直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測技術研究與應用

潘杰，尹 斌，阮金金

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100）

電力系統(tǒng)中，直流電源系統(tǒng)是為變電站中的保護、監(jiān)控、監(jiān)視、記錄等自動化裝置提供電源的多分支網(wǎng)絡。它的安全運行，對整個電力系統(tǒng)的安全運行起著至關重要的作用[1]。直流接地是直流操作系統(tǒng)常見故障之一，一般情況下，單點接地并不影響直流系統(tǒng)的運行，但如果不能迅速找到故障點并修復而發(fā)生另一點接地故障時，就可能引起重大故障。

目前，絕緣檢測裝置采用的檢測原理主要有電橋平衡原理和變頻探測原理[2-5]，兩種檢測原理的裝置都能在一定程度上解決直流接地問題，但也存在著不足，基于電橋平衡原理的絕緣檢測裝置無法檢測正、負母線絕緣同等下降的情況，也不能區(qū)分多支路故障。而后者則易受直流系統(tǒng)對地分布電容的影響，并且注入的低頻交流信號增大了直流系統(tǒng)的電壓紋波系數(shù)，影響電源的質(zhì)量。文中旨在介紹一種在線絕緣檢測方法，并基于msp430單片機予以實現(xiàn)。

1 原理介紹

原理圖如圖1所示。圖中CM+、CM-為正負母線。U+、U-為正、負母線電壓。Jk1、Jk2為繼電開關，R為精密電阻。R+、R-為正、負母線發(fā)生絕緣故障時的對地電阻。Dt1、Dt2為高精度霍爾電流傳感器，其輸出電壓與通過環(huán)孔的電流差成正比，并且成線性關系。所以，利用采樣電流傳感器輸出的電壓，經(jīng)過換算成電流，再利用歐姆定律獲得正、負母線電壓U+、U-，則電源電壓 U=U+-U-。

圖1 絕緣檢測原理圖Fig.1 Insulation testing schematic

在直流系統(tǒng)正常工作情況下，電子繼電開關Jk1、Jk2保持閉合。R+、R-一般趨近無窮大，此時，U+=-U-。當發(fā)生絕緣接地故障時，則R+或 R-為有限值，此時U+≠-U-，當 R+≤R-時，則有U+≤-U-，反之亦然。如果發(fā)生R+=R-都為有限值時，即正負母線絕緣電阻同等下降，此時U+=-U-，則需要進一步進行檢測，檢測步驟如下：

1）斷開繼電開關Jk2，保持Jk1閉合，測得正、負母線電壓對地分別記為：U+1，U-1；

2）斷開繼電開關Jk1，保持Jk2閉合，測得正、負母線電壓對地分別記為：U+2，U-2；

求解方程組可得到下面的結果：

這里需要說明下，這里用到的霍爾電流傳感器的電流量程為0～10 mA，所以對于一般直流220 V電源，結合電流傳感器的精度，精密電阻R一般的選擇為20～100 kΩ。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 絕緣主回路

具體實現(xiàn)電路圖如圖2所示。

圖2 絕緣主回路原理圖Fig.2 Insulation of the circuit schematic

對電子繼電器AQW214的用法作簡單說明：當AQW214的1、2腳導通時，7、8腳也導通，并且導通的內(nèi)阻很小；同理3、4腳導通時，5、6腳也導通。AQW214的耐壓值可以達到400 V，即當7、8腳或5、6腳步導通時其兩端可承受400 V的電壓，所以可以通過單片機的P10和P11引腳來控制電子繼電器的導通與否從而達到控制Jk1和Jk2的通斷[6]。具體控制和實現(xiàn)過程在前文中已做過闡述，這里不再贅述。

需要說明的是，圖中所標定的數(shù)值只適用于一定的電源電壓范圍（24～300 V），電源電壓過低則易受霍爾電流傳感器的精度的影響而測量不準確，過高則會超越霍爾傳感器的電流量程以及電子繼電器的耐壓值，所以可以根據(jù)實際情況，更換適當?shù)钠骷赃_到要求。

2.2 絕緣支路

由式（1）通過計算得知直流系統(tǒng)是否發(fā)生了絕緣降低故障[7]，但還需要確定是配電母線還是某個或者某些饋電支路發(fā)生了接地故障。

如圖3所示，當支路沒有發(fā)生接地故障時，支路饋線電流I0=I1，通過電流傳感器的電流差為0，其輸出電壓也為0；當發(fā)生接地故障時，I3=I0－I1不為0，電流傳感器輸出電壓不為0。設此時正、負母線電壓為U+、U－。則第n條支路的對地

對于多支路，可以采用多路開關如CD4051進行選通控制，如圖4所示，當發(fā)生支路絕緣接地故障，檢測系統(tǒng)啟動支路絕緣電阻巡檢程序，通過單片機向CD4051芯片的A、B、C引腳發(fā)送信號，依次選通支路，查看發(fā)生故障的支路數(shù)并進行接地電阻的計算。（圖中COM端連接一模擬電路接入單片機AD采樣端口，此處略去）。

圖3 支路絕緣電阻測量示意圖Fig.3 Slip insulation resistance measurement schematic

圖4 多路開關選通支路原理圖Fig.4 Multi-switch strobe slip schematic

3 結束語

文中介紹的絕緣檢測方法在實際應用中取得了不錯的效果，不僅能夠解決正負母線同等下降的問題，而且不影響電源質(zhì)量，達到了初始設計的要求。但經(jīng)過長時間的實踐也發(fā)現(xiàn)了不足，比較突出的是電流傳感器在使用較長時間，并且受到周圍環(huán)境電磁影響下，易發(fā)生漏電流零點漂移的情況。需要在軟件中加以矯正或者進行支路斷電后的零點校準，否則，易出現(xiàn)漏報或誤報的情況。但考慮兩者在實際應用中都存在著一定的弊端，筆者在做進一步研究，以期得到改善。

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