电力系统二次设备板卡插件绝缘检测技术

吕大青，应 凯，黄林章，章 霞，刘洁波，郑晓明，吴雪峰

(1. 浙江八达电子仪表有限公司时通电气分公司，浙江 金华 321018；2. 国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321017)

变电站二次设备的运行可靠性不言而喻，与一次设备有所不同，变电站二次设备的工作主要是实现对一次侧提供保护、调节、监测等功能，如测量仪表、继电器、自动控制设备、信号设备以及一些供电装置，如硅整流器为一次设备的运行提供能源，二次设备稳定运行是电力系统正常工作不可或缺的条件之一。由于二次设备种类多样、结构复杂、回路密集，其内部存在许多敏感的元器件，工作时对周围环境的要求较高,因此由二次设备异常导致的开关误跳、保护误出口、自动化系统误遥控等事故此起彼伏。由于二次设备异常引发的事故具有隐蔽性强、原因复杂等特点，要通过常规的预防性试验及时发现难度较大，一般也仅有继电保护设备采用定期校验的手段验证其可靠性，对于很多辅助的交直流二次回路、户外信号回路、电源回路、电源模块、连锁回路等都很难定期进行性能验证，大量事实表明，很多二次设备产生的事故中，由继电保护设备故障导致的只是很小一部分，大多是由二次回路接触不良、电源不稳定、二次回路接地、单一继电器损坏等引起[1-3]。

随着微机保护的普及以及变电站智能化的推进，很多控制保护系统的异常都来自于板卡插件的干扰，而这些干扰的源头，基本就是接地绝缘的问题。板卡插件有些与大地完全绝缘，有些要求一点接地，截至目前针对二次板卡的绝缘检验手段还是空白，很难对其绝缘健康水平进行评估。因此，有必要针对变电站二次板卡插件研发实用的绝缘检测技术进行研究。

1 弱电二次系统绝缘检测必要性

1.1 强电直流系统接地隐患

发电厂变电站直流系统设备多、回路复杂，在长期运行过程中会由于环境的改变、气候的变化、电缆以及接头的老化、设备本身问题等，不可避免的发生直流接地，即直流系统对地绝缘不足。特别是在发电厂、变电站建设施工或扩建过程中，由于施工及安装的种种问题，难以避免地会遗留电力系统故障的隐患，直流系统更是一个薄弱环节。投运时间越长的系统，接地故障发生的概率越大[4-6]。由于直流系统网络连接比较复杂，其接地情况归纳起来有以下几种：按接地极性分为正接地和负接地；按接地种类可分为直接接地(亦称金属接地或全接地)和间接接地(亦称非金属接地或半接地)；按接地的情况可分为单点接地、多点接地、环路接地、绝缘降低和交流半接地。

(1)正接地可能导致断路器误跳闸。由于断路器跳闸线圈均接负极电源，故当发生正接地时可能导致断路器的跳闸，如接地后另一点也接地，相当于两点通过大地连接起来，中间继电器KM必然动作造成断路器的跳闸。

(2)负接地可能导致断路器的拒跳闸。当两点通过大地连通后，将中间继电器KM短接，此时如果系统发生事故，保护动作，由于中间继电器KM被短接，KM不动作，断路器便不会跳开，即产生拒动，从而使事故越级扩大。

直流系统如果仅仅是一点接地，由于没有形成接地回路，因此对二次回路不会造成事故，但容易使动作电压较低的继电器动作，还容易使断路器偷跳；如果有两点接地，可能造成直流系统短路，使直流系统空开跳开或直流熔丝熔断，使直流电源中断供电，造成继电保护、信号、自动装置的不正确动作，就可能发生断路器误动或拒动。可以断定，直流系统的接地故障造成断路器可能发生误跳或拒跳的事故隐患，应立即排除。

1.2 弱电系统直流绝缘下降隐患

随着微机保护的普及，以及变电站智能化的推进，很多控制保护系统的异常，来自于板卡插件的干扰，而这些干扰的源头，基本就是接地绝缘的问题。板卡插件有些与大地完全绝缘，有些要求一点接地，然而直到目前，相较于对现有直流绝缘检测的手段：电桥法、注入法、漏电流检测法等，针对二次板卡的绝缘检验手段还是空白，很难对其绝缘健康水平进行评估。如网口电缆、232、RS-485等通信电缆、3～24 V弱电控制电源等，这些回路如果异常接地，当系统出现接地故障后，一次系统的接地电流将会严重干扰这些回路，从而引发严重事故。

现有技术仅能对强电信号电缆，如110 V直流等进行绝缘测量与监控，对于二次板卡插件的弱电回路的异常接地检测，还完全是盲区。这些问题日常发现较为困难，因此必须研发合适的检测设备，供现场运维检修人员能将既高效又安全地查找二次板卡中可能存在的隐患。

2 弱电二次系统绝缘检测方案

变电站中多采用直流系统监测仪监测直流系统的绝缘值，以期解决二次回路绝缘问题，其主要原理是外加一对平衡桥，通过监测并分析平衡桥电阻的电压波动情况，实现绝缘报警，并通过切换平衡桥和不平衡桥计算系统对地电阻。然而因无法具体定位二次回路故障点，无法满足日常要求，结合变电站日常定检工作检测二次回路的绝缘性仍尤为重要。

目前的常用方法是首先采用摇表法检测大类二次回路绝缘，然后逐一拆线，最终定位具体故障点。因此，二次回路必须通过摇表检测绝缘，而二次板卡插件的弱电信号回路或电源，要使用摇表存在较大风险。这是因为这些回路耐压极低，使用摇表很容易将板卡打坏，这就使得这些板卡面临一些高阻接地、外来干扰等隐患很难定位，本文提出了一种利用电容器充放电效应设计的低电压绝缘检测电路。

对于低电压下高电阻的检测，利用电容器放电过程，通过充满电的电容器对被测设备的绝缘电阻放电，随着放电时间的延长，通过检测一定时间内电容器的残余电压，就能直观计算出被测设备的绝缘电阻。电容器在放电t时刻的电压为Vt，初始时刻充满电电压为U，则根据下式

Vt=Uexp(-t/RC)

(1)

一般将充电电压控制在10 V左右，就可以在运行二次系统中避免打坏设备的风险，实现弱电回路的绝缘检测。

3 绝缘检测电路设计

绝缘检测装置电路结构如图1所示。绝缘检测电路包括电池1、电源开关2 、测试开关3、计时器4、电位器5、隔离二极管6、测量按钮7、电压表8、储能电容9、限流电阻10、测试电极11、测试电极12、恒流二极管13。电池1的正极与电源开关2串联后，一端与测试开关3的一个充电回路端子连接，另一端与计时器4的电源正极连接，测试开关3的另一个充电回路端子与电位器5的一个静触点连接，测试开关3的两个计时器信号开入端子与计时器4的信号开入端子连接，电位器5的动触点与隔离二极管6串联后，与电压表8的正极、储能电容9的正极并联，再与限流电阻10串联后测试电极11连接，计时器4的负极、电位器5的另一个静触点、储能电容9的负极、恒流二极管13的负极与电池1的负极并联连接，电压表8的负极与测量按钮7串联后与电池1的负极并联，恒流二极管13的正极与测试电极12连接。隔离二极管6为硅整流二极管，电池1的电压为5～15 V，电压表8的内阻不低于100 MΩ。

检测表电源开关打开后，计时器上电，同时电池的直流电压通过电位器设定合适的测试电压后，通过隔离二极管给储能电容充电，同时该充电电压也通过测试电极加到被测试的设备上，断开测试开关后，电容器经过测试设备的绝缘电阻放电，同时计时器复位重新计时，当计时到某个时刻后按下测试按钮，记录电容器的残余电压，就可以方便地推算出绝缘电阻大小，即使几千兆欧的超大绝缘电阻，经过电容器数分钟的放电，也会显著下降，借此也可准确计算出具体绝缘电阻数值，实现了用极低的电压测试高阻值绝缘电阻的效果。从根本上克服了低压弱电通信设备绝缘难以检测的弊端，使用低电压可随意检测任何精密弱电设备，不用担心绝缘检测的高压打坏设备，使得二次控制保护设备绝缘检测的安全性得到本质提升。

此外，该电路还可有效检测设备上的干扰电压，现有技术的绝缘表，无法测试设备的寄生干扰电压，利用电容器的储能原理，一旦存在干扰电压，哪怕幅值再小也会通过积分效应逐步给电容器充电，一段时间后就可直观检测出设备回路中的干扰电压，这是现有技术无法做到的。

4 结语

本文提出的技术方案，实现了用几伏的极低电压测试电气设备的绝缘能力，从根本上克服了低压弱电通信设备绝缘难以检测的弊端，使得大量电力系统控制保护设备中的事故隐患无处遁形，使得二次控制保护设备绝缘检测的安全性得到本质上的提升。利用电容器的储能原理，一旦存在干扰电压，哪怕幅值再小也会通过积分效应逐步给电容器充电，一段时间后就可直观检测出设备回路中的干扰电压。