直流系統絕緣監測裝置校驗技術探討

吳 強，萬信書，曾文江，徐世舟

（1.海南電網有限責任公司 電力科學研究院，海南 海口 570100；2.海南電網有限責任公司 輸變電檢修分公司，海南 儋州 571700；3.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東 廣州 511400）

1 概 述

電力系統二次設備電源采用直流電源供電，低壓直流系統中的電源設備是變電站/電廠內的重要設備[1]。低壓直流系統電源由充電機和蓄電池組構成，直流系統是可獨立于發動機的供電系統[2]。電力生產過程中二次用電負荷極為重要，對持續可靠供電的要求很高，因此直流系統的持續可靠是保障變電站安全運行的條件之一[3]。直流電源系統的可靠性直接關乎電力安全生產，為保障直流系統可靠運行、保證保護設備準確動作，直流系統設計為不接地系統；為監測直流系統絕緣故障，直流系統成套設備配備有絕緣在線監測裝置[4]。

2 絕緣監測裝置缺陷危害

隨著時間的推移，電子設備內部電子元器件會有輕微的老化。隨著這些內部元器件的老化，在進行絕緣監測時可能會出現絕緣裝置損壞，導致系統有接地不告警、直流系統對地電壓波動和偏移、兩極接地不能告警以及接地選線準確率低等問題[5]。同時由于缺少相關規范和標準，各廠家在設計時只考慮自身產品性能特點和抗干擾能力，忽略了對系統的綜合影響，這給電力系統的安全穩定運行帶來極大的隱患[6,7]。

2.1 老化導致互感器零點漂移

互感器是絕緣監測裝置的底層配件，是測量絕緣故障的基礎元件。互感器內部涉及大量電子元件，這些電子元件可以實現對互感器感應的微小信號進行放大。互感器長時間運行后，其中的電子元件會發生老化，這會使得電流互感器的輸出發生漂移[8]。互感器零點漂移如圖1所示。

圖1 互感器零點漂移

如圖1所示，假設#1支路的電流互感器發生零點漂移為-2 mA，#2支路的電流互感器檢測電流為+2 mA。當支路#2發生負極10 kΩ電阻接地時，#1支路存在因為零點漂移而產生的2 mA漏電流，而#2支路有正向零點漂移電流和反向接地漏電流，兩電流方向相反、相互抑制，影響測量計算結果。此時，絕緣裝置可能報#1支路接地、#2支路不接地，發生誤報接地故障支路、漏報接地故障支路的現象。

2.2 原理層面

2.2.1 漏電流原理

漏電流檢測是通過絕緣監測裝置平衡橋與接地回路構成有效電氣回路，監測各支路漏電流是否為零來判斷支路接地情況。當直流系統正負母線對地電壓變化時，測量各支路中漏電流來計算支路絕緣電阻。該原理存在不可區分環網形成的環流和接地電流的問題，同時在同一饋線支路兩極接地時形成的漏電流相互抑制，這導致互感器不能通過漏電流來選出故障支路。除此之外，裝置運行時間久后，CT會出零漂現象，導致選線誤差大。

2.2.2 變化漏電流原理

圖2 變化漏電流原理

這樣雖然解決了漏電流帶來的無法區分環流、無法監測兩極接地、交流干擾、零漂等問題，但為了保障電力系統安全，必須控制母線對地電壓波動幅值。

2.2.3 注入信號原理

注入信號在實際使用中容易引起設備誤動或干擾設備，檢測精度也會受到接地電容影響，不易被用戶接受。國家能源局25項反措規程中明確了新投入或改造后的直流電源系統絕緣監測裝置不應采用交流注入法測量直流電源系統絕緣狀態，故不做分析。

2.2.4 平衡橋原理

平衡橋電路原理如圖3所示。

圖3 平衡橋電路原理

以系統電壓為220 V為例，在單極接地計算過程中，其電壓、電阻之間的關系為：

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（1）當系統電壓為 220 V、R1=100 kΩ 時，假設此時正極恰好有個5 kΩ的電阻接地，代入公式計算電壓值為U+≈ 10 V、U-≈ 210 V。

（2）當系統電壓為 220 V、R1=10 kΩ，假設此時正極有個5 kΩ的電阻接地，代入公式計算電壓值為U+≈55 V、U-≈165 V。此時通過R1的電流變為約 17 mA。

（3）當系統發生兩極接地時，系統原理圖如圖4所示。因為有兩個未知數，所以求不出兩極接地的電阻。

圖4 兩極接地

綜上所述，平衡橋原理設備平衡橋過大會導致電壓偏移量大，平衡橋過小限流作用消弱。

2.2.5 乒乓橋原理

乒乓橋原理電路如圖5所示。

圖5 乒乓橋電路

當系統母線電壓為 232 V、R1=100 kΩ、R2=100 kΩ時，此時分別閉合k1和k2可以計算出R3和R4的阻值。假設算出的R3=R4=200 kΩ，當k1閉合時，根據公式（1）得出U+=58 V、U-=174 V；當k2閉合時，根據公式（1）得出U-=58 V、U+=174 V，這樣雖然可以計算出兩極接地的電阻，但是電壓波動大。

2.2.6 平衡橋加檢測橋原理

平衡橋加檢測測橋原理如圖6所示。

圖6 平衡橋加檢測橋原理圖

假設系統電壓為 220 V、R1=80 kΩ、R2=120 kΩ，當 k1閉合時，根據公式（1）得出 V-=175.12 V，V+=4.8V；當K2閉合時，根據公式（1）得出U+=67.35 V、U-=152.65 V。

綜上所述，絕緣裝置隨著運行時間推移可能發生零點漂移問題，因此有必要開展絕緣監測裝置校驗工作。

3 在線校驗絕緣監測裝置方法

3.1 傳統方法

在電站進行在線絕緣監測裝置檢測時，傳統方法只能簡單的在系統某一支路通過電阻做一個正極或者負極接地處理。在這里以負極接地為例進行說明，大致電路如圖7所示。

圖7 負極接地

通過在某個饋線支路將電阻接入負極來模擬負極接地，監測系統能否正常告警，并計算出接地電阻阻值[9]。

3.2 絕緣監測裝置新校驗方法

通過上面的論述，在傳統在線校驗絕緣監測裝置方法的基礎上設計一款輕便且適用于班組在現場進行絕緣監測裝置檢驗的校驗儀。因為這是專為一線班組工作需求設計，所以體積和重量是考慮第一因素。

使用2個110 V、1 A開關電源模擬直流系統電源，可模擬110 V和220 V兩種電壓等級，通過開關k1、k2以及k3控制輸出，其中k1和k2控制進行互鎖設計。絕緣電阻設計有5 kΩ、10 kΩ、15 kΩ、25 kΩ、30 kΩ、50 kΩ、80 kΩ、100 kΩ 以及 150 kΩ。設計 1 uF、4 uF 和 10 uF 這 3個電容，校驗絕緣檢測裝置選線時分布電容抗干擾能力。設計交流故障源，校驗絕緣檢測裝置檢測交流接地功能。設計一對20 kΩ電阻的平衡橋，這個平衡橋可以臨時監測直流系統絕緣裝置。通過這樣的設計使得校驗儀實現模擬各種電阻性接地功能、模擬支路分布電容干擾功能、模擬交流竄電故障功能、評估絕緣檢測裝置平衡橋電阻功能以及模擬瞬時接地功能[10]。

4 絕緣監測裝置校驗儀設計

裝置架構如圖8所示。

圖8 裝置架構

電源負責給各電路模塊供電。4路直流電流采集模塊分別采集校驗儀輸出母線的對地電壓、平衡橋對地電壓等，依據平衡橋電壓進行壓差告警。交流電壓采集模塊是采集校驗儀母線對地交流電源。非控制負載一頭接地線測試孔、一頭接負載試驗測試孔。平衡橋設計兩電阻，引出測試孔。

電壓采樣電路電路原理如圖9所示。

圖9 電壓采樣電路

交流信號經過電阻分壓，再經過濾波器進行濾波處理。完成濾波的信號經過隔離放大，再經過運算放大器放大，最后通過濾波器濾波，進入AD轉換芯片進行采樣。

電源控制原理如圖10所示。

圖10 電源控制流程

班組校驗儀主要為班組現場校驗絕緣監測裝置，應用操作如圖11所示。臨時監測接入直流系統（“+”接直流系統+KM、“-”接直流系統-KM），運行絕緣監測裝置接入校驗儀直流電源，模擬故障負荷通過跳線繞過絕緣監測裝置CT后接回校驗儀母線。

圖11 引用接線

現場試驗項目：一是單極一點接地試驗，能夠試驗多種接地電阻；二是單極多點接地試驗，將2個及以上電阻同時接入正極或者負極進行試驗；三是兩極接地試驗，在正極和負極同時接入電阻進行試驗；四是一點接地電容干擾選線試驗，在模擬直流接地故障時同時使用跳線接通電容繞過CT進行試驗；五是交流接地試驗，通過模擬不同電壓流入直流系統來試驗；六是臨時監測直流系統絕緣故障，在絕緣監測裝置退出直流系統進行校驗期間承擔直流系統絕故障監測功能，發生絕緣故障引起電壓偏差時進行告警。

5 結 論

本文論述了一種有效的現場開展絕緣監測裝置校驗方法，并設計一種應用于現場校驗絕緣裝置的校驗儀，供電力生產一線維護人員檢修絕緣監測裝置使用，有效解決了絕緣監測裝置定檢工作難題，為電力安全生產提供幫助。