電容組模塊在絕緣監測校驗儀中作用的探討

符宏艷，劉 斌，王曉明

（廣西電網有限責任公司北海供電局，廣西 北海 536000）

直流系統作為二次系統的電源系統，其作用至關重要。對于直流系統來說，良好的絕緣性是保證直流系統安全、穩定運行的重要指標[1-2]。因此，在直流系統中，都配備有直流系統絕緣監測裝置對直流系統的絕緣進行實時監測。

絕緣監測裝置投入運行后，隨著時間的推移，其性能參數、準確度都有偏移，按照《變電站直流系統絕緣監測裝置技術規范》（Q/GDW 1969—2013）等要求[3]，需要專業的校驗設備，定期線下對其進行性能參數校準。

目前，許多校驗儀只能模擬直流系統的絕緣內阻環境，但是針對直流電源系統真實存在的對地分布電容卻沒有考慮，因此，本文從對地分布電容存在的實際出發，分析了校驗儀利用電容組模塊還原分布電容的合理性以及必要性，并給出了結構示意圖，為相關校驗儀的研發生產單位提供了一種思路。

1 直流系統對地分布電容的來源

在直流電源系統中，由于電路的分布特點造成的具有電容屬性的現象稱之為分布電容。分布電容主要包括設備的分布電容和電纜的分布電容。直流系統采用的是射形結構，接入直流的設備、元件以及電纜越來越多，這些設備、元件以及電纜的分布電容都并聯在了直流系統里。

1.1 設備的分布電容

目前，直流系統中保護設備多采用的是微機保護裝置，這些裝置電源基本上都是取自直流系統，但是這些微機設備所使用的都是采用DC/DC 模塊對取自直流系統的電壓進行轉換處理，轉換為裝置自身提供電源的5 V、12 V 或24 V等，由于DC/DC 開關電源模塊的電磁兼容（EMC）問題使得其在輸入段都有加EMI（Electro Magnetic Interference）抗干擾措施，而該項技術的特點就是在正對地和負對地之間接有電容，通過EMI 手段來消除噪聲源對開關電源及設備的影響，這些就形成了對地的分布電容。隨著電網電壓等級不斷提高，微機保護設備數量在不斷增多，疊加在直流系統上的對地分布電容就越來越大[1]。

1.2 電纜的分布電容

在電力、電網系統，變電站或電廠的保護及控制電纜一般使用的電纜為KVVP22 帶屏蔽層的多芯電纜，芯線橫截面積多為2.5 mm2，根據國家電網十八項反措要求，變電站內或電廠內的控制及信號電纜屏蔽層需通過4 mm2軟銅線在電纜兩端接地，因此，電纜對屏蔽層產生電容效應，形成了分布電容。另外，在多芯電纜內部，線芯與線芯之間也存在分布電容。4 芯電纜分布電容等效如圖1所示。

圖1 4 芯電纜分布電容等效圖

電纜與屏蔽層之間存在的分布電容為C1、C3、C5、C7，線芯之間的分布電容為C2、C4、C6、C8、C9、C10。線芯與屏蔽層的距離相等，因此C1=C3=C5=C7。

同理，根據線芯之間的距離相等原理，C2=C4=C6=C8，C9=C10。

7 芯電纜的分布電容等效如圖2所示，線芯與線芯之間的分布電容大小相等。

圖2 7 芯電纜分布電容等效圖

電纜在出廠時都滿足電纜對分布電容的要求，并且該分布電容很小，對直流系統來說可以忽略不計，但是，這些電纜經過長期的使用，因為所處環境變化的因素，使得電纜會有受潮、老化等現象，特別對于電廠來說，長距離的拉線，這一系列的因素造成直流系統分電容不斷加大。

2 直流系統絕緣監測裝置原理

目前，市場上的絕緣監測裝置的監測原理，主要采用兩種方法，即一種是直流差值法，另外一種則是交流低頻法[3]。

2.1 直流差值法

所謂直流差值法，即通過對直流電源系統各接地的支路電流不平衡度（漏電流）的測量，當發生直流接地時，通過漏電流的大小，定位接地故障支路的方法。由于直流漏電電流是小電流，監測設備一般采用非常精度、靈敏度高的直流漏電流傳感器進行監測。隨著霍爾傳感器、通用放大器等半導體技術的高速發展，直流漏電流的監測不再是難題[2]。直流系統支路漏電流監測基本原理如圖3所示。

圖3 直流小信號絕緣監測原理

圖3中，漏電流互感器加在支路的正負電纜上，由于正負電纜同時穿過漏電流互感器，正常無接地漏電情況，流過互感器的兩路電流大小相等極性相反，互感器感應到的疊加電流為零。當有電纜接地故障時候，互感器測出電流大小與極性與裝置的標準接地電阻接地的漏電流大小與極性對比，極性相同，確認接地線路的極性，大小如果超出標準接地電流，就確認該線路接地故障。

2.2 低頻交流法

用已知頻率和振幅的正弦交流低頻激勵信號產生的接地故障電流信號，通過信號接收器偵測接地故障支路的方法。正弦交流低頻激勵信號是由外部信號源注入的稱為交流低頻注入法，正弦交流低頻激勵信號是由交變檢測電阻產生 的稱為交流低頻變橋法。一種便攜式低頻交流法原理如圖4所示。

在直流系統負極端與地之間接入低頻信號發生器，輸入接地信號，如果直流系統絕緣正常，交流小信號不能形成回路，信號接收器在正負線纜上都測不到同頻交流小信號，如果存在接地漏電，接地電阻為R，那么交流小信號就通過R與地相通，信號源輸出形成回路，信號接收器感應到同頻信號，通過不同位置測試的信號差值大小，定位該支路存在接地故障。

圖4 交流注入法絕緣監測原理圖

2.3 分布電容對絕緣監測方法的影響

上述的直流差值法與低頻交流注入法兩種方法，其中分布電容對交流低頻法產生的影響較大，因為電容具有的隔直通交特性，當直流系統中的分布電容過大時，會對低頻交流信號產生濾波衰減現象，因此，在檢測過程中，如果處理不好就會造成檢測結果的差異較大。

3 絕緣監測裝置的校驗

3.1 絕緣監測裝置校驗簡介及必要性

絕緣監測裝置的校驗是通過專門校驗儀器對絕緣監測裝置進行性能參數進行檢測校正的行為。校驗儀通過標準電路模塊，模擬出直流系統中的各種接地故障，然后檢測絕緣監測裝置對故障檢測的正確性和準確性。

目前，很多校驗器只有標準電阻組模塊模擬接地，沒有標準電容組模塊模擬分布電容，而實際直流系統中或多或少都會存在一些分布電容，在模擬直流系統故障時就需要校驗儀能夠真實還原絕緣監測裝置運行環境，因此，校驗儀中需要加入電容模塊以滿足校驗的需求十分必要。

3.2 絕緣監測裝置校驗儀校驗原理

因為絕緣監測裝置的主要功能是對直流系統的絕緣情況進行實時監測[4]，因此，校驗儀的原理必須是能夠真實模擬出直流系統的各種絕緣情況，加有電容模塊電路的校驗儀的功能結構如圖5所示。

校驗儀主要功能模塊包括整流模塊（AC/DC）、隔離變壓器（AC/AC）、電阻陣列以及電容陣列。

整流模塊把交流電壓轉換為直流電壓，輸出的直流電壓模擬直流母線電壓；隔離的交流變壓器用于模擬交流竄入直流；電阻陣列和電容陣列連接在母線上，通過對電阻陣列和電容陣列的調控，可以模擬出直流系統的絕緣情況和分布電容，也可以把電阻陣列和電容陣列當做直流饋線支路進行相應的電阻、電容模擬。

如果校驗儀中加入了電容陣列，能夠把直流系統中分布電容的真實情況反映出來，這樣用絕緣監測裝置進行檢驗時才能模擬更加真實的運行環境。如果缺少電容陣列，無法真實還原系統分布電容情況，絕緣監測抗分布電容不合格，則勢必會造成絕緣監測裝置數據不準確，在直流系統的運行中埋下隱患。

圖5 絕緣監測裝置校驗儀功能結構圖

4 結束語

通過對直流系統中分布電容存在原因的理論探討分析，在直流電源系統中，分布電容的存在是不可忽略的一種現象，不同的直流系統中分布電容的大小不一樣，產生的影響也不一樣。同時由于絕緣監測裝置監測方法的不同，分布電容對監測結果也有影響。因此，為了確保絕緣裝置準確地監測出系統絕緣故障，必須對其做標準校驗，不僅僅對絕緣監測裝置進行電阻校驗，也要使用標準的校驗儀來模擬分布電容的實際直流系統運行環境，這樣校驗的數據才是全面、精確的。所以，校驗儀器加入電容模塊是非常合理的，也是十分必要的。絕緣裝置性能參數更加全面、準確，為保障直流電源系統的安全運行意義重大。