真双极小电阻接地直流配电网的绝缘监测系统研究

崔 敏，牛志雷，牛卫峰，王培羱，梁 爽

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

近年来，随着新能源分布式发电技术、新型储能技术、直流充电技术及直流变频节能技术的迅猛发展。直流配电网又重新得到了青睐。直流配电网是相对于交流配电网而言的，其提供给负荷的是直流母线。直流负荷可以直接由直流母线供电，而交流负荷需要经过逆变设备后供电，如果负荷中直流负荷比例较大，直流配电将会有较大优势。直流配电网线损小，可靠性高，无需相频控制且接纳分布式电源能力强。

1 背景技术

目前，在规划建设的综合能源、智慧能源及能源互联网示范项目中均会涉及到直流配电，直流生态体系在未来综合能源电力互联体系中正在逐步生成。直流配电系统省去了大量分散的整流器（AC/DC）和并网逆变器（DC/AC），简化了配网结构，提高了系统效率和可靠性，降低了成本。以太阳能和风机为代表的可再生能源直流侧并网变得更便捷和经济，并为未来LED照明和电动汽车的发展奠定了良好的基础。

直流配电系统根据分布式电源类型、负荷类型的不同存在单极浮地系统、伪双极系统、真双极直接接地系统、真双极高阻接地系统及真双极小电阻接地系统等多种模式和技术路线。真双极系统存在正、负、零三极线，且存在多个直流电源、环网结构；负载有的接入正零极、有的接入零负极，有的接入正负极，存在多种运行切换方式，传统直流绝缘监测手段已不能满足新的要求。针对不同模式直流配电系统的直流绝缘监测一般多借鉴变电站直流电源系统直流绝缘监测方法，但变电站直流电源系统均为单极浮地系统，因此针对其他模式直流配电系统的直流绝缘监测方法，需要根据实际配电系统的特性重新构建与论证。

2 解决方法

本文提供一种可以适用于真双极小电阻接地直流配网主接线结构的直流绝缘监测系统及方法。真双极小电阻接地直流配网主接线结构如图1所示，具备多直流电源共存、直流环网结构、多种运行方式灵活切换、正负零三极线结构及单极负载非均衡接入等特征，已有的平衡桥监测方法因需要注入电源已不再适用。本方案通过灵活配置漏电流传感器，通过支路、接地回路、联络线路漏电流检测以及母线电压监测来计算绝缘电阻，判断绝缘异常。

直流绝缘监测系统包括直流绝缘监测主机、直流绝缘监测从机、直流漏电流传感器、电压采样回路、漏电流传感器通信采样回路、母线联络开关位置采样回路及后台通信回路等构成。

（1）直流绝缘监测主机通过CAN网和直流绝缘监测从机通信组网，直流绝缘监测主机具备和监控后台通信的485通信接口。

（2）直流漏电流传感器采用磁饱和检测原理，需要套装在相应的母线进线电缆、直流馈出线电缆及母线联络线电缆位置，根据电缆规格选取不同直径规格的漏电流传感器。

（3）电压采样回路，一端连接正负零三极母线，一端接入直流绝缘监测主机或直流绝缘监测从机的电压采集端子。

（4）漏电流传感器通信采样回路。直流漏电流传感器通过手拉手连接后接入直流绝缘监测主机或直流绝缘监测从机CT采样端子。

（5）母线联络开关位置采样回路主要完成各母线联络开关的合位常开节点位置采样。

本方案的技术路线具体如下[1]。

第一，针对真双极小电阻接地直流配电网络，提出的漏电流传感器及绝缘监测仪配置方案如图2所示，每段±750 V母线以及接地电阻回路各配置一台绝缘监测仪，每台绝缘监测仪分别完成对应母线电压采集、相应联络开关位置采集及母线所连支路漏电流传感器信号采集，具体配置如表1所示[2]。

图1 真双极小电阻接地直流配网主接线结构

图2 真双极小电阻接地直流配网直流绝缘监测设备配置

表1 真双极小电阻接地直流配电网络直流绝缘监测设备配置

第二，针对真双极小电阻接地直流配电网络，区分直流配电系统开环运行与闭环运行两种工况，根据不同位置配置的漏电流传感器因直流系统绝缘异常检测到的漏电流变化情况，提出直流绝缘异常识别及告警逻辑[3]。

当直流配电系统开环运行，即任何两个直流电源（PCS1、PCS2及微网路由器直流侧）不构成环路时，某段母线段或者所连馈出支路发生正、负极接地或者绝缘异常将和该直流电源中性接地线所连接的50 Ω接地电阻构成回路。首先，通过在50 Ω接地电阻柜位置所配置漏电流传感器，可以测得对应直流电源设备零极接地电流；其次，根据该直流配电系统几个重要联络开关的位置状态，可以判定对应的母线连接关系；再次，根据联络开关位置配置的漏电流传感器漏电流情况，可以判定对应母线绝缘异常；从次，根据该母线段馈出线配置的漏电流传感器判出对应馈出支路绝缘或者母线绝缘异常；最后，如果某段母线上级联络开关监测到漏电流，但该母线所连馈出支路均未检测到漏电流，则判定为该段母线绝缘异常，否则判出对应支路绝缘异常。

当直流配电系统必要情况下需要进行闭环运行，两个电力电子设备进行功率对推，存在功率环流，且正负极功率不平衡（极端情况单极运行）时，就会有功率流过零极母线；对于直接接地或者50 Ω小电阻接地两种情况，接地回路均会构成零极母线并联回路，会在接地线中有不平衡功率流过，如图3所示。直流绝缘监测系统可以根据采集到的几个联络开关位置及时进行判别，并闭锁此种工况下的直流绝缘监测报警。同时，为了避免较大不平衡功率电流流过接地线，直流绝缘系统同时发出告警，提醒运行人员在此运行工况下，断开其中一个直流电源设备的中性线接地回路，保持一点接地[4]。

图3 直流配电环网运行示意图

第三，针对真双极小电阻接地直流配电网络，梳理不同类型的直流绝缘异常情况，如图4所示，针对不通过位置不同类型直流绝缘异常进行说明。当R1、R2、R3、R4、R5及R6分别接地时，各个电阻通过零极母线接地电阻均可构成回路，从而产生电流，可以证明R1、R2、R3、R4、R5及R6上流过的电流就是支路漏电流传感器测得的电流。各个电阻上的电压又容易测得，因此可以计算出R1、R2、R3、R4、R5及R6等的电阻值，并判出接地所发生的极线。

（1）当R0、R30及R40分别接地时，因零极母线已经小电阻接地，无法测出漏电流并进行预警，但是对系统长期运行影响不大。

（2）当发生R1和R2同时接地、R5和R6同时接地，且直接接地或者接地电阻较小时，继电保护装置可以判出故障，直接跳闸，跳闸后无法测算馈出线接地电阻值。当发生R1和R2同时接地、R5和R6同时接地，接地电阻较大，且两个接地点电阻值不相等时，可以测出漏电流，但是无法准确测出R1、R2或R5、R6接地电阻值，并判出对应接地极线。当发生R1和R2同时接地、R5和R6同时接地，接地电阻较大，且电阻值相等时，无漏电流，无法测出R1、R2或R5、R6接地电阻值，不会报警。但是这种完全同阻，且电阻值较大的接地情况出现的极少，属于偶然事件。

图4 直流绝缘异常类型示意图

（3）当发生R3和R30同时接地、R4和R40同时接地，且直接接地或者接地电阻较小时，保护装置可以判出故障，直接跳闸，跳闸后无法测算馈出线接地电阻值。当发生R3和R30同时接地、R4和R40同时接地，且接地电阻较大时，无论两个接地点电阻值相等与否，可以测出漏电流，准确测出R3或R4接地电阻值，并判出对应接地极线。

第四，针对真双极小电阻接地直流配电网络，需要多台直流绝缘监测仪共享信息，且一台直流绝缘监测仪需要接入多个漏电流传感器信息的特征，提出系统的通信组网与信息上送方式如图5所示。多台漏电流传感器直流通过CAN网通信，完成信息共享；每台直流绝缘监测仪接入漏电流传感器时采用手拉手并接方式，为每台漏电流传感器提供12 V工作电源及RS232或RS485通信接入；直流绝缘监测系统对直流配电后台监控系统通信采用RS485通信方式，采用MODBUS通信规约[5]。

3 结 论

本文针对给定的真双极小电阻接地直流配电网主接线结构，提出配合直流绝缘监测使用的漏电流传感器以及直流绝缘监测仪配置方案；基于自动识别配电网母线连接关系及运行方式，提出直流绝缘异常判别及告警逻辑；基于不同类型绝缘异常发生时漏电流变化特性，提出该直流绝缘监测系统可识别的绝缘异常类型；根据直流绝缘监测系统设备配置情况，提出直流绝缘监测仪配置方案及多台直流绝缘监测仪的通信组网方式。该真双极小电阻接地直流配电网直流绝缘监测系统及方法完全能够满足工程的实际需求，有较高的推广应用价值。

图5 直流绝缘监测系统通信组网示意图