基于动态差值法的直流系统绝缘监测技术

周 军 朱博楠 杨圣强 王 鹏

（东北电力大学电气工程学院 吉林 132012）

1 引言

发电厂和变电站的直流系统为各种监控保护设备及操作回路提供电源，其运行状况的好坏直接关系到发电厂和变电站能否正常运行[1-5]。支路接地是直流系统最常见的绝缘破坏故障，若不能及时找到并排除接地点，在系统出现多点接地时，将造成直流电源短路或保护设备误动作，引起严重后果[6-10]。电桥法、变频探测法和直流漏电流法是目前用于直流系统绝缘监测的主要三种方法[11-13]。应用最广泛的是电桥法，其基本原理是人为地设置两个等值电阻与直流母线正、负极对地接地电阻构成一个电桥，系统正常时，电桥平衡；当直流系统某一极接地时，电桥失去平衡，发出漏电报警信号。但使用电桥法监测接地故障时，只能判断直流系统的整体绝缘状态，不能实现故障分支定位。在正负极绝缘均下降时，无法准确及时报警。变频探测法是近些年才采用的一种直流系统漏电接地检测方法，其基本原理是定时的在直流系统母线与大地之间注入低频交流电流信号，根据交流电流信号的流向来查找接地故障，但使用变频探测法监测接地故障时，不仅会增大系统的电压纹波系数,影响供电质量，而且受系统的分布电容影响,使分辨率降低[14-19]。直流漏电流法则是主要通过检测直流系统支路对地直流不平衡电流，选择接地故障所在支路来进行绝缘检测，其缺点是由于漏电流一般较小，难以测量，严重限制了故障检测的精度和灵敏度[2,3]。

针对上述问题，本文提出一种能够有效、快速地检测出故障支路的绝缘监测方法—动态差值法。即通过两次投切电阻后获得母线漏电流和绝缘电阻实现母线绝缘监测；通过获得支路电压变化量与漏电流变化量的比值来实现支路绝缘检测，该方法对直流系统的安全运行无影响、无检测死区、不受系统的分布电容影响、能检测出多条支路同时接地故障，不仅消除了传感器零点漂移引起的误报及漏报，而且提高了检测精度。

2 动态差值法基本原理

动态差值法是基于直流漏电流检测法的改进。直流漏电流检测法是通过检测母线电压﹑投入检测电阻后获得的母线与支路的绝缘电阻实现母线绝缘监测和支路绝缘检测的方法[20,21]。但支路绝缘检测受传感器零点漂移影响较大。在此基础上提出的动态差值法利用两次投切电阻后的电压变化量与漏电流变化量的比值来检测支路接地故障，避免了由于传感器零点漂移引起的误报和漏报。

2.1 母线绝缘电阻的测量

在保证不对系统产生影响的情况下，装置分别向正、负极母线投入检测电阻，如图1 所示。图中R+、R−分别代表直流系统支路对地绝缘电阻；R 为投入的检测电阻；U1和U2分别为投入的检测电阻对地电压值；I+和I−分别为对正极母线流入负载的电流值和负极母线流出负载的电流值；U 为正负母线间电压。

图1 给直流母线投入检测电阻示意图 Fig.1 Putting a resistance into DC bus

（1）当K+闭合、K−断开，检测电阻R 投入正极母线，图2 为等效电路。

式中，U1为投入的检测电阻两端电压值；I1为投入的检测电阻连接在正母线时主回路电流。

图2 检测电阻投入正极母线等效电路 Fig.2 Equivalent circuit of putting a resistance into positive bus

（2）当K−闭合、K+断开，检测电阻R 投入负极母线，图3 为等效电路

式中，U2为投入的检测电阻两端电压值；I2为投入的检测电阻连接在负母线时主回路电流。

图3 检测电阻投入负极母线等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of putting a resistance into negative bus

联立以上4 式即可解出投切电阻连接在正或负母线时主回路电流I1和I2；母线对地绝缘电阻值R1和R2。

2.2 支路绝缘电阻的测量

母线正、负极绝缘电阻R1和R2只能反映整个系统的绝缘情况，不能确定哪条支路有接地故障，需对支路进行电压、电流检测求出接地电阻值R 判断接地支路。其原理是：在直流系统各支路套装传感器采集本支路漏电流，如图1 中1 号支路所示。正常情况下，I+＝I−，传感器输出漏电流值为零；当支路绝缘下降时，I+≠I−，传感器输出漏电流值为ΔI＝I+-I−。

（1）设3 号支路正、负极分别经R3+、R3−接地，在K−闭合、K+断开时，检测电阻R 投入负极母线，如图4 为等效电路。微机检测出正极母线对地电压U+′，3 号支路传感器采集本支路漏电流ΔI31，可得

图4 检测电阻投入负极母线时支路等效电路 Fig.4 Equivalent circuit of branch by putting a resistance into negative bus

同理，检测电阻R 投入正极母线，如图5 为等效电路，可得正极母线电压U+′和支路漏电流ΔI32

图5 检测电阻投入正极母线时支路等效电路 Fig.5 Equivalent circuit of branch by putting a resistance into positive bus

联立式（9）和式（10），得支路绝缘电阻计算式（11）

即

式中，ΔU 是电压的变化量，等于测量电阻投入正母线时正极对地电压值与测量电阻投入负母线时正极对地电压值之差，即；ΔI 是漏电流的变化量，等于测量电阻投入正母线时传感器采集的漏电流值与测量电阻投入负母线时传感器采集的漏电流值之差，即ΔI=ΔI32-ΔI31；Rd是支路对地绝缘电阻值，它是一个综合等效量，相当于图1 中3 号支路正极对地绝缘电阻值与负极对地绝缘电阻值的并联值，即Rd=R3+//R3−。

（2）设3 号支路正极经R3+接地时，R3−→∞。分别向正、负极母线投入检测电阻，同样测得两组正极母线电压和支路漏电流值。此时 Δ U+′=0，ΔI32=0。则得支路绝缘电阻计算式为

（3）设2 号和3 号支路的正极分别经R2+、R3+接地时，R3−→∞，R2−→∞。分别向正、负极母线投入检测电阻，同样测得两组正极母线电压和2 号、3号支路漏电流值。此时，ΔU+′=0,ΔI22=0,ΔI32=0。则得支路绝缘电阻计算式（13）、式（14）

同理，对于多条支路同极性绝缘同时下降的情况，向正、负极母线投入检测电阻，能检测出所有正极（或负极）同时绝缘下降的支路。

综上所述，对于直流系统的各种接地故障现象，可以统一用式（11）作为其支路的判别指标。

2.3 零点漂移的抑制

传统的检测中采用绝对值的方法，即R=U/I。测量电流信号一般是在几十µA～5mA 以下变化。经实践及理论分析发现，这个值受温度、湿度等环境的影响极大，而剩磁的影响更大。即

式中，I1为装置测得系统漏电流；I基1为此时漏电流传感器基础零点；Ix为实际系统漏电流。

随着时间的推移外界环境条件发生变化（温漂），或者剩磁的现象，测量电流信号的传感器零点慢慢发生漂移，当零点漂移比较严重（I基1≠I基2），在同一故障下再次测量时有

式中，I2为装置测得系统漏电流；I基2为此时漏电流传感器基础零点；Iy为实际系统漏电流。

监测装置在同一故障下不同时间测得的系统漏电流I1≠I2，由于漏电流信号本身十分微小，漏电流传感器零点的漂移将导致在同一故障下装置测量的系统对地绝缘电阻值发生巨大变化，引起漏报或误报的现象。

动态差值法的实质就是将信号绝对值的影响变换为信号的微变的变化量的影响。具体为式（11），即将求电流的绝对值变换为求电流的相对值。此方法通过装置连续两次向系统正、负母线投入检测电阻测得

装置两次采集时间间隔Δt=100ms。在这样短的时间内环境温度等因素的影响可忽略不计，即I基1= I基2。所以有

并且两次投切检测电阻后的电压变化量ΔU 比较稳定。由式（11）可得该方法有效地避免了由系统的零漂引起的I基1、I基2的变化所产生的误差，保证了测量的准确性。

2.4 绝缘电阻检测范围

在实际中如果现场出现绝缘比较恶劣的情况，为了保证直流系统的安全运行投切电阻不能过小，所以由于投入电阻造成系统漏电流的改变量也很小，故设正母线绝缘电阻R+=100kΩ，负母线绝缘电阻R-=100kΩ；为计算装置在该情况下测得对地绝缘电阻的最大值Rmax，故在系统支路正极人为接入故障电阻Rmax，并认为该支路负极绝缘情况良好（R支-→∞），具体如下所述。

当检测电阻投入正极时可得（见图6）

图6 检测电阻投入正极母线时等效电路 Fig.6 Equivalent circuit by putting a resistance into positive bus

当检测电阻投入负极时可得（见图7）

图7 检测电阻投入负极母线时等效电路 Fig.7 Equivalent circuit by putting a resistance into negative bus

当漏电流传感器测得ΔI=ΔI1-ΔI2=0.08mA 时可获得装置检测系统绝缘电阻的最大值。联立式（20）和式（21）可得Rmax≈833kΩ。即绝缘电阻测量最大值可达800kΩ。

3 实验结果及分析

3.1 母线绝缘测试

在电路实验中，按图1 所示的网络结构搭建回路进行模拟实验，验证本文提出方法的有效性。各电气元件的构成与参数如下：投入母线的检测电阻太小影响系统安全性，投入母线检测电阻过大影响检测灵敏度和精度，所以选取R=100kΩ[22]；直流母线电压依据实验室仪器输出电压U=217V；漏电流传感器选用量程0.04～300mA，分辨率为0.08mA 的穿心式智能漏电流传感器。由于220V 直流系统报警阈值为25kΩ[23]，测量误差允许值为5%，试验中分别选30～300kΩ 范围内的电阻接入母线及支路模拟直流系统绝缘故障电阻，验证在大大提高报警阈值的情况下能否准确报警，其结果如表1、表2 所示。

表1 母线绝缘监测 Tab.1 Insulation monitoring of the bus

由表1 得，用本文提出的母线绝缘电阻公式计算母线测试电阻值所得结果误差不超过5%，符合工程设计要求。分析误差产生原因主要由于测量仪器分辨率有限及计算中的舍入误差造成的。由上述电路实验结果可知，利用动态差值法检测出的母线绝缘电阻值具有很高的准确度。

3.2 支路绝缘测试

母线绝缘情况只能反映整个系统的绝缘好坏，当系统母线绝缘下降时，需要查找绝缘故障支路排除隐患。在图1 中1#支路上正极和2#支路上负极接入电阻模拟系统多条支路在不同情况下同时绝缘故障时的情况，通过测量两次投切检测电阻后的电压变化量与漏电流变化量，利用本文提出的动态差值法支路绝缘电阻计算公式Rd=ΔU/ΔI，从而计算出支路绝缘电阻综合值（并联值），如表2 所示。

表2 支路绝缘检测 Tab.2 Insulation monitoring of the branch

由表2 得，用本文提出的支路绝缘电阻公式计算支路测试电阻值所得结果误差不超过5%，符合工程设计要求。此外，在绝缘电阻值比较小时，测量精度比较高；在绝缘电阻值比较大时，测量精度降低。这是因为绝缘电阻比较大时，流过电流传感器和测量电阻的电流小，而传感器的分辨率有限。由上述分析和电路实验结果可知，在多条支路绝缘同时下降时，系统可以比较准确的测得支路绝缘电阻值并且可以准确定位绝缘故障支路，并且可以根据测得的绝缘电阻值进行绝缘排序，这成为现场工作人员在排查绝缘故障和检修工作中的重要依据。

3.3 零点漂移消除测试

由于温度、湿度等环境因素和剩磁的影响，检测支路漏电流信号的非接触式电流互感器会发生零点漂移从而测得漏电流值不准，最终导致检测的支路绝缘电阻值不正确。为此在图1 中3#支路的传感器中穿过通有1mA 电流的导线模拟传感器零点漂移（此时传感器的零点为1mA 的电流信号），同时在 3#支路的正、负极上接入电阻模拟支路绝缘故障，测试情况如表3 所示。

表3 支路绝缘监测 Tab.3 Insulation monitoring of the branch

当支路正、负极绝缘情况良好时，两极对地电阻相当于无穷大；任意一极出现绝缘故障时其对地电阻降低。由表3 可得，当传感器发生零点漂移时，利用动态差值法计算所得的支路绝缘电阻值与实测电阻值相近，所有误差均不超过5%，符合工程设计要求。上述实验表明，利用动态差值法检测系统绝缘电阻不仅消除了传感器零点漂移引起的误报及漏报，而且提高了检测精度。

3.4 现场运行数据分析

此产品已在黑龙江省电力有限公司鹤岗电业局宝泉岭110kV 变电站安装并投入运行，在近2 年的运行期间该装置运行工作稳定，无须人为操作，自动检测。运行2 年期间曾经发生3 次直流系统接地故障现象，摘其中2 次记录如下：

（1）2011 年8 月11 日7 时30 分发出直流系统绝缘报警，报警值显示母线绝缘21kΩ，支路绝缘显示宝纸线47kΩ，工业一线35kΩ。经检查确定是宝纸线、工业一线绝缘下降，并且很快查找到故障发生点。

（2）2012 年6 月3 日5 时10 分装置发出直流系统绝缘报警，报警值显示母线绝缘36kΩ，支路绝缘显示35kV 宝萝线绝缘38kΩ，很快找到故障发生点。

该现场记录说明了基于动态差值法的直流系统绝缘监测装置可以准确的测得系统的母线对地绝缘电阻值，并且在多条支路同时发生故障时可准确定位故障支路，使运维检修人员快速排除故障，保证了直流系统安全稳定运行。

4 结论

本文针对其他直流系统绝缘监测方法的不足，从提高检测精度和防止保护误动的角度，提出一种直流系统绝缘监测的新方法，即动态差值法。重点描述了利用动态差值法检测直流系统接地故障的基本原理与步骤,并在此基础上论证了其可行性。该方法的优点是：不受系统分布电容的影响；覆盖了直流系统绝缘报警值的各种故障现象，做到了无检测死区；消除了传感器零点漂移问题在支路检测中造成的误判或漏判；实时监测直流系统正、负母线的绝缘及各支路的绝缘状况。该方法虽然提高了现有直流系统接地故障检测的精度，但仍存在不足之处：无法分别检测出各个支路正、负极对地绝缘电阻值，仅能获得整个支路对地绝缘电阻的综合值（并联值）。利用本文提出的方法应用于直流系统绝缘监测装置，经在黑龙江省鹤岗电业局宝泉岭110kV 变电站现场投运、试验，证明了此方法的可靠与准确。

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