直流系统绝缘监测方法研究与分析

永煤供电分公司 任瑞胜

直流系统是发电厂和变电站中重要组成部分，主要是为信号装置、控制装置、保护装置等提供直流电源，直流系统工作状况的好坏直接影响电力系统的可靠、连续、稳定运行。直流接地是直流系统的常见故障，可能造成信号装置、控制装置、保护装置的误动或者拒动，所以有必要对直流系统进行长期在线的绝缘监测。

1 直流接地的影响

在发电厂、变电站中，直流接地故障多为直流系统出现某一点与地短接或对地绝缘电阻下降，一极一点接地并不会立即引起任何危害，但一极接地长时间工作是不允许的，因为在同一极的另一点再发生接地时，会造成下文所述严重危害。

1.1 造成信号装置、继电保护和断路器的误动和拒动

直流系统中，如果发生一点接地后，在同一的另一地点再发生接地或另极点接地时，便构成两点接地短路，将造成信号装置、继电保护和断路器的误作。如图1所示。

图1 断路器控制原理图

当直流接地发生在图1中1和7两点时，断路器会出现误合闸，当直流接地发生在图1中1和37两点时，断路器会出现误分闸，当直流接地发生在图1中2和7或2和37两点时，这时若保护动作，断路器会出现拒绝合闸或分闸的情况，以致发生严重事故。

由于直流系统故障接地会造成诸多危害，当直流系统一点接地时，就必须迅速寻找，尽快消除接地故障，防止发生两点接地。为此各发电厂、变电站的直流系统均需配备直流绝缘监测装置，实时巡检直流系统的绝缘并找到接地点的位置，迅速消除故障。

1.2 直流系统绝缘检测原理的现状

1.2.1 正负母线接地检测方法

衡电桥法如图2所示。

图2 平衡电桥法原理图

其中，R1、R2为直流系统接地电阻；R为绝缘监测仪的平衡桥电阻。一端分别接于直流系统正负母线，另一端接地的两个阻值相同的电阻，平衡桥上的两个电阻用于维持直流系统正负母线对地电压相等[2]。

当直流系统无接地时，+KM和-KM对地电压，分别为+1/2UKM和-1/2UKM，其中UKM为母线电压。当直流系统接地时，如+KM接地，即系统中存在R1，+KM对地电阻为R//R1，-KM对地电阻为R，电桥失去平衡+KM对地。电压变为：

R//R1

R//R1+R

UKM，可判定系统接地。但当R1=R2时，即平衡接地，此时由R、R1、R2组成的电桥保持平衡，所以平衡电桥无法判定系统平衡接地。

非平衡电桥法如图3所示。

图3 非平衡电桥法原理图

图3中两个检测桥电阻R：一端通过开关器件分别接于直流系统正负母线，另一端接地的两个阻值相同的电阻。当测量直流系统正负母线对地绝缘电阻时，通过检测桥上开关器件的导通或断开使桥臂上的电阻接入或退出直流系统，导致正负母线对地电压产生波动。R不是固定接地，而是通过电子开关分时接地，R1、R2为直流系统接地电阻。

当+KM投入R时，得：

[(U+KM1)/(R1//R)]=[(U-KM1)/R2]

其中U+KM1、U-KM1分别为+KM投入R时测得的+KM、-KM对地电压。

当-KM投入R时，得：

[(U+KM2)/R1]=[(U-KM2)/(R2//R)]

其中U+KM2、U-KM2分别为-KM投入R时测得的+KM、-KM对地电压，解以上两方程，即可求出接地电阻R1和R2。

非平衡桥在采用时，母线的对地电压存在周期性的变化，该直流系统如果存在较大的对地电容，那么绝缘监测仪检测母线绝缘的准确性就会受到对地电容周期性充放电的影响。因此，为了母线对地电压在电容充放电时绝缘监测仪不检测，只在放充电完成后检测，因此在直流接地仪内将蓄电池巡检速度减慢，通过此举就提高了检测的准确性。

两种检测方法性能对比。平衡电桥法。优点：一是平衡电桥法是静态测量方法的一种，即测量负、正母线对地静态的直流电压，因此测量精度不受母线对地电容大小的影响；二是因为不受接地电容影响，检测速度快。缺点：一是测量误差因双端接地导致较大；二是平衡接地不能检测；三是平衡电桥是拿标准电阻与待测电阻比较，通过调节使电桥达到平衡，待测电阻值从而测得，如双臂直流电桥又称开尔文电桥、单臂直流电桥又称惠斯登电桥。两种电桥只能测量相对稳态的物理量。

不平衡电桥法。优点：均能准确检测任何接地方式，在科学试验和实际工程中，许多物理量是持续变化的，只有非平衡电桥才能测量；非平衡电桥的基本原理是采用桥式电路进行电阻测量，且依据电桥正向输出的不平衡电压，随后进行运算处理，从而获取使电阻大小变化的物理量。缺点：一是在测量中，电阻需要负正母线分别对地投，因而母线对地电压是变化的。为了获得较为精确的测量结果，每次投电阻后要延时，要等到母线对地电压稳定时，才可以测量，检测速度相对于平衡电桥法要慢；二是母线对地电容影响较大。

1.2.2 支路对地绝缘电阻检测方法

交流法如图4所示。

图4 交流法测绝缘电阻原理图

使用交流无源CT，交流信号需由母线注入，当接地现象出现时，交流CT即可检测到不平衡电流（漏电流）。优点：成本低，CT结构相对简单。缺点：一是交流信号需由母线注入；二是测量精度受接地电容影响；三是接地母线的极性不能被识别；四是双端接地时，测量值为Rx//Ry。

直流法如图5所示。

图5 直流法测绝缘电阻原理图

采用直流有源CT，交流信号不需注入。当出现接地时，直流CT将直流泄漏电流变换为4～20mA或0～5V的电信号。优点：一是交流信号无需由母线注入；二是接地电容对其影响小；三是能识别接地母线的极性；四是能测量双端接地。缺点：一是成本高于交流CT；二是环境温度和工作电压的波动影响测量精度。

2 采取的改进措施

针对直流母线绝缘监测平衡桥和不平衡桥测量方法的不足，采用了深圳奥特迅公司生产的直流绝缘监测系统，母线检测方式有平衡桥和非平衡桥人为进行设定，也可以设定为自动检测方式，装置可以根据系统对地分布电容的影响自动选择检测方式，支路检测采用直流法。

针对支路绝缘在高阻状态下不能正确显示的不足，与厂家协商沟通，对关键元件和软件进行升级，漏电流传感器采用型号为：CT5000L该传感器具有高精度、高线性度、高集成度、体积小结构简单、长期工作稳定且适应各种环境的特点；将单片机内置A/D升级为外置A/D，单片机外置A/D转换是单片机通过一定的逻辑电路控制外置A/D转换电路进行A/D转换，外围电路相对复杂。单片机将转换结果通过一定的时序读取到单片机中，可以实现高精度的A/D转换（可以达到14位、16位、22位甚至更高），原理如图6所示。

图6 外置模数转换电路图

每段直流母线装设1套绝缘监测装置。当直流母线绝缘电阻低于规定值时，须能报出声光报警信号，绝缘监测装置仪表以测出负、正极母线对地的绝缘电阻值和电压值。当直流电源绝缘电阻低于规定限值时，即110V直流电源系统绝缘电阻小于220V或50KΩ，直流电源绝缘电阻小于100KΩ时，需能及时报出告警信号。

通过模拟电阻（小于50KΩ）分别对负、正母线接地进行试验，直流母线的绝缘状况可以通过绝缘监测装置正确对其监测，在显示屏上显示负、正母线的对地电阻和电压，发出音响报警并弹出相应画面。测量母线对地电阻精度不大于5%。

在支路接地上通过模拟电阻（小于50KΩ）分别对正、负极做接地试验，直流母线的绝缘状况能够通过绝缘监测装置正确对其进行监测，在显示屏上显示负、正母线的对地电阻和电压，发出音响报警并弹出相应的画面，通过装置的有关提示即可找出接地的支路接地电阻及支路号。测量支路对地电阻精度不大于10%。

在母线和支路上通过模拟电阻（100KΩ、200KΩ、300KΩ、500KΩ、700KΩ、900KΩ）。分别对正、负极做接地试验，绝缘监测装置能够正确对直流母线的绝缘状况进行监测，在屏幕上显示正、负母线的对地电压和电阻，小于200KΩ测量精度≤10%。大于200KΩ测量精度≤25%，满足规程标准。

3 结语

本文介绍的绝缘监测方法在实际应用中取得了较好效果，不仅能够解决正负母线绝缘同时下降的问题，还能实时监测并显示支路绝缘在高阻下的绝缘值，运维人员可以及早发现绝缘下降原因并及时处理，从而将故障消灭于萌芽阶段，为电力系统安全、连续、稳定运行保驾护航。