电容组模块在绝缘监测校验仪中作用的探讨

符宏艳，刘 斌，王晓明

（广西电网有限责任公司北海供电局，广西 北海 536000）

直流系统作为二次系统的电源系统，其作用至关重要。对于直流系统来说，良好的绝缘性是保证直流系统安全、稳定运行的重要指标[1-2]。因此，在直流系统中，都配备有直流系统绝缘监测装置对直流系统的绝缘进行实时监测。

绝缘监测装置投入运行后，随着时间的推移，其性能参数、准确度都有偏移，按照《变电站直流系统绝缘监测装置技术规范》（Q/GDW 1969—2013）等要求[3]，需要专业的校验设备，定期线下对其进行性能参数校准。

目前，许多校验仪只能模拟直流系统的绝缘内阻环境，但是针对直流电源系统真实存在的对地分布电容却没有考虑，因此，本文从对地分布电容存在的实际出发，分析了校验仪利用电容组模块还原分布电容的合理性以及必要性，并给出了结构示意图，为相关校验仪的研发生产单位提供了一种思路。

1 直流系统对地分布电容的来源

在直流电源系统中，由于电路的分布特点造成的具有电容属性的现象称之为分布电容。分布电容主要包括设备的分布电容和电缆的分布电容。直流系统采用的是射形结构，接入直流的设备、元件以及电缆越来越多，这些设备、元件以及电缆的分布电容都并联在了直流系统里。

1.1 设备的分布电容

目前，直流系统中保护设备多采用的是微机保护装置，这些装置电源基本上都是取自直流系统，但是这些微机设备所使用的都是采用DC/DC 模块对取自直流系统的电压进行转换处理，转换为装置自身提供电源的5 V、12 V 或24 V等，由于DC/DC 开关电源模块的电磁兼容（EMC）问题使得其在输入段都有加EMI（Electro Magnetic Interference）抗干扰措施，而该项技术的特点就是在正对地和负对地之间接有电容，通过EMI 手段来消除噪声源对开关电源及设备的影响，这些就形成了对地的分布电容。随着电网电压等级不断提高，微机保护设备数量在不断增多，叠加在直流系统上的对地分布电容就越来越大[1]。

1.2 电缆的分布电容

在电力、电网系统，变电站或电厂的保护及控制电缆一般使用的电缆为KVVP22 带屏蔽层的多芯电缆，芯线横截面积多为2.5 mm2，根据国家电网十八项反措要求，变电站内或电厂内的控制及信号电缆屏蔽层需通过4 mm2软铜线在电缆两端接地，因此，电缆对屏蔽层产生电容效应，形成了分布电容。另外，在多芯电缆内部，线芯与线芯之间也存在分布电容。4 芯电缆分布电容等效如图1所示。

图1 4 芯电缆分布电容等效图

电缆与屏蔽层之间存在的分布电容为C1、C3、C5、C7，线芯之间的分布电容为C2、C4、C6、C8、C9、C10。线芯与屏蔽层的距离相等，因此C1=C3=C5=C7。

同理，根据线芯之间的距离相等原理，C2=C4=C6=C8，C9=C10。

7 芯电缆的分布电容等效如图2所示，线芯与线芯之间的分布电容大小相等。

图2 7 芯电缆分布电容等效图

电缆在出厂时都满足电缆对分布电容的要求，并且该分布电容很小，对直流系统来说可以忽略不计，但是，这些电缆经过长期的使用，因为所处环境变化的因素，使得电缆会有受潮、老化等现象，特别对于电厂来说，长距离的拉线，这一系列的因素造成直流系统分电容不断加大。

2 直流系统绝缘监测装置原理

目前，市场上的绝缘监测装置的监测原理，主要采用两种方法，即一种是直流差值法，另外一种则是交流低频法[3]。

2.1 直流差值法

所谓直流差值法，即通过对直流电源系统各接地的支路电流不平衡度（漏电流）的测量，当发生直流接地时，通过漏电流的大小，定位接地故障支路的方法。由于直流漏电电流是小电流，监测设备一般采用非常精度、灵敏度高的直流漏电流传感器进行监测。随着霍尔传感器、通用放大器等半导体技术的高速发展，直流漏电流的监测不再是难题[2]。直流系统支路漏电流监测基本原理如图3所示。

图3 直流小信号绝缘监测原理

图3中，漏电流互感器加在支路的正负电缆上，由于正负电缆同时穿过漏电流互感器，正常无接地漏电情况，流过互感器的两路电流大小相等极性相反，互感器感应到的叠加电流为零。当有电缆接地故障时候，互感器测出电流大小与极性与装置的标准接地电阻接地的漏电流大小与极性对比，极性相同，确认接地线路的极性，大小如果超出标准接地电流，就确认该线路接地故障。

2.2 低频交流法

用已知频率和振幅的正弦交流低频激励信号产生的接地故障电流信号，通过信号接收器侦测接地故障支路的方法。正弦交流低频激励信号是由外部信号源注入的称为交流低频注入法，正弦交流低频激励信号是由交变检测电阻产生 的称为交流低频变桥法。一种便携式低频交流法原理如图4所示。

在直流系统负极端与地之间接入低频信号发生器，输入接地信号，如果直流系统绝缘正常，交流小信号不能形成回路，信号接收器在正负线缆上都测不到同频交流小信号，如果存在接地漏电，接地电阻为R，那么交流小信号就通过R与地相通，信号源输出形成回路，信号接收器感应到同频信号，通过不同位置测试的信号差值大小，定位该支路存在接地故障。

图4 交流注入法绝缘监测原理图

2.3 分布电容对绝缘监测方法的影响

上述的直流差值法与低频交流注入法两种方法，其中分布电容对交流低频法产生的影响较大，因为电容具有的隔直通交特性，当直流系统中的分布电容过大时，会对低频交流信号产生滤波衰减现象，因此，在检测过程中，如果处理不好就会造成检测结果的差异较大。

3 绝缘监测装置的校验

3.1 绝缘监测装置校验简介及必要性

绝缘监测装置的校验是通过专门校验仪器对绝缘监测装置进行性能参数进行检测校正的行为。校验仪通过标准电路模块，模拟出直流系统中的各种接地故障，然后检测绝缘监测装置对故障检测的正确性和准确性。

目前，很多校验器只有标准电阻组模块模拟接地，没有标准电容组模块模拟分布电容，而实际直流系统中或多或少都会存在一些分布电容，在模拟直流系统故障时就需要校验仪能够真实还原绝缘监测装置运行环境，因此，校验仪中需要加入电容模块以满足校验的需求十分必要。

3.2 绝缘监测装置校验仪校验原理

因为绝缘监测装置的主要功能是对直流系统的绝缘情况进行实时监测[4]，因此，校验仪的原理必须是能够真实模拟出直流系统的各种绝缘情况，加有电容模块电路的校验仪的功能结构如图5所示。

校验仪主要功能模块包括整流模块（AC/DC）、隔离变压器（AC/AC）、电阻阵列以及电容阵列。

整流模块把交流电压转换为直流电压，输出的直流电压模拟直流母线电压；隔离的交流变压器用于模拟交流窜入直流；电阻阵列和电容阵列连接在母线上，通过对电阻阵列和电容阵列的调控，可以模拟出直流系统的绝缘情况和分布电容，也可以把电阻阵列和电容阵列当做直流馈线支路进行相应的电阻、电容模拟。

如果校验仪中加入了电容阵列，能够把直流系统中分布电容的真实情况反映出来，这样用绝缘监测装置进行检验时才能模拟更加真实的运行环境。如果缺少电容阵列，无法真实还原系统分布电容情况，绝缘监测抗分布电容不合格，则势必会造成绝缘监测装置数据不准确，在直流系统的运行中埋下隐患。

图5 绝缘监测装置校验仪功能结构图

4 结束语

通过对直流系统中分布电容存在原因的理论探讨分析，在直流电源系统中，分布电容的存在是不可忽略的一种现象，不同的直流系统中分布电容的大小不一样，产生的影响也不一样。同时由于绝缘监测装置监测方法的不同，分布电容对监测结果也有影响。因此，为了确保绝缘装置准确地监测出系统绝缘故障，必须对其做标准校验，不仅仅对绝缘监测装置进行电阻校验，也要使用标准的校验仪来模拟分布电容的实际直流系统运行环境，这样校验的数据才是全面、精确的。所以，校验仪器加入电容模块是非常合理的，也是十分必要的。绝缘装置性能参数更加全面、准确，为保障直流电源系统的安全运行意义重大。