直流系统绝缘监测装置校验技术探讨

吴 强，万信书，曾文江，徐世舟

（1.海南电网有限责任公司 电力科学研究院，海南 海口 570100；2.海南电网有限责任公司 输变电检修分公司，海南 儋州 571700；3.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州 511400）

1 概 述

电力系统二次设备电源采用直流电源供电，低压直流系统中的电源设备是变电站/电厂内的重要设备[1]。低压直流系统电源由充电机和蓄电池组构成，直流系统是可独立于发动机的供电系统[2]。电力生产过程中二次用电负荷极为重要，对持续可靠供电的要求很高，因此直流系统的持续可靠是保障变电站安全运行的条件之一[3]。直流电源系统的可靠性直接关乎电力安全生产，为保障直流系统可靠运行、保证保护设备准确动作，直流系统设计为不接地系统；为监测直流系统绝缘故障，直流系统成套设备配备有绝缘在线监测装置[4]。

2 绝缘监测装置缺陷危害

随着时间的推移，电子设备内部电子元器件会有轻微的老化。随着这些内部元器件的老化，在进行绝缘监测时可能会出现绝缘装置损坏，导致系统有接地不告警、直流系统对地电压波动和偏移、两极接地不能告警以及接地选线准确率低等问题[5]。同时由于缺少相关规范和标准，各厂家在设计时只考虑自身产品性能特点和抗干扰能力，忽略了对系统的综合影响，这给电力系统的安全稳定运行带来极大的隐患[6,7]。

2.1 老化导致互感器零点漂移

互感器是绝缘监测装置的底层配件，是测量绝缘故障的基础元件。互感器内部涉及大量电子元件，这些电子元件可以实现对互感器感应的微小信号进行放大。互感器长时间运行后，其中的电子元件会发生老化，这会使得电流互感器的输出发生漂移[8]。互感器零点漂移如图1所示。

图1 互感器零点漂移

如图1所示，假设#1支路的电流互感器发生零点漂移为-2 mA，#2支路的电流互感器检测电流为+2 mA。当支路#2发生负极10 kΩ电阻接地时，#1支路存在因为零点漂移而产生的2 mA漏电流，而#2支路有正向零点漂移电流和反向接地漏电流，两电流方向相反、相互抑制，影响测量计算结果。此时，绝缘装置可能报#1支路接地、#2支路不接地，发生误报接地故障支路、漏报接地故障支路的现象。

2.2 原理层面

2.2.1 漏电流原理

漏电流检测是通过绝缘监测装置平衡桥与接地回路构成有效电气回路，监测各支路漏电流是否为零来判断支路接地情况。当直流系统正负母线对地电压变化时，测量各支路中漏电流来计算支路绝缘电阻。该原理存在不可区分环网形成的环流和接地电流的问题，同时在同一馈线支路两极接地时形成的漏电流相互抑制，这导致互感器不能通过漏电流来选出故障支路。除此之外，装置运行时间久后，CT会出零漂现象，导致选线误差大。

2.2.2 变化漏电流原理

图2 变化漏电流原理

这样虽然解决了漏电流带来的无法区分环流、无法监测两极接地、交流干扰、零漂等问题，但为了保障电力系统安全，必须控制母线对地电压波动幅值。

2.2.3 注入信号原理

注入信号在实际使用中容易引起设备误动或干扰设备，检测精度也会受到接地电容影响，不易被用户接受。国家能源局25项反措规程中明确了新投入或改造后的直流电源系统绝缘监测装置不应采用交流注入法测量直流电源系统绝缘状态，故不做分析。

2.2.4 平衡桥原理

平衡桥电路原理如图3所示。

图3 平衡桥电路原理

以系统电压为220 V为例，在单极接地计算过程中，其电压、电阻之间的关系为：

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（1）当系统电压为 220 V、R1=100 kΩ 时，假设此时正极恰好有个5 kΩ的电阻接地，代入公式计算电压值为U+≈ 10 V、U-≈ 210 V。

（2）当系统电压为 220 V、R1=10 kΩ，假设此时正极有个5 kΩ的电阻接地，代入公式计算电压值为U+≈55 V、U-≈165 V。此时通过R1的电流变为约 17 mA。

（3）当系统发生两极接地时，系统原理图如图4所示。因为有两个未知数，所以求不出两极接地的电阻。

图4 两极接地

综上所述，平衡桥原理设备平衡桥过大会导致电压偏移量大，平衡桥过小限流作用消弱。

2.2.5 乒乓桥原理

乒乓桥原理电路如图5所示。

图5 乒乓桥电路

当系统母线电压为 232 V、R1=100 kΩ、R2=100 kΩ时，此时分别闭合k1和k2可以计算出R3和R4的阻值。假设算出的R3=R4=200 kΩ，当k1闭合时，根据公式（1）得出U+=58 V、U-=174 V；当k2闭合时，根据公式（1）得出U-=58 V、U+=174 V，这样虽然可以计算出两极接地的电阻，但是电压波动大。

2.2.6 平衡桥加检测桥原理

平衡桥加检测测桥原理如图6所示。

图6 平衡桥加检测桥原理图

假设系统电压为 220 V、R1=80 kΩ、R2=120 kΩ，当 k1闭合时，根据公式（1）得出 V-=175.12 V，V+=4.8V；当K2闭合时，根据公式（1）得出U+=67.35 V、U-=152.65 V。

综上所述，绝缘装置随着运行时间推移可能发生零点漂移问题，因此有必要开展绝缘监测装置校验工作。

3 在线校验绝缘监测装置方法

3.1 传统方法

在电站进行在线绝缘监测装置检测时，传统方法只能简单的在系统某一支路通过电阻做一个正极或者负极接地处理。在这里以负极接地为例进行说明，大致电路如图7所示。

图7 负极接地

通过在某个馈线支路将电阻接入负极来模拟负极接地，监测系统能否正常告警，并计算出接地电阻阻值[9]。

3.2 绝缘监测装置新校验方法

通过上面的论述，在传统在线校验绝缘监测装置方法的基础上设计一款轻便且适用于班组在现场进行绝缘监测装置检验的校验仪。因为这是专为一线班组工作需求设计，所以体积和重量是考虑第一因素。

使用2个110 V、1 A开关电源模拟直流系统电源，可模拟110 V和220 V两种电压等级，通过开关k1、k2以及k3控制输出，其中k1和k2控制进行互锁设计。绝缘电阻设计有5 kΩ、10 kΩ、15 kΩ、25 kΩ、30 kΩ、50 kΩ、80 kΩ、100 kΩ 以及 150 kΩ。设计 1 uF、4 uF 和 10 uF 这 3个电容，校验绝缘检测装置选线时分布电容抗干扰能力。设计交流故障源，校验绝缘检测装置检测交流接地功能。设计一对20 kΩ电阻的平衡桥，这个平衡桥可以临时监测直流系统绝缘装置。通过这样的设计使得校验仪实现模拟各种电阻性接地功能、模拟支路分布电容干扰功能、模拟交流窜电故障功能、评估绝缘检测装置平衡桥电阻功能以及模拟瞬时接地功能[10]。

4 绝缘监测装置校验仪设计

装置架构如图8所示。

图8 装置架构

电源负责给各电路模块供电。4路直流电流采集模块分别采集校验仪输出母线的对地电压、平衡桥对地电压等，依据平衡桥电压进行压差告警。交流电压采集模块是采集校验仪母线对地交流电源。非控制负载一头接地线测试孔、一头接负载试验测试孔。平衡桥设计两电阻，引出测试孔。

电压采样电路电路原理如图9所示。

图9 电压采样电路

交流信号经过电阻分压，再经过滤波器进行滤波处理。完成滤波的信号经过隔离放大，再经过运算放大器放大，最后通过滤波器滤波，进入AD转换芯片进行采样。

电源控制原理如图10所示。

图10 电源控制流程

班组校验仪主要为班组现场校验绝缘监测装置，应用操作如图11所示。临时监测接入直流系统（“+”接直流系统+KM、“-”接直流系统-KM），运行绝缘监测装置接入校验仪直流电源，模拟故障负荷通过跳线绕过绝缘监测装置CT后接回校验仪母线。

图11 引用接线

现场试验项目：一是单极一点接地试验，能够试验多种接地电阻；二是单极多点接地试验，将2个及以上电阻同时接入正极或者负极进行试验；三是两极接地试验，在正极和负极同时接入电阻进行试验；四是一点接地电容干扰选线试验，在模拟直流接地故障时同时使用跳线接通电容绕过CT进行试验；五是交流接地试验，通过模拟不同电压流入直流系统来试验；六是临时监测直流系统绝缘故障，在绝缘监测装置退出直流系统进行校验期间承担直流系统绝故障监测功能，发生绝缘故障引起电压偏差时进行告警。

5 结 论

本文论述了一种有效的现场开展绝缘监测装置校验方法，并设计一种应用于现场校验绝缘装置的校验仪，供电力生产一线维护人员检修绝缘监测装置使用，有效解决了绝缘监测装置定检工作难题，为电力安全生产提供帮助。