便携式直流绝缘检测算法研究与应用

黄海宏，黄煜炜，刘鑫

（1.合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009；2.国网安徽省电力有限公司检修分公司，安徽 合肥 230000）

直流电源系统是发电厂和变电站中保护、信号、通讯等回路的电源，其绕行回路长，分布支路多，经常会由于线路老化或人为损伤等原因，造成线路绝缘下降，甚至直接接地，进而引发继电保护装置误动作，甚至熔断器熔断或主回路跳闸等严重后果[1-3]。为了保证这些分支网络可靠运行，防止因绝缘问题导致事故发生，发电厂和变电站中均安装微机型直流绝缘监察装置。但随着时间推移和环境变化，一些老场站会出现绝缘监察装置漏报或误报现象，形成直流系统的安全运行隐患。其中首要原因就是直流漏电流传感器会发生零点漂移现象[4]，造成绝缘电阻计算不准，引起绝缘监察装置漏报或误报。因此需要开发出便携式绝缘检测校验仪器，在发生故障时辅助查找故障支路，还可以校验已有绝缘监察装置精度。

作为检测仪表，便携式绝缘检测校验仪器应确保原有直流系统安全，不能引起继电保护装置误动作。文献[5-6]分析了一点接地引发继电保护误动作原理，并提出单桥臂系统设计方式，但未对检测算法进行分析。同时，便携式绝缘检测校验仪器应便于操作，故选用开合式的钳型直流漏电流传感器，但钳型直流漏电流传感器零漂较大，不能满足计算精度要求。为克服直流漏电流传感器零漂，文献[7-8]提出动态差值法思想，并结合双桥臂系统进行了算法分析。

本文结合单桥臂设计方式和动态差值法思想，详细推导了适用于便携式绝缘检测的单桥臂母线绝缘算法和支路绝缘动态差值算法，该算法可以有效降低一点接地引发继电保护装置误动作风险，并能抵消漏电流传感器零漂影响。基于该算法设计了一款便携式的绝缘检测校验一体机，利用该一体机进行试验，证明了算法的有效性和计算精度。

1 防止一点接地误动的单桥臂设计

双桥臂直流绝缘监察系统原理图如图1所示。图中，Rp和Rn为正、负极直流母线对地电阻；Cp和Cn为正、负极直流母线对地电容；R为平衡桥电阻；R0为切换桥检测电阻；Sp和Sn为正、负极桥臂切换开关；RJ为出口动作继电器线圈内阻。正常运行时，通过桥臂开关Sp和Sn定时切换，形成不平衡桥，引起电压波动，测量不同开关状态下的up和un便可以计算出直流系统对地电阻[9-10]。

图1 双桥臂直流绝缘监察系统原理图Fig.1 Schematic diagram of dual-arm DC insulation monitoring system

一般而言，由于直流母线正、负极均不接地，所以当某一点发生接地时，不会对系统运行产生影响，只有两点接地才会影响系统安全，但根据现场运行经验表明，一点接地同样可能引发继电保护装置误动作。根据文献[5]分析可知，直流系统发生一点接地误动作需要3个条件：直流系统对地电容达到一定数量级；保护出口继电器线圈正电源侧发生一点接地；绝缘监察装置正常运行过程中直流母线负极对地电压超过了保护出口继电器动作电压。

图1所示的双桥臂直流绝缘监察系统在运行过程中，当投入正极检测电阻后，必然会造成系统正极对地等效电阻减小，从而引起系统负极对地电压升高。若此时系统正极对地电阻远小于系统负极对地电阻，或者检测电阻阻值选取不合适，可能会造成直流系统负极对地电压大于继电器动作电压，为继电保护误动作提供了一个条件。为了杜绝检测电阻投入引起绝缘监测装置误动作，可以采用单桥臂直流绝缘监察系统，原理图如图2所示。

图2 单桥臂直流绝缘监察系统原理图Fig.2 Schematic diagram of single-arm DC insulation monitoring system

图2所示的单桥臂直流绝缘监察系统，由于只有负极母线和地之间有检测电阻进行切换，检测电阻投入时，使得系统负极对地电阻减小，从而减小负极母线对地电压，不会出现由于检测电阻投切使得负极对地电压超过继电器动作电压的情况，可以有效降低由于一点接地引发的继电保护误动作风险。

2 直流漏电流传感器零漂

电流检测主要包括霍耳效应、电磁感应、光电效应和磁光效应等方法，由于直流漏电流是一种差值小信号，仅在mA级别，通常采用电磁感应方式检测剩余电流，常用测试方法是基于磁调制原理。目前，大多数直流漏电流传感器采用的是磁通门技术，利用互感器电磁隔离的原理，将需要检测的直流电流信号转换为固定比率的直流电流或者直流电压信号[11]。

直流漏电流传感器为了维持内部的磁场平衡，采用内部的方波震荡器产生电流来补偿原边电流，使输出电压或电流能够准确反映原边电流，故可用来检测直流小电流和差值电流。在使用时，用直流漏电流传感器夹住某一条线路，测量的是该线路中流过的直流电流，夹住两条线路测量的是两条线路中电流的差值，即漏电流。

但是由于温度变化、磁芯饱和或者传感器内部噪声、漂移失调等原因，直流漏电流传感器会存在一定的零点漂移，尤其是开合式的钳型漏电流传感器由于磁路不是完全紧密结合，零点漂移现象更为严重。图3所示为某型号的三个钳型直流漏电流传感器的零漂随时间变化图，每隔2 min测量一次传感器零漂；图4所示为某型号的一个钳型直流漏电流传感器分别两次测得的零漂随时间变化图。

图3 三个漏电流传感器零漂随时间变化图Fig.3 The zero drift of three leakage current sensors changes with time

图4 一个漏电流传感器两次零漂随时间变化对比图Fig.4 Comparison of two zero drift changes with time for a leakage current sensor

从图3可以看出，该型号钳型漏电流传感器零漂随时间波动较大，虽为同一型号，但是零漂各不相同。从图4可以看出，即使是同一个传感器，在不同环境下，零漂变化也不相同，且没有固定规律，不能采用数据拟合等方式得出零漂变化曲线。在实际绝缘电阻计算中，如果测得的漏电流误差达到0.1 mA级别就会带来较大误差，而上图所示传感器零漂最大可达1 mA级别，由此计算出的绝缘电阻将无法反映真实绝缘情况。闭合式直流漏电流传感器相对于开合式传感器通常精度更高，零漂更稳定，但不能满足便携式绝缘检验仪器需要，所以必须采取相应办法克服传感器零漂影响。

3 算法研究

3.1 母线绝缘算法

单桥臂系统检测母线绝缘状况原理如图5所示。图5a是桥臂开关S打开时的等效电路，此时分别测量正、负母线对地电压up1和un1；图5b是桥臂开关S闭合时的等效电路，此时分别测量正、负母线对地电压up2和un2。

图5 单桥臂检测母线绝缘原理图Fig.5 Schematic diagram of single-arm detection bus insulation

3.2 支路绝缘算法

单桥臂系统检测支路绝缘状况原理如图6所示。图中，Rkp为支路k正极对地电阻，Rkn为支路k负极对地电阻。图6a是桥臂开关S打开时的等效电路，此时分别测量正、负母线对地电压up1和un1以及支路k的漏电流Ik1；图6b是桥臂开关S闭合时的等效电路，此时分别测量正、负母线对地电压up2和un2以及支路k的漏电流Ik2。

图6 单桥臂检测支路绝缘原理图Fig.6 Schematic diagram of single-arm detection branch insulation

若直流系统仅正极接地，负极不接地，此时Rkn趋向于无穷，则式（21）计算的值即为Rkp。同理，若直流系统仅负极接地，正极不接地，此时Rkp趋向于无穷，则式（21）计算的值即为Rkn。

若直流系统正、负极均接地，可分两种情况：当计算的支路绝缘电阻并联值大于绝缘电阻报警值或预警值时，该支路的正、负极接地电阻必然大于绝缘电阻报警值或预警值，该支路绝缘情况没有问题；当计算的支路绝缘电阻并联值小于绝缘电阻报警值或预警值时，该支路绝缘情况可能存在问题，需对该支路进行检查。

4 一体机设计和实验验证

4.1 便携式绝缘检测校验一体机设计

便携式绝缘检测校验一体机系统如图7所示，主要分为数据采样和计算显示两个部分。数据采样采用霍耳电压传感器和钳型直流漏电流传感器，并采用16位的AD采样芯片以满足采样数据的采样精度；开关切换、数据处理和算法计算采用型号为TMS320F28335的DSP，程序用C语言编写，计算结果通过一块液晶屏幕实时显示。

图7 直流绝缘检测校验一体机系统图Fig.7 System diagram of DC insulation testing and verification integrated machine

采集单元主要承担的工作是采集不同开关时刻正、负极母线对地电压和漏电流传感器测量的电流。被测电压首先通过限流电阻转换为不高于10 mA的电流，然后经过变比为10 mA∶25 mA的电流型霍耳电压传感器，在传感器副边感应出相应的电流，最后通过对地电阻转换为电压信号送入AD芯片。被测漏电流首先通过变比为100 mA∶2.5 V的钳型直流漏电流传感器，把原边检测到的漏电流变换为电压信号。由于检测的漏电流相对较小，转换后的电压信号偏低，与后级AD的测量范围相差较远，为提高测量精度，设置同向放大电路和跟随电路将其电压信号放大后再送入AD芯片进行数模转换[12-13]。

采集到的电压和漏电流经过AD芯片转换送入DSP，首先通过电压判断接地情况，如果仅单极性接地，则此时液晶屏幕可直接显示接地极的绝缘阻值；如果正、负极均接地，则显示支路正、负极绝缘电阻并联值。该一体机还可以通过按键设置模拟接地电阻值，可同时输出4组模拟接地电阻，对已有的微机型直流绝缘监察装置进行检测能力校验。

4.2 实验验证

为了验证基于单桥臂的母线绝缘算法和支路动态差值算法的有效性，使用直流稳压电源输出直流240 V模拟正、负母线，选用额定量程为100 mA的钳型直流漏电传感器检测支路漏电流，其输出电压±2.5 V对应电流±100 mA，选用不同阻值功率电阻作为支路绝缘电阻。平衡桥电阻R=30 kΩ，切换桥检测电阻R0=30 kΩ，桥臂切换时间间隔为500 ms[14-15]。进行了3次单支路正、负极均接地实验，验证母线绝缘算法；由于便携式绝缘检测校验一体机可同时测量3个支路，所以分别进行1次三支路单极性接地实验和1次三支路正、负极均接地实验，验证支路绝缘算法。实验数据分别如表1～表3所示。

表1 验证母线绝缘算法实验数据Tab.1 Verify the experimental data of the bus insulation algorithm

表2 三支路单极性接地验证支路算法实验数据Tab.2 Three-branch unipolar grounding verification branch algorithm experimental data

表3 三支路正负均接地验证支路算法实验数据Tab.3 Three-branch both positive and negative polarity grouding rertification branch algoritm experimental data

由表1数据可以看出，母线绝缘算法可以准确计算出母线对地绝缘电阻值；由表2数据可以看出，支路绝缘算法在单极性接地时可以准确计算出接地极各支路接地电阻；由表3数据可以看出，支路绝缘算法在多支路正负极均接地时可以准确计算出各支路正、负极接地电阻并联值。综上，本文推导的基于单桥臂的母线绝缘算法和支路动态差值算法实际有效，精度较高，且在检测电阻投切过程中会使直流母线负极对地电压减小，能有效降低一点接地引起保护继电器误动作风险。

5 结论

本文分析了一点接地引起继电保护误动作的基本原理，提出了防止一点接地误动的单桥臂绝缘检测系统设计，并详细推导了便携式绝缘检测母线绝缘算法和支路动态差值算法，该算法推导过程简洁明了，能够克服直流漏电流传感器存在的零漂，提高计算精度。经便携式绝缘检测校验一体机实验，结果表明该算法精度较高，符合国家标准和便携式绝缘检测设备要求。但是，在直流系统正、负极均接地时，该算法仅能求得支路正、负极对地电阻并联值，因此有待进一步研究。