真雙極小電阻接地直流配電網的絕緣監測系統研究

崔 敏，牛志雷，牛衛峰，王培羱，梁 爽

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

近年來，隨著新能源分布式發電技術、新型儲能技術、直流充電技術及直流變頻節能技術的迅猛發展。直流配電網又重新得到了青睞。直流配電網是相對于交流配電網而言的，其提供給負荷的是直流母線。直流負荷可以直接由直流母線供電，而交流負荷需要經過逆變設備后供電，如果負荷中直流負荷比例較大，直流配電將會有較大優勢。直流配電網線損小，可靠性高，無需相頻控制且接納分布式電源能力強。

1 背景技術

目前，在規劃建設的綜合能源、智慧能源及能源互聯網示范項目中均會涉及到直流配電，直流生態體系在未來綜合能源電力互聯體系中正在逐步生成。直流配電系統省去了大量分散的整流器（AC/DC）和并網逆變器（DC/AC），簡化了配網結構，提高了系統效率和可靠性，降低了成本。以太陽能和風機為代表的可再生能源直流側并網變得更便捷和經濟，并為未來LED照明和電動汽車的發展奠定了良好的基礎。

直流配電系統根據分布式電源類型、負荷類型的不同存在單極浮地系統、偽雙極系統、真雙極直接接地系統、真雙極高阻接地系統及真雙極小電阻接地系統等多種模式和技術路線。真雙極系統存在正、負、零三極線，且存在多個直流電源、環網結構；負載有的接入正零極、有的接入零負極，有的接入正負極，存在多種運行切換方式，傳統直流絕緣監測手段已不能滿足新的要求。針對不同模式直流配電系統的直流絕緣監測一般多借鑒變電站直流電源系統直流絕緣監測方法，但變電站直流電源系統均為單極浮地系統，因此針對其他模式直流配電系統的直流絕緣監測方法，需要根據實際配電系統的特性重新構建與論證。

2 解決方法

本文提供一種可以適用于真雙極小電阻接地直流配網主接線結構的直流絕緣監測系統及方法。真雙極小電阻接地直流配網主接線結構如圖1所示，具備多直流電源共存、直流環網結構、多種運行方式靈活切換、正負零三極線結構及單極負載非均衡接入等特征，已有的平衡橋監測方法因需要注入電源已不再適用。本方案通過靈活配置漏電流傳感器，通過支路、接地回路、聯絡線路漏電流檢測以及母線電壓監測來計算絕緣電阻，判斷絕緣異常。

直流絕緣監測系統包括直流絕緣監測主機、直流絕緣監測從機、直流漏電流傳感器、電壓采樣回路、漏電流傳感器通信采樣回路、母線聯絡開關位置采樣回路及后臺通信回路等構成。

（1）直流絕緣監測主機通過CAN網和直流絕緣監測從機通信組網，直流絕緣監測主機具備和監控后臺通信的485通信接口。

（2）直流漏電流傳感器采用磁飽和檢測原理，需要套裝在相應的母線進線電纜、直流饋出線電纜及母線聯絡線電纜位置，根據電纜規格選取不同直徑規格的漏電流傳感器。

（3）電壓采樣回路，一端連接正負零三極母線，一端接入直流絕緣監測主機或直流絕緣監測從機的電壓采集端子。

（4）漏電流傳感器通信采樣回路。直流漏電流傳感器通過手拉手連接后接入直流絕緣監測主機或直流絕緣監測從機CT采樣端子。

（5）母線聯絡開關位置采樣回路主要完成各母線聯絡開關的合位常開節點位置采樣。

本方案的技術路線具體如下[1]。

第一，針對真雙極小電阻接地直流配電網絡，提出的漏電流傳感器及絕緣監測儀配置方案如圖2所示，每段±750 V母線以及接地電阻回路各配置一臺絕緣監測儀，每臺絕緣監測儀分別完成對應母線電壓采集、相應聯絡開關位置采集及母線所連支路漏電流傳感器信號采集，具體配置如表1所示[2]。

圖1 真雙極小電阻接地直流配網主接線結構

圖2 真雙極小電阻接地直流配網直流絕緣監測設備配置

表1 真雙極小電阻接地直流配電網絡直流絕緣監測設備配置

第二，針對真雙極小電阻接地直流配電網絡，區分直流配電系統開環運行與閉環運行兩種工況，根據不同位置配置的漏電流傳感器因直流系統絕緣異常檢測到的漏電流變化情況，提出直流絕緣異常識別及告警邏輯[3]。

當直流配電系統開環運行，即任何兩個直流電源（PCS1、PCS2及微網路由器直流側）不構成環路時，某段母線段或者所連饋出支路發生正、負極接地或者絕緣異常將和該直流電源中性接地線所連接的50 Ω接地電阻構成回路。首先，通過在50 Ω接地電阻柜位置所配置漏電流傳感器，可以測得對應直流電源設備零極接地電流；其次，根據該直流配電系統幾個重要聯絡開關的位置狀態，可以判定對應的母線連接關系；再次，根據聯絡開關位置配置的漏電流傳感器漏電流情況，可以判定對應母線絕緣異常；從次，根據該母線段饋出線配置的漏電流傳感器判出對應饋出支路絕緣或者母線絕緣異常；最后，如果某段母線上級聯絡開關監測到漏電流，但該母線所連饋出支路均未檢測到漏電流，則判定為該段母線絕緣異常，否則判出對應支路絕緣異常。

當直流配電系統必要情況下需要進行閉環運行，兩個電力電子設備進行功率對推，存在功率環流，且正負極功率不平衡（極端情況單極運行）時，就會有功率流過零極母線；對于直接接地或者50 Ω小電阻接地兩種情況，接地回路均會構成零極母線并聯回路，會在接地線中有不平衡功率流過，如圖3所示。直流絕緣監測系統可以根據采集到的幾個聯絡開關位置及時進行判別，并閉鎖此種工況下的直流絕緣監測報警。同時，為了避免較大不平衡功率電流流過接地線，直流絕緣系統同時發出告警，提醒運行人員在此運行工況下，斷開其中一個直流電源設備的中性線接地回路，保持一點接地[4]。

圖3 直流配電環網運行示意圖

第三，針對真雙極小電阻接地直流配電網絡，梳理不同類型的直流絕緣異常情況，如圖4所示，針對不通過位置不同類型直流絕緣異常進行說明。當R1、R2、R3、R4、R5及R6分別接地時，各個電阻通過零極母線接地電阻均可構成回路，從而產生電流，可以證明R1、R2、R3、R4、R5及R6上流過的電流就是支路漏電流傳感器測得的電流。各個電阻上的電壓又容易測得，因此可以計算出R1、R2、R3、R4、R5及R6等的電阻值，并判出接地所發生的極線。

（1）當R0、R30及R40分別接地時，因零極母線已經小電阻接地，無法測出漏電流并進行預警，但是對系統長期運行影響不大。

（2）當發生R1和R2同時接地、R5和R6同時接地，且直接接地或者接地電阻較小時，繼電保護裝置可以判出故障，直接跳閘，跳閘后無法測算饋出線接地電阻值。當發生R1和R2同時接地、R5和R6同時接地，接地電阻較大，且兩個接地點電阻值不相等時，可以測出漏電流，但是無法準確測出R1、R2或R5、R6接地電阻值，并判出對應接地極線。當發生R1和R2同時接地、R5和R6同時接地，接地電阻較大，且電阻值相等時，無漏電流，無法測出R1、R2或R5、R6接地電阻值，不會報警。但是這種完全同阻，且電阻值較大的接地情況出現的極少，屬于偶然事件。

圖4 直流絕緣異常類型示意圖

（3）當發生R3和R30同時接地、R4和R40同時接地，且直接接地或者接地電阻較小時，保護裝置可以判出故障，直接跳閘，跳閘后無法測算饋出線接地電阻值。當發生R3和R30同時接地、R4和R40同時接地，且接地電阻較大時，無論兩個接地點電阻值相等與否，可以測出漏電流，準確測出R3或R4接地電阻值，并判出對應接地極線。

第四，針對真雙極小電阻接地直流配電網絡，需要多臺直流絕緣監測儀共享信息，且一臺直流絕緣監測儀需要接入多個漏電流傳感器信息的特征，提出系統的通信組網與信息上送方式如圖5所示。多臺漏電流傳感器直流通過CAN網通信，完成信息共享；每臺直流絕緣監測儀接入漏電流傳感器時采用手拉手并接方式，為每臺漏電流傳感器提供12 V工作電源及RS232或RS485通信接入；直流絕緣監測系統對直流配電后臺監控系統通信采用RS485通信方式，采用MODBUS通信規約[5]。

3 結 論

本文針對給定的真雙極小電阻接地直流配電網主接線結構，提出配合直流絕緣監測使用的漏電流傳感器以及直流絕緣監測儀配置方案；基于自動識別配電網母線連接關系及運行方式，提出直流絕緣異常判別及告警邏輯；基于不同類型絕緣異常發生時漏電流變化特性，提出該直流絕緣監測系統可識別的絕緣異常類型；根據直流絕緣監測系統設備配置情況，提出直流絕緣監測儀配置方案及多臺直流絕緣監測儀的通信組網方式。該真雙極小電阻接地直流配電網直流絕緣監測系統及方法完全能夠滿足工程的實際需求，有較高的推廣應用價值。

圖5 直流絕緣監測系統通信組網示意圖