直流系统不设平衡电桥时测量电压波动分析研究

陈华泰

摘 要：为了检测直流电源系统正负极对地绝缘电阻，直流系统传统的绝缘监测装置内设平衡电桥和检测电桥，一般来讲，平衡电桥具有两个作用，其一为实现绝缘监测基本功能，配合检测电桥改变正极对地电压和负极对地电压，从而间接计算正极对地绝缘电阻和负极对地绝缘电阻；其二为平衡直流系统正负极对地电压，确保直流系统正常运行时，正、负极对地电压均相等为母线电压的一半。若直流系统不设平衡电桥，试验用数字式万用表测量正极和负极对地电压时，电压的实际值和测量值的关系如何，文章就上述不设平衡电桥的情况作出理论分析。

关键词：直流系统；平衡电桥；测量电压

中图分类号：TM721.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）30-0048-02

Abstract： In order to detect the insulation resistance of positive and negative electrodes to the ground in DC （direct current） power supply system， the traditional insulation monitoring device of DC system is equipped with balanced bridge and detection bridge. Generally speaking， balanced bridge has two functions： one is to realize the basic function of insulation monitoring； Cooperating with the detection of the bridge to change the positive pole to ground voltage and negative pole to ground voltage， thus indirectly calculating the positive pole to ground insulation resistance and negative pole to ground insulation resistance； the second is to balance the positive and negative pole to ground voltage of the DC system to ensure the normal operation of the DC system. The positive and negative voltages are equal to half of the bus voltage. If there is no balanced bridge in the DC system， the relation between the actual value of voltage and the measured value when the digital multimeter is used to measure the positive and negative pole to ground voltage in the experiment. The paper makes a theoretical analysis on the situation of the above-mentioned unbalanced bridge.

Keywords： DC （direct current） system； balanced bridge； measuring voltage

1 概述

在检测直流电源系统正负极对地绝缘电阻时，其绝缘检测装置内设有平衡电桥和检测电桥，其中平衡电桥的作用有两方面，一方面实现绝缘检测的基本功能，另一方面平衡直流系统正负极对地电压。本文从理论角度分析平衡电桥在绝缘检测装置中的必要性。

2 原理分析

图1为测量电路等效电路图。系统电压为U，设为220V的蓄电池系统，R+为系统正极对地电阻值，设为x，R-为系统负極对地电阻，设为y，Ro为数字式万用表的内阻（电压档的内阻一般为10MΩ），设为定值z，U+1，U-1分别为数字式万用表测量的正负极对地电压值。U+2，U-2分别为直流系统的实际正负极对地电压值。

（1）用万用表测量正极对地电压时系统的正极对地实际电压为：

（2）用万用表测量之前系统的正极对地实际电压为：

（3）用万用表测量负极对地电压时系统的负极对地实际电压为：

（4）用万用表测量之前系统的负极对地实际电压为：

由上述四个公式联立得出结论：

（1）由（2）（4）两公式可知，当系统不设平衡电桥时，系统的实际电压只和正负极对地电阻各自的阻值与正负极对地电阻阻值之和的比值有关，当正负极对地电阻的阻值处于正常绝缘下降范围时，只要正负极对地电阻下降值不均等，系统正负极对地电压就会发生偏差。

（2）由（1）（2）两式联立使得U+1=U+2时，（3）（4）两式联立使得U-1=U-2时，这两种理想状态下，万用表测量的正负极对地电压与实际值一样，万用表测量的误差范围最小，可求得xy=0，即万用表电压档的内阻值越大，正极对地电阻值x和负极对地电阻值y越小，误差范围越小，反之误差范围越大。

3 临界状态情况分析结论

由于R+，R-未知，无法求解。处理方法是先分三种临界情况等效计算。

（1）设x=y=∞，即系统无接地。根据上述公式经计算得：

由结果得出结论：当正负极对地电阻远远大于万用表电压档内阻时，万用表内阻与正负极对地电阻并联时，并联电阻值趋近于0，万用表测量误差最大。

（2）设x=∞，y为定值时，即系统负极单端接地，此时经计算得：

由结果得出结论：负极单端接地时，用万用表测量负极对地电压测量误差最小，测量电压值和实际电压值均为0；用万用表测量正极对地电压时取决与负极对地电阻的阻值y，阻值y越小，误差范围越小，反之误差范围越大。

（3）设y=∞，x为定值时，即系统正极单端接地时，此时经计算得：

由结果得出结论：正极单端接地时，用万用表测量正极对地电压测量误差最小，测量电压值和实际电压值均为0；而用万用表测量负极对地电压时取决与正极对地电阻的阻值x，阻值x越小，误差范围越小，反之误差范围越大。

4 结束语

由上述分析结论可知，直流系统不设平衡电桥时，正负极对地电压会随着正负极对地电阻值的偏差大小而变化，由于电阻分压，正负极对地电压的比值与正负极对地电阻的比值相等，由于正负极对地电压的不可控偏移给直流系统的稳定运行带来极大危害。

而用数字式万用表测量正负极对地电压时，由于数字式万用表电压档内阻的存在，测量的误差范围随正负极对地电阻值的大小发生变化，正负极对地电阻值越小，误差范围越小，电阻值越大，误差范围越大，而系统的正负极对地电阻时刻可能在变化，因误差和对地电阻不可控的原因，万用表的读数势必会发生波动，由上述临界状态分析可知误差范围最大可至全电压。

基于上述分析直流系统设平衡电桥是必要的。

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