基于组合桥的在线绝缘监测方法

甘江华,王佰超，尹 强，黄军伟，王 辉

(国家电网许继电源有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

在电力系统中，直流电源系统为各种继电保护设备及操作回路提供稳定、可靠的电源，其运行状况的好坏直接关系到整个电力系统能否正常运行[1-4]。但由于运行环境中温度及湿度的变化、设备及材料的老化、一些机械振动的影响和人为操作不当等原因，不可避免地出现系统绝缘降低或接地等故障。若不能及时找到并排除故障，将造成保护设备误动作或拒动，引起系统瘫痪，甚至导致大面积停电等严重后果[5-6]。

目前，国内外直流系统绝缘检测方法主要有电桥法、低频信号注入法和漏电流法[7-11]。同时，电力行业标准《DL/T 1392-2014 直流电源系统绝缘监测装置技术条件》5.3.2中规定：直流系统绝缘监测装置应采用直流电压检测法原理。因此，站用直流电源系统的母线在线绝缘检测方法主要采用电桥法。

电桥法又分为平衡桥法和不平衡桥法。平衡桥法通过建立母线对地的两个正负绝缘电阻构成一个平衡桥，其结构简单、测量精确且不受分布电容影响，但是不能检测正负母线同时接地或者同阻绝缘的情况。不平衡桥法通过电阻周期性切换，使正负母线对地电压产生波动，其原理简单、成本较低、工程易实现。文献[12]提出了单向投切正母线对地电阻的方法，但势必会造成系统负母线对地电压的升高，可能使负母线对地电压达到保护出口继电器动作电压。文献[13]提出了双臂投切正/负母线对地电阻的方法，但波动较大时可能会导致继电器误动作，影响系统的稳定运行。文献[14]提出了单向投切负母线对地电阻的方法，但负母线对地电压极低时，会导致负母线对地的电压变化量较小。当负母线对地发生绝缘故障时，难以精确测量。文献[15]提出了双平衡桥探测法，能够解决检测死区问题，且不受分布电容的影响。但是该方法需要增加两个传感器，且漏电流的精度限制了检测的精度与灵敏度。

基于上述问题，结合平衡桥和不平衡桥各自检测方法的优点，提出了组合桥绝缘检测方法。首先，阐述了该方法的工作原理。接着，设计了采样检测的硬件电路。然后，搭建了在线检测部分软件流程图。最后，研制了在线式直流绝缘监测装置样机。通过进行站用直流电源系统实验，其测试数据表明了其正确性和有效性，进而提高了系统运行的稳定性和可靠性。

1 组合桥绝缘检测原理

对组合桥绝缘检测原理进行分析。R1、R2为平衡桥电阻，R3、R5为检测桥电阻，S1、S3为检测桥开关，R4为补偿桥电阻，S2为补偿桥开关，R+、R-为正/负母线对地电阻，C+、C-为正/负母线对地电容，U+、U-为正/负母线对地电压，U为直流母线电压，PE为系统大地。

直流电源系统等效电路如图1所示。其中，虚框为在线直流绝缘监测装置检测电路的示意图。

1.1 平衡桥与检测桥

平衡桥原理是周期性监测母线对地电压和电流，并通过欧姆定律算出其对地的电阻值。检测桥原理是依据平衡状态的正/负母线对地电压和电流，非平衡状态的正/负母线对地电压和电流变化量，按照解算二元一次方程组，计算出母线的正/负对地电阻。

1.1.1 平衡桥和负母线检测桥的组合桥检测

一般情况下，在线绝缘检测采用平衡桥和负母线检测桥相结合的方法。其不会造成直流母线中负母线对地电压的增大，反而会使其减小。在负母线检测桥工作过程中，组合方法能够降低由于一点接地引发的继电保护误动的风险。

首先，将开关S1、S2和S3全部断开，得到式(1)：

(1)

式中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-。

接着，将开关S1闭合，S2和S3两个断开，得到式(2)：

(2)

最后，联立式(1)和式(2)，可得Z+和Z-的表达式：

(3)

(4)

1.1.2 平衡桥与检测桥的组合桥检测

若在负母线对地电压偏低或正母线对地电压偏高的情况下，仍然进行平衡桥和负母线检测桥相结合的检测，则会导致正母线对地的电压过高。为了防止正母线对地电压过高，先投入正母线桥电阻以降低正母线对地电压，然后进行负母线检测桥的检测，即采用平衡桥和检测桥相结合的检测方法。

首先，将开关S3闭合，S2和S1断开，得：

(5)

接着，将开关S1闭合，S2和S3断开，得：

(6)

最后，联立式(5)和式(6)，可得Z+和Z-的表达式：

(7)

(8)

若直流系统对地电容足够小，或者对地电容远小于对地电阻值，则直流系统对地电容可以忽略不计，即为零或者系统无对地电容。此时，Z+=R+，Z-=R-。

1.1.3 母线对地电容

若直流系统对地电容存在且不可以忽略，当母线对地接入电容时，母线对地电压的变化呈现为电容的充放电过程。母线绝缘接地时，母线电压电流成周期性变化，电容周期性充放电。当周期内变化量小于5%时，测试所得时间t，可得电容C的计算公式为：

(9)

根据阻抗的并联公式求解，可以得到R+和R-的表达式，即：

(10)

1.2 补偿桥

当正母线对地绝缘下降较负母线对地绝缘下降严重且满足上述条件时，将开关S1和S3断开，S2闭合，得到式(11)：

(11)

经整理变形，得到式(12)：

(12)

(13)

2 组合桥绝缘检测设计

2.1 硬件设计

在线绝缘采样电路及硬件构架如图2所示。在线式绝缘监测装置包括以下几部分：绝缘采样调理电路、人机接口、RS-485通信、CAN通信、开关量输出、最小单元和辅助电源部分。

图2 绝缘采样电路及硬件构架图

绝缘采样电路中：R1～R3、R4～R7为平衡桥电阻，且总阻值都为30 kΩ；R1～R2、R4～R6为检测桥电阻，检测桥电阻为平衡桥电阻的部分电阻，形成了桥电阻部分共用。这不同于传统平衡桥电阻和非平衡桥电阻分离且独立的现象。S1、S3为检测桥开关，通过STM32完成桥电阻R3和R7的接入与断开，R3为5.1 kΩ、R7为10 kΩ，实现了不平衡状态的检测。R8、R9为补偿桥电阻且阻值不同，通过STM32的输出来控制电阻的接入与断开，以实现电压补偿功能。其中：S21、S22为接入与断开的补偿桥开关，可以将它们统称为S2。同时，R10～R13为采样电阻，其阻值为3 MΩ。

通过电阻网络分压，接着电阻分压采样值通过VREF(1.25 V)的抬升、运放(LM358D)比例调整、RC滤波和电压嵌位进入STM32的ADC引脚。这不同于传统的光电隔离采样，实现了非隔离绝缘采样。

为了实现站用直流电源的可靠性，部分系统采用两段直流母线供电的方案。因此，本设计的在线绝缘监测装置具有两路直流母线接入端口，即有两套绝缘采样电路，采样值接入STM32的不同ADC引脚。

2.2 软件设计

软件设计采用C++编写，运行环境为IAR7.10，在μC/OS操作系统下模块化设计，便于系统的可移植性与内存调度，有利于后期的维护、升级。在线绝缘检测部分软件流程如图3所示。

图3 在线绝缘检测部分软件流程图

3 试验结果与分析

根据前述的工作原理、硬件设计和软件设计，基于组合桥的在线绝缘检测技术，研制了WZJ-31微机直流绝缘监测装置。该装置主要应用于站用直流电源系统。

本装置在不接地直流电源系统中进行实际试验。母线绝缘监测结果如表1所示。从表1中可以看出，绝缘电阻测量值与实际值的相对误差很小，且测量数据的相对误差可以控制在±2.5%以内，完全满足文献[16]中±5%的误差要求。

表1 母线绝缘监测结果

将正负/母线对地之间接入电容，装置能够检测其容值，施加的标称电容值与显示值的误差较小，误差可以控制在±10.0%以内。母线对地电容测量结果如表2所示。

表2 母线对地电容测量结果

4 结束语

本文提出了基于平衡桥、检测桥和补偿桥的组合桥在线绝缘检测方法。基于该方法的在线绝缘监测装置所测得的绝缘电阻在允许误差范围内且可达到±2.5%以内，所测得的母线对地电容可达到±10%以内。该方法覆盖了站用直流电源绝缘报警和绝缘预警的各种故障现象，做到了尽量无检测死区。大量的站用直流电源系统现场运行表明了其可行性、有效性和准确性，同时也可将其应用到不接地直流母线系统的其他领域。