一种直流绝缘诊断装置及其检测方法

程正年 汤海松 马 锟 闫 龙 范良鹏

一种直流绝缘诊断装置及其检测方法

程正年 汤海松 马 锟 闫 龙 范良鹏

（安徽新力电气设备有限责任公司，合肥 230088）

变电站或发电厂设备的直流绝缘下降是一种常见故障，直流电源系统的绝缘选线排查是困扰运维人员的难点问题。本文介绍一种直流绝缘诊断装置及其检测方法，该装置主要由本体、专用线束和指示器组成，体积小，携带方便。装置通过平衡桥原理判断直流绝缘下降情况，再利用霍尔原理检测漏电流的方向，从而实现故障点查找及定位，操作方便，安全性好。实际应用表明，该直流绝缘诊断装置的选线准确性高，无需停电即可进行支路绝缘排查诊断，且省时省力。

直流电源；绝缘诊断；检测方法；运维管理

0 引言

在电力系统中，直流电源是发电厂、变电站必备的操作和控制电源，也是事故停电时的备用工作电源[1]，其服务的主要对象是厂、站内的保护和控制设备，如高压断路器、保护测控装置、备自投的自动控制装置、事故油泵等。《国家电网公司防止变电站全停十六项措施（试行）实施意见》明确要求“防止直流电源系统故障导致变电站全停”。但是，在变电站实际运行中，由于直流电源系统的馈线一般敷设在电缆沟内，随着馈线回路电缆老化或绝缘受损，一旦电缆沟的湿度增大，就会导致直流绝缘下降或直接接地。根据变电站站用直流电源系统运维管理要求，“对于220V直流系统两极对地电压绝对值差超过40V或绝缘降低到25kW以下，应视为直流系统接地”。当直流电源系统发生正负两极同时接地时，会引起该回路开关跳闸断电的事故，危及变电站设备的运行安全，使直流系统安全运行面临巨大风险[2-11]。

造成直流系统绝缘降低的原因，除了回路电缆绝缘老化和空气湿度过大外，还存在其他因素，如：敷设过程中，不慎损伤电缆绝缘层；变电站在技改检修过程中，接错线构成寄生回路；断路器多次分合振动引起螺钉松动，接线头脱落滑出碰触铁构件；用电设备内部接插件内的元器件损坏引起的接地；部件转动时，二次线路受挤压而磨破绝缘层等。

直流绝缘下降是直流电源系统的一种常见故障，因系统出线回路数众多，也是一种最难排查的故障。尤其是在500kV变电站内，有主控制室和多个继电保护小室，各种控制柜和保护柜数量极多，对应的直流电源系统有主馈电屏和多台直流分电屏，对外输出的直流支路数高达几百条。目前，虽然在直流系统设备上装有在线绝缘检测装置用于监测直流母线和支路绝缘状态，但是由于实际工况复杂，信号易受干扰，存在选线准确度不高且无法定位故障点的问题[12]，给值班人员带来极大困扰。为了进一步分析确认故障点，往往需要对绝缘预警的出线回路进行分断操作，同时观察母线对地电压值的变化情况。这种确认方式需要支路停电才能开展作业，整个排查过程对变电站的安全运行产生影响。

鉴于此，本文介绍一种直流绝缘诊断装置及其检测方法[13-15]，旨在解决现有直流绝缘选线装置准确度不高、需要停电才能进行支路绝缘排查诊断、耗时费力的问题，从而实现快速准确的直流回路绝缘状态检测，为相关运维人员提供便利。

1 诊断装置

1.1 检测装置

直流绝缘诊断装置由指示器、钳形电流互感器、仪器本体、跨接线束、采样线束组成。其中，仪器本体包括直流变换模块、监控模块、信号采集板、显示板。直流绝缘诊断装置工作电路如图1所示，其中直流母线通过各个直流回路分别与站内各种控制柜或保护柜相连，且直流回路通过直流馈线屏输出接线端子与外部的控制柜或保护柜相连，直流回路设有回路开关。在正常运行时，回路开关为闭合状态，直流母线经回路开关和接线端子与变电站内的设备（控制柜或保护柜）进行电连接。

图1 直流绝缘诊断装置工作电路

信息采集示意图如图2所示，信号采集板通过采集线束分别与直流母线的正母线、负母线和接地体连接，用于采集直流电源系统的电压；信号采集板与监控模块相连，将采集的系统电压数据发送给监控模块；信号采集板还与直流变换模块[16]连接，为直流变换模块提供输入电源。

图2 信息采集示意图

直流变换模块的输出端通过跨接线束与回路上的接线端子相连接，从而与回路电连接；直流变换模块用于输出直流电。

监控模块与直流变换模块相连，根据信号采集板所采集的系统电压数据，调整直流变换模块的输出电压与系统电压相近，从而满足现场实际需要。直流变换模块内部也有采集控制板，可将直流变换模块的输出电压数据提供给监控模块，监控模块通过与系统电压值进行比较运算，发出指令调节直流变换模块输出电压的大小。

监控模块根据直流变换模块的实际输出电压值进行对地电压的运算，得到该检测回路的直流对地电压值。监控模块还与显示板相连接，将运算得到的直流对地电压值发送至显示板进行显示，供运维人员判断。

直流变换模块对输入直流电压进行高频斩波，由高频变压器将能量传递到二次侧，二次侧整流滤波电路重新对高频电压方波进行整流滤波，从而得到高质量的直流电源。通过诊断装置的电源输出端口给绝缘存疑回路中的设备供电，以及实现绝缘存疑回路与原有直流电源系统的完全电气隔离。

装置自身工作的辅助电源直接从输入直流电压母线取电，并将其转换成监测、控制、驱动、通信、显示等内部电路所需电能。

诊断装置的工作模式可根据现场需要设定为输出电压等级DC 110V或DC 220V，输出电流可满足为各类弹簧操动机构断路器、自动控制装置和电动负荷开关储能供电的需要。

1.2 检测原理

当直流系统的馈出支路无接地时，通过接地检测点测得的电压为母线电压的1/2。当某一支路存在接地电阻时，如图1所示为正接地，将破坏平衡桥关系，从而改变接地检测点的电压。装置可根据检测点的电压、母线的正、负电压及已知的平衡桥电阻计算出接地电阻。当支路正、负极都有接地且接地电阻相同时，即形成平衡接地。此时，平衡桥关系没有被破坏，仅根据平衡桥检测法无法检测出接地电阻值，需要使用不平衡桥法进行检测，形成两种已知的不平衡关系，进而对形成的二元方程式求解，可得到正、负接地电阻值。根据上述平衡桥和不平衡桥检测法，可计算出直流母线中存在的正、负接地电阻，从而判断绝缘下降情况。

1.3 查找接地点

为了进一步查找接地点、判断接地点方向，可用连接在指示器上的钳形电流互感器的钳口把存疑支路的正、负极线缆都穿过互感器，使正、负极线缆的感应电流互相抵消，如果抵消后还有超过漏电流阈值大小的电流，说明该条支路存在接地点。当支路存在接地时，如图1所示E点为正接地，如果互感器钳口夹在D位置，经装置输出正极流入互感器线圈的电流大于装置输出负极流出互感器线圈的电流，电流差即为装置正极到接地点之间的接地电阻中流过的电流，该电流可被钳形电流传感器检测到。如果互感器钳口夹在C位置，经装置输出正极流入互感器线圈的电流和经装置输出负极流出互感器线圈的电流相同，此时互感器漏电流信号=in-out=0，其中in为流入E点电流，out为流出E点电流，表明此处到负载的线缆不存在接地电阻，即漏电流突然消失的地方就是接地点；当互感器漏电流=in-out≠0时，可判断此处到负载的线缆存在接地现象，且可确定接地方向，指示器能够显示接地方向，帮助查找人员朝接地点方向查找，缩短查找时间。实际操作时需要注意的是，在使用钳形互感器的钳口夹线缆时，正、负极都应穿过互感器，且钳口标识的方向与该回路线缆电流正极流向保持一致，确保钳口密合状态，以免漏磁影响检测准确性。

1.4 检测装置特点

1）利用直流变换模块，能够实现电气完全隔离，排除干扰信号。

2）由于直流变换模块的输入电源直接取自原直流系统，在查找过程中，不存在造成检测回路停电的安全风险。

3）通过跨接线束旁路的方法，可以实现不停电对绝缘存疑支路进行排查确认。

4）显示接地点电阻、电流，正、负极对地电压，有声光报警信号。

5）钳形互感器检测漏电流，通过指示器能够确定接地点的方向和区段，定位故障点。

6）装置体积小，便于搬运，操作简单方便。

2 检测方法

为了现场操作方便，跨接线束和采集线束有专用接头，运维人员在现场能够快速实现柜内电气回路的电气连接。

2.1 判断存在绝缘下降的回路

当有绝缘存疑回路需要判定时，先将仪器本体上的信号采集板通过采集线束分别与直流母线的正、负母线及接地体进行电连接，然后起动仪器本体工作，检查其运行状态正常后，再用跨接线束与存疑回路的接线端子进行电连接，接着断开绝缘存疑回路上的回路开关，此时该存疑回路的设备负荷转由直流变换模块供电，监控模块自动监测该回路对地电压值并通过显示板显示。若此时直流对地电压值在正常范围内，则表示正常；否则仪器本体会发出报警信号，并显示该存疑回路存在绝缘下降的直流母线的极性。

由于直流电源系统的任意单一回路的实际负荷电流不会超过10A，跨接线束和采集线束的线芯为2.5mm2软导线，完全可以满足电流承载量要求。跨接线束和采集线束具有专用接头和绝缘护套，现场进行电气连接是安全的。

2.2 跨接线束

跨接线束和接线端子如图3所示，跨接线束由导线、插头和插座组成，其中插座是具有镂空插孔和螺杆的特制件，螺杆的粗细根据不同规格（4N、6N、10N）的接线端子适配，用于与接线端子相连，且插座的螺杆与接线端子中部的螺钉孔之间采用螺纹连接。

实际操作时，选取相应的插座，并将插座与接线端子连接片中间孔拧紧，再将插头插入插座内，线束另一端插头对应好正、负极性插入诊断装置电源输出的相应端口，如此即可实现利用跨接线束将绝缘存疑回路旁路，从而无需将该回路断电。

图3 跨接线束和接线端子

2.3 采集线束

采集线束如图4所示，采集线束由导线、插头和线夹组成。该线束共有三根连接线，其中有一根独立连线专门用于与接地排相连。实际操作时，先把插头对应好正、负极性插入诊断装置电源输入的相应端口，再将线夹分别与柜内的正、负极母线排夹好，最后将接地线插头插入诊断装置的接地端口，另一端的线夹在柜内接地排上夹好，利用采集线束引入直流变换模块的工作电源。

图4 采集线束

2.4 支路绝缘检测

综上所述，利用跨接线束和采集线束，结合装置内部结构，可实现诊断装置与原直流系统的完全电气隔离。绝缘诊断装置类似一个微型直流电源系统，由于其只对某一条输出支路进行绝缘检测分析，因而可很容易判定该回路是否存在绝缘下降的问题。在该支路脱离原直流系统后，如果原系统直流绝缘恢复正常，则可确定是该回路存在绝缘下降。

3 应用实例

下面以安徽省某500kV变电站为例，介绍一种出现报警绝缘信号后无需支路停电的检测方法。

在直流系统发出第18号支路绝缘报警信号后，先找到直流馈线屏的第18号支路（存疑支路）接线端子，将直流绝缘诊断装置的采集线束一端与装置本体连接，另一端夹在原直流系统正、负极母线和接地排上，起动诊断装置，待装置正常工作后，再把跨接线束一端连接装置本体，另一端接入存疑支路的接线端子，此时断开直流馈线屏上该馈线的支路开关，使存疑支路脱离原直流电源系统，改由诊断装置本体为该支路供电，以排除原直流系统各馈线回路之间的干扰。同时，诊断装置对存疑支路进行绝缘状态检测，并通过装置自身的显示面板直接显示支路正、负极对地电压和电阻大小。据此，运维人员即可判定该回路确实存在绝缘下降情况。在确认存在绝缘下降情况后，为了进行故障点定位，先梳理出该支路通往负载端的电缆的敷设方向，明确负载侧的电缆进入用电设备的电源走向，再从该支路接入公用测控屏（用电设备）的端子排侧，用钳形互感器的钳口夹入回路的正、负导线，此时指示器显示绝缘下降的方向指向引入电源侧方向，使用手持钳形互感器在电源引入的电缆上来回探测，并密切观察指示方向，不断缩小探测范围，最终定位故障点。经过进一步排查发现，该回路绝缘层受损破皮（导线受力，被横档毛刺刮破）后导线碰触柜体侧横档，后用绝缘布包裹受损部位，装置显示绝缘状态正常，表明故障已排除。此时，将跨接线束、采集线束解除，使诊断装置退出诊断状态，直流系统恢复原运行状态。

由于此检测方法是在独立供电的状态下排查存疑支路的绝缘下降问题，因此可以避免直流系统各馈线支路之间的干扰。手持式指示器的钳形互感器为开口式，可以选择检测线路的任一路段夹入，实现了在馈线不停电的情况下查找绝缘下降故障点，安全性好，有助于运维人员快速排除故障。

4 结论

本文介绍了一种直流绝缘检测方法，能够在回路不停电的情况下判定绝缘下降故障点，大大提升了变电站运行的安全性，有助于运维人员快速分析故障、尽早排除运行隐患。该检测方法操作安全可靠，检测速度快，定位准确，结果直观明了，为直流电源系统的维护提供了便利，而且能节约人力成本和时间成本，大大提高了直流回路绝缘诊断的效率。

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A kind of DC power system insulation diagnostic device and its detection method

CHENG Zhengnian TANG Haisong MA Kun YAN Long FAN Liangpeng

(Anhui Xinli Electrical Equipment Co., Ltd, Hefei 230088)

DC insulation decline of the equipment in substation or power plant is a common fault. The insulation line selection and investigation of DC power supply system is a difficult point that puzzles operation and maintenance personnel. This paper introduces a DC insulation diagnostic device and its detection method. The device is mainly composed of body, special wiring harness and indicator, and it is small in size and convenient to carry. The balance bridge principle is used to judge the decline of DC insulation, and then Hall principle is used to detect the direction of leakage current, so as to find and locate the fault point, which is convenient to operate and safe. The practical application shows that the DC insulation diagnostic device has high accuracy in line selection, and it can perform insulation inspection and diagnosis without power outage, which is time-saving and labor-saving.

DC power system; insulation diagnosis; detection method; operation and maintenance management

2023-09-19

2023-12-05

程正年（1971—），男，电力工程师，主要从事变电站直流电源、一体化电源的应用开发、生产和运维工作。