基于电桥原理的直流绝缘监察方式浅析

保定供电公司 田 亮 葛 飞



基于电桥原理的直流绝缘监察方式浅析

保定供电公司 田 亮 葛 飞

【摘要】本文分析了采用传统平衡电桥原理的直流绝缘监察技术及其存在的不足，并且对采用不平衡与平衡电桥原理相结合的方法来检测直流系统的绝缘状况进行说明，该方法不但可以有效解决对称和不对称的直流接地，同时可以在很大程度上提高直流绝缘检测的灵敏度，逐渐得到广泛应用。

【关键词】绝缘监察；平衡电桥；不平衡电桥

1 引言

发电厂和变电所直流操作电源系统在电气设备的操作控制和信号监视中有重要的作用，可为负载提供不间断电源，因其负载分布广，所处环境各异，可能会出现绝缘下降，甚至一点接地的现象。由于电力系统中直流操作系统采用对地绝缘运行方式，当发生一点接地时，无短路电流流过，熔断器不会熔断，所以可以继续运行，并不引起任何危害，但须及时处理。否则，当另一点接地时，直流电源输出正负母线就会同大地形成回路，可能引起信号回路、继电保护等不正确动作，甚至直流断路器跳闸或熔断器熔断，导致二次回路失去直流工作电源，因此，直流系统均需装设设绝缘监察装置。

绝缘监察实现的关键是直流绝缘电阻的测量。以往均采用平衡电桥方式，随着科技的发展，绝缘监察技术的实现原理和方式也得到了发展，采用不平衡与平衡电桥相结合原理来检测直流系统绝缘的方法得到应用。以下就此做简要论述。

2 基于平衡电桥原理直流绝缘监察技术

早期采用电桥平衡技术来检测接地故障，正常运行时，正负母线对地绝缘，绝缘电阻同直流电流继电器构成平衡电桥图（如图1）。当直流母线某一级的对地电阻下降到某一门槛值时，电桥失去平衡，有电流流过继电器检测电阻，当该电流达到整定值时继电器动作，绝缘监察装置发出接地报警信号[1]。

基于平衡电桥原理直流绝缘监察技术在实际应用中存在两个问题：

2.1 无法检测对称性接地故障及实现接地选线

根据电桥平衡原理，利用平衡电桥技术的绝缘监察装置只对非对称性接地灵敏度高，而无法检测对称性接地故障。例如正负母线同时接地时，平衡桥两侧绝缘电阻值同时下降且数值大小接近，则装置无法报警（如图1），存在无法区分正负母线究竟哪里接地以及无法测量接地电阻的弊端，导致装置拒动。

同时，平衡电桥原理的绝缘监察装置只能判断出直流系统整体的绝缘情况，不能判断出故障支路、无法实现接地选线功能。在发生绝缘故障时，运维人员只能采用拉路法逐一拉合各个支路确定接地支路。当变电站直流系统馈出支路较多时，该方法会费时费力，因此该原理只能适用于回路简单、馈线较少、对供电可靠性要求不高的直流系统。

图1　平衡电桥方式绝缘监测法对称直流接地

2.2 造成运行人员误判断

在绝缘检查装置运行过程中，运行人员判断直流系统对地绝缘是否下降的重要措施之一是观察正负母线对地压差。由于直流回路正负母线对地的绝缘电阻不可能无穷大，所以一般测出正负母线对地的电压等于正负母线压差的一半（1／2Ue）。可是在实际测量时，会发生正母线对地电压大于1／2Ue，而负母线对地电压小于1／2Ue的情况，从表面上分析这是由负母线绝缘电阻下降造成的，但实际上并非如此。

图2　测量时的等效电路

测量时等效电路如图2，其中Rl为正母线对地绝缘电阻，R2为负母线对地绝缘电阻。由图3分析，电压表接地N与正母线之间测正母线对地电压，电压表接地N与负母线之间测负母线对地电压。那么实际上电压表测得的正母线对地电压是R1上的端电压，负母线对地电压是R2上的端电压。如果R1、R2相差数量较大(例如Rl=70MΩ、R2=10 MΩ)，那么测量的负母线对地电压远小于正母线对地的电压，而实际绝缘水平没有下降[2]。

由此可见，若两极绝缘电阻相差较大，实际上任一级的绝缘水平并未低于允许值的情况下，也可能报警，使检测人员误认为绝缘水平下降。

3 基于平衡桥与不平衡桥结合原理直流绝缘监察技术

采用平衡电桥与不平衡电桥并用的检测方式与单纯采用平衡电桥技术的检测方式不同，其将后者的电流检测方式改为电压检测方式，可以有效检测对称性接地及非对称性直流接地故障，同时能够避免平衡桥不能检测对称性接地故障的问题。以其较高的灵敏度、不受电容分布影响的能力，结合漏电流传感器，在很大程度上增加了接地电阻检测的灵敏度，同时能够实现接地选线功能，因此逐渐成为市场上微机型直流接地巡检仪所应用的主要原理。

3.1 基本原理

图3　不平衡桥检测母线绝缘状况

图2为不平衡桥检测母线绝缘状况的原理，其中K+和K-为可控开关，R为绝缘检测电阻。当K+闭合K-断开时，测量正母线对地电压为u+；当K+断开K-闭合时，测量负母线对地电压为u-；若正负母线间电压为um，则可得式(1)：

由式(1)推导，可以得到式(2)：

可以根据式(2)所计算绝缘电阻的大小，对该母线绝缘情况进行判断，同时找到绝缘降低发生的极性。设定K+和K-为定时切换，因此对对称性接地故障同样有效，可以判断出两极绝缘同时均等下降情况，弥补了单纯采用平衡电桥测量绝缘电阻的不足。

利用不平衡桥检测母线绝缘状况，同时配合高灵敏度的非接触式直流漏电流传感器，可检测出任一分支正负导线的流入与流出电流差值的大小与方向，进而选出故障支路。其工作过程为：将同一个电流互感器同时套在馈线支路的正负极上，由于穿越漏电流器的直流分量大小相同、方向相反，两者差值为零，则漏电传感器输出为零。当发生支路绝缘降低故障时，等效电路如图4所示。

图4　单支路接地等效电路

按照图3，当K+闭合K-断开时，若分支电路负极绝缘电阻下降或接地，分支负极接地电阻为RZ-与正母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路，分支电路负极存在漏电流，穿越漏电流传感器的正极电流和负极电流之差为IZ-，如图4a所示。当K+断开K-闭合时，若分支电路正极绝缘电阻下降或接地，分支正极接地电阻为RZ+与负母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路，分支电路正极存在漏电流，穿越漏电流传感器的正极电流和负极电流之差为IZ+，如图4b所示。根据各支路的直流漏电传感器是否输出为0和输出电压的极性即可判断出该支路是否有接地故障和接地的极性[3]。

3.2 应用

在实际应用中，直流电源系统绝缘监测装置大多采用平衡桥与不平衡桥相结合的原理对母线绝缘状态进行监测，再结合直流漏电流传感器实现对分支故障进行检测[4]，可以实现接地故障选线功能[2]。

目前市场上已经有很多绝缘监察装置采用平衡桥与不平衡桥相结合的技术，例如河北创科公司生产的CKJDC型直流电源系统绝缘监测装置。采用该原理的绝缘检测装置在监测和选线过程中不向直流系统注入任何交流信号，正常时只有平衡桥工作，不平衡桥只有监测平衡接地时工作一次，并且不平衡桥启动时引起的母线对地电压波动低于正负5%，馈线支路绝缘监测采用直流霍尔传感器采集馈线支路漏电方式，受直流系统馈线回路对地分布电容影响很小。能够精确测量交流窜入电压值、母线电压、正负母线对地电压，准确计算出正负母线绝缘电阻、各馈线支路绝缘电阻，能够快速选出绝缘降低或接地故障的馈线支路，具有交流窜入告警功能，并能选出交流窜入故障支路，具有直流互窜告警功能，并能选出直流互窜支路。目前，保定南部地区220kV黄岸变电站、220kV富昌变电站等十余座变电站已开始采用该厂家同型号设备，可有效查找直流接地点，并在出线交流电压窜入后可敏捷告警并准确查找窜入支路。

4 结论

采用平衡桥与不平衡桥相结合原理的直流绝缘监察技术能够弥补单纯采用平衡桥技术的绝缘监察装置的不足，可以有效应对包括直流电源系统对称性接地故障在内的多种缺陷，能判定母线绝缘电阻下降的极性，也能确定母线的绝缘电阻值，与高灵敏度的直流传感器相结合能有效实现接地支路选线功能，尤其能够适用于监测范围大、馈出支路多的情况，因此得到广泛应用。

由于现场的直流电源系统绝缘降低或接地的情况十分复杂，受环境和设备使用情况等因素影响，直流绝缘监察技术在应用中逐渐进步。相信随着科学技术的不断发展，会得到更广泛的应用。

参考文献

[1]董明,魏秉政.变电站直流系统运行现状及存在问题分析[J].继电器,2006，34(3):82-84.

[2]李柱峰,柳容三.浅析电桥原理直流绝缘监察装置[J].延边大学学报(自然科学版),2002,28(1):75-76.

[3]黄海宏,全成,黄锦.基于差流检测法的分布式直流接地巡检系统[J].电子测量与仪器学报,2009,23(11):36-41．

[4]向小民,胡翔勇.直流系统绝缘监察装置[J].中国电力, 1999,32(8):38-39,50．

田亮（1988—），男，河北保定人，主要从事变电站交直流系统检修维护工作。

葛飞（1986—），男，河北保定人，主要从事变电站交直流系统检修维护工作。

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