直流系统绝缘监测的原理和应用

2018-09-23廖革文

通信电源技术 2018年7期

廖革文

（维谛技术有限公司，广东深圳518043）

0 引言

在传统的电力系统二次回路中，一般采用200 V／110 V直流电源系统作为供电回路，为了保证二次回路供电的高可靠性，避免因为单端绝缘下降而导致另外一端接地造成直流母线短路的故障发生；同时也为了避免因为单端绝缘下降和接地后，另外一端对地形成有效的高直流电压而触电，直流电源系统的正负母线对地绝缘监测变得十分重要。

随着数据中心的爆发式增长和高压直流电源（HVDC）系统在数据中心的广泛应用，从数据中心供电安全和使用维护的安全角度来看，对HVDC电源系统的正负母线绝缘监测十分重要。

本文从绝缘监测的基本原理入手，对常见直流电源系统中使用绝缘监测的场景进行应用分析，对常见绝缘监测的有关应用误区加以说明，确保绝缘监测在直流电源系统中的正确应用。

1 直流系统绝缘监测的基本原理

在常见的直流电源供电系统中，一般都是交流电源通过整流器变换为直流电源输出。为了保证直流电源系统的供电安全，避免对地形成参考电压，一般直流电源系统均会设计为正负母线对地悬浮，这一点有别于交流电源某些制式下的零线接地和－48／＋24 V直流通信电源系统。

直流电源系统的绝缘监测包括了直流母线的绝缘监测和各个负载支路的绝缘监测，一般来说，在实际应用中，母线监测和支路监测会采取不同的监测原理，两者结合，组成整个直流电源系统的绝缘监测。

1.1 直流母线的绝缘监测原理

母线的绝缘监测基本原理是测量母线正负极对地之间的绝缘电阻，而带电体的电阻不宜直接测量，因而母线对地绝缘电阻常用在正负母线之间投切采样电阻，采样不同投切电阻和绝缘电阻形成不同的对地直流电压，通过测量不同状态下的正负母线对地电压，间接计算出母线的对地绝缘电阻。

图1 母线绝缘监测原理

如图1所示，R＋和R－分别是正负母线对地的等效绝缘电阻，224 k与226 k电阻分别为正负母线对地的平衡电阻，这两个电阻在正常情况下起到平衡母线对地电压的作用，不至于使得母线由于对地绝缘电阻过大而导致对地电压不稳定。K1～K4投切的几组电阻分别在不同情况下使得测量正负母线电压不同，以便计算出对地的绝缘电阻。

所有开关断开时，分别测量正负母线的对地电压U1，U2，得到以下关于R＋，R－的方程：

将K1开关闭合，分别测量正负母线的对地电压U’1和U’2，得到以下关于R＋，R－的方程：

式（1），（2）为一个关于R＋和R－的二元方程组，通过求解即可算出R＋和R－的值。

在实际应用中，考虑正负母线绝缘电阻等值下降等因素，设置多个投切开关K2，K3，K4等，以便计算在不同工况下的母线对地绝缘电阻。

当正负母线的对地绝缘电阻值低于设定的告警阀值的时候，绝缘监测装置给出绝缘下降的告警，一般情况下，告警阀值和母线电压相关，比如常见的220 V直流电源系统，这个告警值一般设置在25 kΩ左右。

1.2 直流支路的绝缘监测原理

为了准确判断直流电源系统的绝缘下降故障点，一般通过对电源系统的支路输出进行漏电流检测，根据漏电流的大小来判断对应的绝缘电阻的大小，给出支路绝缘故障的告警。支路绝缘监测一般有交流小信号和直流小信号检测两种方式。

交流小信号的检测通过对直流母线和地之间馈入一个低频小信号（1 Hz左右），然后通过支路互感器监测这个小信号对地的漏电流，从而计算出绝缘电阻的大小。其基本原理如图2所示。

图2 交流小信号绝缘监测原理

交流小信号检测采用交流信号检测，为了避免线缆分布电容，母线连接设备等对地电容会对测量结果产生很大的误差，要设置一些复杂的补偿电路或者在计算中采用复杂的算法，同时，由于直流母线对地馈入了交流小信号，使得结构复杂，现在已经很少使用。

目前通用的支路绝缘检测一般采用直流漏电流传感器进行监测，这得益于霍尔传感器、通用放大器等半导体技术的高速发展。直流漏电流监测基本原理如图3。

图3 直流小信号绝缘监测原理

如图3所示，正负极性的电缆同时穿过漏电流传感器，在没有绝缘下降的情况下，正负极电缆通过的直流电流大小相等，方向相反，这样在直流互感器上不会产生感应信号；当有一极发生绝缘下降的时候，通过正负极的电流便不会再相等，这时互感器感应出这个电流差的信号，从而与两个30 kΩ电阻，K3，K4控制的校正电阻计算的漏电流相比较，超出告警阀值时给出支路的告警。

在实际应用中，为了提高测量进度，支路互感器除了设定标准的基准电阻以外，还会采用一些基准的漏电流校准技术来提高测量的进度。直流漏电流检测技术具有结构简单，监测精度相对较高，维护相对方便的特点，在当今电力电源和数据中心HVDC中得到广泛的应用。

1.3 通用绝缘监测仪器的基本原理

通用绝缘监测仪器一般把母线绝缘监测和支路检测组合起来，同时考虑在不同应用场景下，设置比较完整的监测逻辑，应用于直流电源系统中。

一般情况下，母线的绝缘监测一直在线，可以通过母线电压偏移（单端绝缘电阻下降直接反映母线对地电压偏移上）或者母线对地绝缘电阻下降来触发支路检测。一般情况下，支路监测处于待机状态。只有在母线绝缘异常的情况下，才会启动每一个支路的绝缘巡检，找到对应的绝缘故障支路。通用绝缘监测仪的原理框图如图4所示。

图4 绝缘监测仪原理框图

2 常见直流系统的绝缘监测应用场景

2.1 电力操作电源的绝缘监测应用

电力操作电源是直流电源系统中应用绝缘监测仪的主要场景，在电网的变电站和电厂中均有应用，如今在越来越多的用户变电站也有广泛应用。在电力系统中，由直流电源系统到负载设备端一般有比较远的距离，除了大部分直流输出线路在室内走线，也有一部分在室外走线，特别在电厂应用中，负载多而杂，因此线路的绝缘监测十分重要，一般情况下，电力操作电源系统均需要配置绝缘监测仪设备，以提高电站系统的安全。在一些小型的用户变电站中，由于供电输出支路比较少，一般仅对母线做绝缘监测。

2.2 数据中心高压直流电源的绝缘监测应用

近年来，随着数据中心建设的爆炸式增长，一些新型数据中心采用HVDC直流电源系统来作为服务器的供电系统。为了保证数据中心的运行安全和维护安全，绝大多数数据中心也配备了直流母线的绝缘监测装置。在数据中心应用中，具有输出支路多，全部在室内运行的特点。同时，由于数据中心的场地面积大，直流电源系统数量庞大，服务器供电相对独立，相互之间的影响比较小。当时对于一些有直流母线并联的情况下，如两套直流电源并联运行，不宜采用多绝缘主机或者交流小信号的支路检测方式，因为母线并联时可能因为母线监测的相互干扰，小信号的相互干扰而无法正常监测绝缘情况，甚至频频发生误告警。

2.3 其他应用

在移动通信网中，为了应对恶劣的偏远地区供电环境，会采用高压直流电源的远供技术来给远端的RRU或者直放站供电，由于电缆和光纤一起在野外走线，为了保护人身安全，一般也会给高压直流设备提供绝缘监测，这类场景下，基本只需要对用户住处直流母线进行绝缘监测即可。

3 绝缘监测的使用和维护注意事项

从原理上来看，绝缘监测仪的原理相对比较简单，但是在实际使用和维护过程中，需注意如下几方面。

3.1 绝缘下降和接地

接地是绝缘下降的一种极端情况，也就是绝缘电阻下降到几个欧姆以下时，就直接表现为接地故障。一般情况下，绝缘下降故障是一个缓慢发生的过程，而接地一般会是短时间内形成的故障。在日常维护过程中，有必要对母线绝缘电阻、重要支路的绝缘电阻做一个长期的监测，通过判断绝缘电阻变化的趋势，来预测绝缘发生的故障，杜绝绝缘故障导致的生产和人身安全隐患。也期望绝缘监测的监控系统能够加入类似的智能趋势判断功能，实现绝缘监测的智能化。

3.2 绝缘下降故障点的判断

实际上，由于线路分布、线路端子对地、母线上连接的所有设备内部对地的绝缘电阻等会形成对地的绝缘电阻，这些电阻对地均可简化为并联形式，任何一点的绝缘下降均会导致绝缘故障。因此，在实际绝缘故障发生时，除了支路绝缘故障报警以外，还需要关注支路监测以外的绝缘端子、连接到母排上的任意设备、蓄电池组等。图5显示了直流系统中常见与绝缘监测相关的设备，用排除法逐步排查可能发生绝缘的地方；笔者就曾经遇到过母排绝缘端子击穿、蓄电池漏液导致母线绝缘下降而支路无告警的故障。

图5 直流系统常见接地故障点

3.3 支路绝缘故障与母线绝缘故障

所有支路的绝缘电阻并联在一起形成了正负极对地的等效电阻，这个等效电阻就是母线监测测量到的母线对地电阻。一般来说，这个等效的对地绝缘电阻要小于每一个支路的对地绝缘电阻。因而在实际应用中，母线的绝缘告警阀值要适当低于支路的告警阀值，否则容易出现母线绝缘下降告警，但是支路却无法检测到的情况。建议在选用绝缘监测装置时，应该选择每个支路绝缘电阻都可以测量显示的仪器，方便故障的判别。

3.4 母线电压偏移大小与绝缘电阻的关系

在绝缘监测的实际维护过程中，维护人员会通过测量正负母线对地的电压来判断母线绝缘是否异常，这是一个简易的办法，但是也有一定的局限性。首先，如果母线存在平衡电阻的情况下，除了能够明显排除正负母线等值绝缘下降，这种方法基本可行，但是不能测量到具体的母线绝缘值降到多少；其次，在没有平衡电阻的情况下，用测量内阻高的电压表（如数字万用表等）来测量这个母线对地的悬浮电压，会有比较大的测量误差，测量值基本没有任何参考意义。

3.5 母线测量时导致正负母线对地电压的波动影响

在实际的绝缘监测仪中，为了应对各种不同的工况，提高测量精度，如图1原理中所示，会采用多种不同阻值的电阻进行对地的切换，以保证测量精度，这样就会带来影响，在正负母线不同电阻切换时，会形成正负母线对地电压的波动，影响到设备的正常运行。实际上这种担心是不必要的：首先，任何负载设备在设计时，不会因为正负母线对地电压的波动而受到供电的影响，因为负载设备仅仅接受正负母线之间的电压，而这个电压基本是维持不变的；其次，由于投切电阻的阻值在几十到几百kΩ，虽然电压有波动，但是不会使得电流有很大的偏移，因而一般不会对负载设备造成严重影响。