢測直流電源系統正負極對地絕緣電阻，直流系統傳統的絕緣監測裝置內設平衡電橋和檢測電橋，一般來講，平衡電橋具有兩個作用，其一為實現絕緣監測基本功能，配合檢測電橋改變正極對地電壓和負極對地電壓，從而間接計算正極對地絕緣電阻和負極對地絕緣電阻；其二為平衡直流系統正負極對地電壓，確保直流系統正常運行時，正、負極對地電壓均相等為母線電壓的一半。若直流系統不設平衡電橋，試驗用數字式萬用表測量正極和負極對地電壓時，電壓的實際值和測量值的關系如何，文章就上述不設平衡電橋的情況作出理論分析。

關鍵詞：直流系統；平衡電橋；測量電壓

中圖分類號：TM721.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0048-02

Abstract： In order to detect the insulation resistance of positive and negative electrodes to the ground in DC （direct current） power supply system， the traditional insulation monitoring device of DC system is equipped with balanced bridge and detection bridge. Generally speaking， balanced bridge has two functions： one is to realize the basic function of insulation monitoring； Cooperating with the detection of the bridge to change the positive pole to ground voltage and negative pole to ground voltage， thus indirectly calculating the positive pole to ground insulation resistance and negative pole to ground insulation resistance； the second is to balance the positive and negative pole to ground voltage of the DC system to ensure the normal operation of the DC system. The positive and negative voltages are equal to half of the bus voltage. If there is no balanced bridge in the DC system， the relation between the actual value of voltage and the measured value when the digital multimeter is used to measure the positive and negative pole to ground voltage in the experiment. The paper makes a theoretical analysis on the situation of the above-mentioned unbalanced bridge.

Keywords： DC （direct current） system； balanced bridge； measuring voltage

1 概述

在檢測直流電源系統正負極對地絕緣電阻時，其絕緣檢測裝置內設有平衡電橋和檢測電橋，其中平衡電橋的作用有兩方面，一方面實現絕緣檢測的基本功能，另一方面平衡直流系統正負極對地電壓。本文從理論角度分析平衡電橋在絕緣檢測裝置中的必要性。

2 原理分析

圖1為測量電路等效電路圖。系統電壓為U，設為220V的蓄電池系統，R+為系統正極對地電阻值，設為x，R-為系統負極對地電阻，設為y，Ro為數字式萬用表的內阻（電壓檔的內阻一般為10MΩ），設為定值z，U+1，U-1分別為數字式萬用表測量的正負極對地電壓值。U+2，U-2分別為直流系統的實際正負極對地電壓值。

（1）用萬用表測量正極對地電壓時系統的正極對地實際電壓為：

（2）用萬用表測量之前系統的正極對地實際電壓為：

（3）用萬用表測量負極對地電壓時系統的負極對地實際電壓為：

（4）用萬用表測量之前系統的負極對地實際電壓為：

由上述四個公式聯立得出結論：

（1）由（2）（4）兩公式可知，當系統不設平衡電橋時，系統的實際電壓只和正負極對地電阻各自的阻值與正負極對地電阻阻值之和的比值有關，當正負極對地電阻的阻值處于正常絕緣下降范圍時，只要正負極對地電阻下降值不均等，系統正負極對地電壓就會發生偏差。

（2）由（1）（2）兩式聯立使得U+1=U+2時，（3）（4）兩式聯立使得U-1=U-2時，這兩種理想狀態下，萬用表測量的正負極對地電壓與實際值一樣，萬用表測量的誤差范圍最小，可求得xy=0，即萬用表電壓檔的內阻值越大，正極對地電阻值x和負極對地電阻值y越小，誤差范圍越小，反之誤差范圍越大。

3 臨界狀態情況分析結論

由于R+，R-未知，無法求解。處理方法是先分三種臨界情況等效計算。

（1）設x=y=∞，即系統無接地。根據上述公式經計算得：

由結果得出結論：當正負極對地電阻遠遠大于萬用表電壓檔內阻時，萬用表內阻與正負極對地電阻并聯時，并聯電阻值趨近于0，萬用表測量誤差最大。

（2）設x=∞，y為定值時，即系統負極單端接地，此時經計算得：

由結果得出結論：負極單端接地時，用萬用表測量負極對地電壓測量誤差最小，測量電壓值和實際電壓值均為0；用萬用表測量正極對地電壓時取決與負極對地電阻的阻值y，阻值y越小，誤差范圍越小，反之誤差范圍越大。

（3）設y=∞，x為定值時，即系統正極單端接地時，此時經計算得：

由結果得出結論：正極單端接地時，用萬用表測量正極對地電壓測量誤差最小，測量電壓值和實際電壓值均為0；而用萬用表測量負極對地電壓時取決與正極對地電阻的阻值x，阻值x越小，誤差范圍越小，反之誤差范圍越大。

4 結束語

由上述分析結論可知，直流系統不設平衡電橋時，正負極對地電壓會隨著正負極對地電阻值的偏差大小而變化，由于電阻分壓，正負極對地電壓的比值與正負極對地電阻的比值相等，由于正負極對地電壓的不可控偏移給直流系統的穩定運行帶來極大危害。

而用數字式萬用表測量正負極對地電壓時，由于數字式萬用表電壓檔內阻的存在，測量的誤差范圍隨正負極對地電阻值的大小發生變化，正負極對地電阻值越小，誤差范圍越小，電阻值越大，誤差范圍越大，而系統的正負極對地電阻時刻可能在變化，因誤差和對地電阻不可控的原因，萬用表的讀數勢必會發生波動，由上述臨界狀態分析可知誤差范圍最大可至全電壓。

基于上述分析直流系統設平衡電橋是必要的。

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