直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測方法研究與分析

永煤供電分公司 任瑞勝

直流系統(tǒng)是發(fā)電廠和變電站中重要組成部分，主要是為信號裝置、控制裝置、保護(hù)裝置等提供直流電源，直流系統(tǒng)工作狀況的好壞直接影響電力系統(tǒng)的可靠、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。直流接地是直流系統(tǒng)的常見故障，可能造成信號裝置、控制裝置、保護(hù)裝置的誤動(dòng)或者拒動(dòng)，所以有必要對直流系統(tǒng)進(jìn)行長期在線的絕緣監(jiān)測。

1 直流接地的影響

在發(fā)電廠、變電站中，直流接地故障多為直流系統(tǒng)出現(xiàn)某一點(diǎn)與地短接或?qū)Φ亟^緣電阻下降，一極一點(diǎn)接地并不會立即引起任何危害，但一極接地長時(shí)間工作是不允許的，因?yàn)樵谕粯O的另一點(diǎn)再發(fā)生接地時(shí)，會造成下文所述嚴(yán)重危害。

1.1 造成信號裝置、繼電保護(hù)和斷路器的誤動(dòng)和拒動(dòng)

直流系統(tǒng)中，如果發(fā)生一點(diǎn)接地后，在同一的另一地點(diǎn)再發(fā)生接地或另極點(diǎn)接地時(shí)，便構(gòu)成兩點(diǎn)接地短路，將造成信號裝置、繼電保護(hù)和斷路器的誤作。如圖1所示。

圖1 斷路器控制原理圖

當(dāng)直流接地發(fā)生在圖1中1和7兩點(diǎn)時(shí)，斷路器會出現(xiàn)誤合閘，當(dāng)直流接地發(fā)生在圖1中1和37兩點(diǎn)時(shí)，斷路器會出現(xiàn)誤分閘，當(dāng)直流接地發(fā)生在圖1中2和7或2和37兩點(diǎn)時(shí)，這時(shí)若保護(hù)動(dòng)作，斷路器會出現(xiàn)拒絕合閘或分閘的情況，以致發(fā)生嚴(yán)重事故。

由于直流系統(tǒng)故障接地會造成諸多危害，當(dāng)直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)，就必須迅速尋找，盡快消除接地故障，防止發(fā)生兩點(diǎn)接地。為此各發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)均需配備直流絕緣監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)巡檢直流系統(tǒng)的絕緣并找到接地點(diǎn)的位置，迅速消除故障。

1.2 直流系統(tǒng)絕緣檢測原理的現(xiàn)狀

1.2.1 正負(fù)母線接地檢測方法

衡電橋法如圖2所示。

圖2 平衡電橋法原理圖

其中，R1、R2為直流系統(tǒng)接地電阻；R為絕緣監(jiān)測儀的平衡橋電阻。一端分別接于直流系統(tǒng)正負(fù)母線，另一端接地的兩個(gè)阻值相同的電阻，平衡橋上的兩個(gè)電阻用于維持直流系統(tǒng)正負(fù)母線對地電壓相等[2]。

當(dāng)直流系統(tǒng)無接地時(shí)，+KM和-KM對地電壓，分別為+1/2UKM和-1/2UKM，其中UKM為母線電壓。當(dāng)直流系統(tǒng)接地時(shí)，如+KM接地，即系統(tǒng)中存在R1，+KM對地電阻為R//R1，-KM對地電阻為R，電橋失去平衡+KM對地。電壓變?yōu)椋?/p>

R//R1

R//R1+R

UKM，可判定系統(tǒng)接地。但當(dāng)R1=R2時(shí)，即平衡接地，此時(shí)由R、R1、R2組成的電橋保持平衡，所以平衡電橋無法判定系統(tǒng)平衡接地。

非平衡電橋法如圖3所示。

圖3 非平衡電橋法原理圖

圖3中兩個(gè)檢測橋電阻R：一端通過開關(guān)器件分別接于直流系統(tǒng)正負(fù)母線，另一端接地的兩個(gè)阻值相同的電阻。當(dāng)測量直流系統(tǒng)正負(fù)母線對地絕緣電阻時(shí)，通過檢測橋上開關(guān)器件的導(dǎo)通或斷開使橋臂上的電阻接入或退出直流系統(tǒng)，導(dǎo)致正負(fù)母線對地電壓產(chǎn)生波動(dòng)。R不是固定接地，而是通過電子開關(guān)分時(shí)接地，R1、R2為直流系統(tǒng)接地電阻。

當(dāng)+KM投入R時(shí)，得：

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

其中U+KM1、U-KM1分別為+KM投入R時(shí)測得的+KM、-KM對地電壓。

當(dāng)-KM投入R時(shí)，得：

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

其中U+KM2、U-KM2分別為-KM投入R時(shí)測得的+KM、-KM對地電壓，解以上兩方程，即可求出接地電阻R1和R2。

非平衡橋在采用時(shí)，母線的對地電壓存在周期性的變化，該直流系統(tǒng)如果存在較大的對地電容，那么絕緣監(jiān)測儀檢測母線絕緣的準(zhǔn)確性就會受到對地電容周期性充放電的影響。因此，為了母線對地電壓在電容充放電時(shí)絕緣監(jiān)測儀不檢測，只在放充電完成后檢測，因此在直流接地儀內(nèi)將蓄電池巡檢速度減慢，通過此舉就提高了檢測的準(zhǔn)確性。

兩種檢測方法性能對比。平衡電橋法。優(yōu)點(diǎn)：一是平衡電橋法是靜態(tài)測量方法的一種，即測量負(fù)、正母線對地靜態(tài)的直流電壓，因此測量精度不受母線對地電容大小的影響；二是因?yàn)椴皇芙拥仉娙萦绊?，檢測速度快。缺點(diǎn)：一是測量誤差因雙端接地導(dǎo)致較大；二是平衡接地不能檢測；三是平衡電橋是拿標(biāo)準(zhǔn)電阻與待測電阻比較，通過調(diào)節(jié)使電橋達(dá)到平衡，待測電阻值從而測得，如雙臂直流電橋又稱開爾文電橋、單臂直流電橋又稱惠斯登電橋。兩種電橋只能測量相對穩(wěn)態(tài)的物理量。

不平衡電橋法。優(yōu)點(diǎn)：均能準(zhǔn)確檢測任何接地方式，在科學(xué)試驗(yàn)和實(shí)際工程中，許多物理量是持續(xù)變化的，只有非平衡電橋才能測量；非平衡電橋的基本原理是采用橋式電路進(jìn)行電阻測量，且依據(jù)電橋正向輸出的不平衡電壓，隨后進(jìn)行運(yùn)算處理，從而獲取使電阻大小變化的物理量。缺點(diǎn)：一是在測量中，電阻需要負(fù)正母線分別對地投，因而母線對地電壓是變化的。為了獲得較為精確的測量結(jié)果，每次投電阻后要延時(shí)，要等到母線對地電壓穩(wěn)定時(shí)，才可以測量，檢測速度相對于平衡電橋法要慢；二是母線對地電容影響較大。

1.2.2 支路對地絕緣電阻檢測方法

交流法如圖4所示。

圖4 交流法測絕緣電阻原理圖

使用交流無源CT，交流信號需由母線注入，當(dāng)接地現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，交流CT即可檢測到不平衡電流（漏電流）。優(yōu)點(diǎn)：成本低，CT結(jié)構(gòu)相對簡單。缺點(diǎn)：一是交流信號需由母線注入；二是測量精度受接地電容影響；三是接地母線的極性不能被識別；四是雙端接地時(shí)，測量值為Rx//Ry。

直流法如圖5所示。

圖5 直流法測絕緣電阻原理圖

采用直流有源CT，交流信號不需注入。當(dāng)出現(xiàn)接地時(shí)，直流CT將直流泄漏電流變換為4～20mA或0～5V的電信號。優(yōu)點(diǎn)：一是交流信號無需由母線注入；二是接地電容對其影響?。蝗悄茏R別接地母線的極性；四是能測量雙端接地。缺點(diǎn)：一是成本高于交流CT；二是環(huán)境溫度和工作電壓的波動(dòng)影響測量精度。

2 采取的改進(jìn)措施

針對直流母線絕緣監(jiān)測平衡橋和不平衡橋測量方法的不足，采用了深圳奧特迅公司生產(chǎn)的直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)，母線檢測方式有平衡橋和非平衡橋人為進(jìn)行設(shè)定，也可以設(shè)定為自動(dòng)檢測方式，裝置可以根據(jù)系統(tǒng)對地分布電容的影響自動(dòng)選擇檢測方式，支路檢測采用直流法。

針對支路絕緣在高阻狀態(tài)下不能正確顯示的不足，與廠家協(xié)商溝通，對關(guān)鍵元件和軟件進(jìn)行升級，漏電流傳感器采用型號為：CT5000L該傳感器具有高精度、高線性度、高集成度、體積小結(jié)構(gòu)簡單、長期工作穩(wěn)定且適應(yīng)各種環(huán)境的特點(diǎn)；將單片機(jī)內(nèi)置A/D升級為外置A/D，單片機(jī)外置A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，外圍電路相對復(fù)雜。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一定的時(shí)序讀取到單片機(jī)中，可以實(shí)現(xiàn)高精度的A/D轉(zhuǎn)換（可以達(dá)到14位、16位、22位甚至更高），原理如圖6所示。

圖6 外置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

每段直流母線裝設(shè)1套絕緣監(jiān)測裝置。當(dāng)直流母線絕緣電阻低于規(guī)定值時(shí)，須能報(bào)出聲光報(bào)警信號，絕緣監(jiān)測裝置儀表以測出負(fù)、正極母線對地的絕緣電阻值和電壓值。當(dāng)直流電源絕緣電阻低于規(guī)定限值時(shí)，即110V直流電源系統(tǒng)絕緣電阻小于220V或50KΩ，直流電源絕緣電阻小于100KΩ時(shí)，需能及時(shí)報(bào)出告警信號。

通過模擬電阻（小于50KΩ）分別對負(fù)、正母線接地進(jìn)行試驗(yàn)，直流母線的絕緣狀況可以通過絕緣監(jiān)測裝置正確對其監(jiān)測，在顯示屏上顯示負(fù)、正母線的對地電阻和電壓，發(fā)出音響報(bào)警并彈出相應(yīng)畫面。測量母線對地電阻精度不大于5%。

在支路接地上通過模擬電阻（小于50KΩ）分別對正、負(fù)極做接地試驗(yàn)，直流母線的絕緣狀況能夠通過絕緣監(jiān)測裝置正確對其進(jìn)行監(jiān)測，在顯示屏上顯示負(fù)、正母線的對地電阻和電壓，發(fā)出音響報(bào)警并彈出相應(yīng)的畫面，通過裝置的有關(guān)提示即可找出接地的支路接地電阻及支路號。測量支路對地電阻精度不大于10%。

在母線和支路上通過模擬電阻（100KΩ、200KΩ、300KΩ、500KΩ、700KΩ、900KΩ）。分別對正、負(fù)極做接地試驗(yàn)，絕緣監(jiān)測裝置能夠正確對直流母線的絕緣狀況進(jìn)行監(jiān)測，在屏幕上顯示正、負(fù)母線的對地電壓和電阻，小于200KΩ測量精度≤10%。大于200KΩ測量精度≤25%，滿足規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本文介紹的絕緣監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果，不僅能夠解決正負(fù)母線絕緣同時(shí)下降的問題，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示支路絕緣在高阻下的絕緣值，運(yùn)維人員可以及早發(fā)現(xiàn)絕緣下降原因并及時(shí)處理，從而將故障消滅于萌芽階段，為電力系統(tǒng)安全、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。