直流母线接地绝缘检测方法研究

刘冰洁

(国网四川省电力公司眉山供电公司，四川 眉山 620000)

1 直流母线绝缘监测方法分析

发电厂和变电站的直流系统为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠稳定的不间断电源，它还为断路器的分、合闸提供操作电源。由于直流系统网络连接比较复杂，容易发生直流接地。当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使继电保护发生误动、拒动，危害电网的安全[1]。

直流母线绝缘监测是电力设备监测和故障诊断研究的重要方向，随着多年的研究，已经出现了很多方法。传统的直流系统绝缘检测装置采用的是电桥平衡原理[2]，优点是实现简单，不足之处是当正负极绝缘电阻同时下降时，电桥仍然维持平衡，无法做出正确地判断。为了克服平衡电桥法的一些缺点，又提出了不平衡电桥法。直流法的缺点是只能检测出整个直流系统的绝缘状况和正负极的绝缘电阻，而不能精确定位发生绝缘故障的直流支路。

为了对故障定位，需通过检测支路漏电流来判断接地支路[3]。从检测信号类型可以分为直流型和交流型。交流型在检测时需要向直流系统注入低幅值的低频交流信号，用毫安级的交流互感器检测每条支路的交流漏电流，这种方法的缺陷是无法排除分布电容的干扰, 并且会加大直流系统的纹波系数。

为了减少分布电容的影响，又提出了变频检测法，原理是向直流系统交替注入幅值相同、频率不同的小交流信号。当直流母线发生接地故障时，两个不同频率电流的比值大于正常情况下两个不同频率电流比值, 从而检测出发生故障的直流支路。直流型是用电桥平衡和不平衡相结合的原理检测母线对地状态，通过直流电流传感器检测支路漏电流来判断发生故障的接地支路，优点是不受分布电容的影响。

各种直流母线绝缘监测方法各有优缺点。为了不影响直流母线的正常运行，并且能准确检测到发生故障的直流支路，本文设计一种直流母线绝缘综合监测方法。在正常运行时，通过不平衡电桥法监测直流正负母线电压，通过电压的变化判断是否发生绝缘故障。当发生绝缘故障时，首先用不平衡电桥电路测出正负母线的绝缘电阻，然后通过放大故障电流，利用直流泄漏传感器实现对直流故障支路的定位判断。

2 母线电压和绝缘电阻的测量

基于不平衡电桥原理，在本系统中通过在正负母线接入相关电阻，在此基础上分别测量直流正负母线对地电压并进行计算得出准确的接地电阻，其原理如图1所示。

图1 电压表测对地电压

图1中，R+、R-是直流系统正负对地电阻，Rv是不平衡电阻。当Rv已知时，通过测量控制母线电压U、正对地电压U+和负对地电压U-计算得出直流系统对地电阻的准确数值。

从图1中可以看出，测正对地电压时，电压与电阻的关系有：

(1)

测负对地电压时，电压与电阻的关系有：

(2)

联立解得正对地电阻和负对地电阻的计算公式：

(3)

(4)

由此可见，利用已知的不平衡电阻Rv，通过对不平衡电阻接入过程中母线电压U、正对地电压U+和负对地电压U-的测量，利用计算公式得出绝缘电阻。此外，通过对正对地电压U+和负对地电压U-连续的测量，还可以实现对直流电压纹波系数的测量。

实际运行中由于对地电阻R+、R-不同将发生对地电压的不确定性，如当直流系统R+为100 kΩ，R-为1 000 kΩ时负对地的电压将高达母线电压的90%，不利于设备的安全运行。装置内部正对地和负对地连接几十千欧的采样电阻，还保证直流系统绝缘正常时正负对地电压基本对称。这个采样接地电阻的阻值越小，正负对地电压越平衡，但同时要满足安全上的需要也不能太小，一般均在10～150 kΩ。

3 故障支路定位原理

故障支路定位采用直流电流差原理来实现，其原理如图2所示。测量原理是：将直流供电的正负导线通过直流泄漏传感器，当正负直流导线绝缘正常时由于正负二根导线内电流相等方向相反，根据电磁感应原理其合成磁通等于零，在电流互感器二次侧感应电流为零，当发生正或负发生一点接地时将有电流通过接地点，使得在直流互感器中流进和流出的电流不相等，产生电流差，其产生的合成磁通不等于零，此时在电流互感器的二次侧感应出电流，从而实现对绝缘漏电流的测量。

图2 直流CT示意图

在整个漏电流传感器测量电路中，其电流检测敏感部件是一个磁芯线圈，将被测支路馈电电线从线圈的中心穿过。当某个馈电支路直流回路中的合成直流电流变化△I时(所产生的磁通量变化为△φ，同时线圈电感变化为△L)，则引起由磁芯线圈组成的振荡电路的振荡频率就会改变△f。

由此可见，通过检测出振荡频率的变化量，就可计算出相应线圈中流过的合成直流电流值大小。根据电磁感应理论，有下列两个关系式成立：

(5)

式中 Δφ——穿过线圈的合成电流产生的磁通，Wb；μ——铁心磁导率，H/m；N——线圈匝数；ΔI——合成直流电流值(即漏电流值)；a——线圈铁心环形管的横截面半径，m；R——环形铁心的平面半径，m。

LX=L0+ΔLX

(6)

式中LX——线圈总电感，H；L0——线圈自感(即△I为零时的电感值)，H；ΔLX——△I引起的线圈电感变化量，H。

在方波发生电路中采用文氏振荡电路，由电路的原理可知，其振荡频率的表达式为

(7)

式中f——振荡频率，Hz；R——桥臂电阻，Ω；C——桥臂电容，F。

由表达式可以看出，振荡频率与电感量成非线性关系。但当式中2R2C/LX非常小时，则整个等式可简化为

(8)

由于振荡频率与电感量成线性关系。因此，可通过对R，C参数的选择，在一定的测量范围内，实现通过测量振荡频率来实现对微小电流的测量，并保持一定的测量精度(<5%)。

4 直流漏电流传感器测试及分析

为了了解整个直流母线接地绝缘检测系统的测试效果，对整个系统进行了测量，测量的结果如表1和表2所示。

从表1正负母线対地绝缘电阻测量值可以看出，系统在测量正负母线对地电阻值时，能够实现对电阻的精确测量，测量误差小于2%。从表2的泄漏电流测量值可以看出，系统能够实现对小于5 mA的泄漏电流测量(测量精度优于5%)，由此可见，在进行泄漏电流放大测量过程中，不会造成对系统的误动作。

表1 正负母线绝缘电阻测量值

表2 直流泄漏电流测量值

5 结语

通过对直流母线接地绝缘检测方法的研究，可以看出系统能够实现对正负母线对地电阻和故障支路泄漏电流的精确测量，在此基础上，可以得出如下结论。

(1)利用不平衡电桥方法，通过对正负母线对地电阻变化过程中正负母线对地电压的测量，通过相关的计算可实现对正负母线对地电阻的测量；

(2)采用不平衡电桥法克服了传统平衡电桥法无法实现对正负母线绝缘同时下降的检测和判断；

(3)采用直流差法对直流泄漏电流进行了测量。该方法可以实现对微小泄漏电流的测量，同时结合泄漏电流放大电路可以实现对故障支路的精确定位。

参考文献：

[1] 施慧，贾秀芳.对现有检测直流系统接地故障几种方法的比较[J]. 东北电力技术，1999(9)：48-50.

[2]张毅，张泉，李永丽.直流系统接地检测[J]. 电力系统及其自动化学报,2005，17(1): 27-30.

ZHANG Yi, ZHANG Quan, LI Yongli. Ground fault detection for DC system[J]. Proceedings of the CSU-EPSA,2005,17(1):27-30.

[3]苏义鑫，刘林伟.平衡电阻法监测直流系统绝缘[J].电力系统自动化。2003,27(14)：65-68.

SU Yixin, LIU Linwei. Monitoring and detecting of dc system insulation by balance resistance method[J]. Automation of Electric Power Systems, 2003,27(14):65-68.