直流系統絕緣監測方法研究與分析

永煤供電分公司 任瑞勝

直流系統是發電廠和變電站中重要組成部分，主要是為信號裝置、控制裝置、保護裝置等提供直流電源，直流系統工作狀況的好壞直接影響電力系統的可靠、連續、穩定運行。直流接地是直流系統的常見故障，可能造成信號裝置、控制裝置、保護裝置的誤動或者拒動，所以有必要對直流系統進行長期在線的絕緣監測。

1 直流接地的影響

在發電廠、變電站中，直流接地故障多為直流系統出現某一點與地短接或對地絕緣電阻下降，一極一點接地并不會立即引起任何危害，但一極接地長時間工作是不允許的，因為在同一極的另一點再發生接地時，會造成下文所述嚴重危害。

1.1 造成信號裝置、繼電保護和斷路器的誤動和拒動

直流系統中，如果發生一點接地后，在同一的另一地點再發生接地或另極點接地時，便構成兩點接地短路，將造成信號裝置、繼電保護和斷路器的誤作。如圖1所示。

圖1 斷路器控制原理圖

當直流接地發生在圖1中1和7兩點時，斷路器會出現誤合閘，當直流接地發生在圖1中1和37兩點時，斷路器會出現誤分閘，當直流接地發生在圖1中2和7或2和37兩點時，這時若保護動作，斷路器會出現拒絕合閘或分閘的情況，以致發生嚴重事故。

由于直流系統故障接地會造成諸多危害，當直流系統一點接地時，就必須迅速尋找，盡快消除接地故障，防止發生兩點接地。為此各發電廠、變電站的直流系統均需配備直流絕緣監測裝置，實時巡檢直流系統的絕緣并找到接地點的位置，迅速消除故障。

1.2 直流系統絕緣檢測原理的現狀

1.2.1 正負母線接地檢測方法

衡電橋法如圖2所示。

圖2 平衡電橋法原理圖

其中，R1、R2為直流系統接地電阻；R為絕緣監測儀的平衡橋電阻。一端分別接于直流系統正負母線，另一端接地的兩個阻值相同的電阻，平衡橋上的兩個電阻用于維持直流系統正負母線對地電壓相等[2]。

當直流系統無接地時，+KM和-KM對地電壓，分別為+1/2UKM和-1/2UKM，其中UKM為母線電壓。當直流系統接地時，如+KM接地，即系統中存在R1，+KM對地電阻為R//R1，-KM對地電阻為R，電橋失去平衡+KM對地。電壓變為：

R//R1

R//R1+R

UKM，可判定系統接地。但當R1=R2時，即平衡接地，此時由R、R1、R2組成的電橋保持平衡，所以平衡電橋無法判定系統平衡接地。

非平衡電橋法如圖3所示。

圖3 非平衡電橋法原理圖

圖3中兩個檢測橋電阻R：一端通過開關器件分別接于直流系統正負母線，另一端接地的兩個阻值相同的電阻。當測量直流系統正負母線對地絕緣電阻時，通過檢測橋上開關器件的導通或斷開使橋臂上的電阻接入或退出直流系統，導致正負母線對地電壓產生波動。R不是固定接地，而是通過電子開關分時接地，R1、R2為直流系統接地電阻。

當+KM投入R時，得：

[(U+KM1)/(R1//R)]=[(U-KM1)/R2]

其中U+KM1、U-KM1分別為+KM投入R時測得的+KM、-KM對地電壓。

當-KM投入R時，得：

[(U+KM2)/R1]=[(U-KM2)/(R2//R)]

其中U+KM2、U-KM2分別為-KM投入R時測得的+KM、-KM對地電壓，解以上兩方程，即可求出接地電阻R1和R2。

非平衡橋在采用時，母線的對地電壓存在周期性的變化，該直流系統如果存在較大的對地電容，那么絕緣監測儀檢測母線絕緣的準確性就會受到對地電容周期性充放電的影響。因此，為了母線對地電壓在電容充放電時絕緣監測儀不檢測，只在放充電完成后檢測，因此在直流接地儀內將蓄電池巡檢速度減慢，通過此舉就提高了檢測的準確性。

兩種檢測方法性能對比。平衡電橋法。優點：一是平衡電橋法是靜態測量方法的一種，即測量負、正母線對地靜態的直流電壓，因此測量精度不受母線對地電容大小的影響；二是因為不受接地電容影響，檢測速度快。缺點：一是測量誤差因雙端接地導致較大；二是平衡接地不能檢測；三是平衡電橋是拿標準電阻與待測電阻比較，通過調節使電橋達到平衡，待測電阻值從而測得，如雙臂直流電橋又稱開爾文電橋、單臂直流電橋又稱惠斯登電橋。兩種電橋只能測量相對穩態的物理量。

不平衡電橋法。優點：均能準確檢測任何接地方式，在科學試驗和實際工程中，許多物理量是持續變化的，只有非平衡電橋才能測量；非平衡電橋的基本原理是采用橋式電路進行電阻測量，且依據電橋正向輸出的不平衡電壓，隨后進行運算處理，從而獲取使電阻大小變化的物理量。缺點：一是在測量中，電阻需要負正母線分別對地投，因而母線對地電壓是變化的。為了獲得較為精確的測量結果，每次投電阻后要延時，要等到母線對地電壓穩定時，才可以測量，檢測速度相對于平衡電橋法要慢；二是母線對地電容影響較大。

1.2.2 支路對地絕緣電阻檢測方法

交流法如圖4所示。

圖4 交流法測絕緣電阻原理圖

使用交流無源CT，交流信號需由母線注入，當接地現象出現時，交流CT即可檢測到不平衡電流（漏電流）。優點：成本低，CT結構相對簡單。缺點：一是交流信號需由母線注入；二是測量精度受接地電容影響；三是接地母線的極性不能被識別；四是雙端接地時，測量值為Rx//Ry。

直流法如圖5所示。

圖5 直流法測絕緣電阻原理圖

采用直流有源CT，交流信號不需注入。當出現接地時，直流CT將直流泄漏電流變換為4～20mA或0～5V的電信號。優點：一是交流信號無需由母線注入；二是接地電容對其影響小；三是能識別接地母線的極性；四是能測量雙端接地。缺點：一是成本高于交流CT；二是環境溫度和工作電壓的波動影響測量精度。

2 采取的改進措施

針對直流母線絕緣監測平衡橋和不平衡橋測量方法的不足，采用了深圳奧特迅公司生產的直流絕緣監測系統，母線檢測方式有平衡橋和非平衡橋人為進行設定，也可以設定為自動檢測方式，裝置可以根據系統對地分布電容的影響自動選擇檢測方式，支路檢測采用直流法。

針對支路絕緣在高阻狀態下不能正確顯示的不足，與廠家協商溝通，對關鍵元件和軟件進行升級，漏電流傳感器采用型號為：CT5000L該傳感器具有高精度、高線性度、高集成度、體積小結構簡單、長期工作穩定且適應各種環境的特點；將單片機內置A/D升級為外置A/D，單片機外置A/D轉換是單片機通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉換電路進行A/D轉換，外圍電路相對復雜。單片機將轉換結果通過一定的時序讀取到單片機中，可以實現高精度的A/D轉換（可以達到14位、16位、22位甚至更高），原理如圖6所示。

圖6 外置模數轉換電路圖

每段直流母線裝設1套絕緣監測裝置。當直流母線絕緣電阻低于規定值時，須能報出聲光報警信號，絕緣監測裝置儀表以測出負、正極母線對地的絕緣電阻值和電壓值。當直流電源絕緣電阻低于規定限值時，即110V直流電源系統絕緣電阻小于220V或50KΩ，直流電源絕緣電阻小于100KΩ時，需能及時報出告警信號。

通過模擬電阻（小于50KΩ）分別對負、正母線接地進行試驗，直流母線的絕緣狀況可以通過絕緣監測裝置正確對其監測，在顯示屏上顯示負、正母線的對地電阻和電壓，發出音響報警并彈出相應畫面。測量母線對地電阻精度不大于5%。

在支路接地上通過模擬電阻（小于50KΩ）分別對正、負極做接地試驗，直流母線的絕緣狀況能夠通過絕緣監測裝置正確對其進行監測，在顯示屏上顯示負、正母線的對地電阻和電壓，發出音響報警并彈出相應的畫面，通過裝置的有關提示即可找出接地的支路接地電阻及支路號。測量支路對地電阻精度不大于10%。

在母線和支路上通過模擬電阻（100KΩ、200KΩ、300KΩ、500KΩ、700KΩ、900KΩ）。分別對正、負極做接地試驗，絕緣監測裝置能夠正確對直流母線的絕緣狀況進行監測，在屏幕上顯示正、負母線的對地電壓和電阻，小于200KΩ測量精度≤10%。大于200KΩ測量精度≤25%，滿足規程標準。

3 結語

本文介紹的絕緣監測方法在實際應用中取得了較好效果，不僅能夠解決正負母線絕緣同時下降的問題，還能實時監測并顯示支路絕緣在高阻下的絕緣值，運維人員可以及早發現絕緣下降原因并及時處理，從而將故障消滅于萌芽階段，為電力系統安全、連續、穩定運行保駕護航。