直流系统在线绝缘监测研究

贾丽中

摘要：在直流系统中，绝缘下降或直接接地将对设备的稳定运行和人身安全构成威胁。通常直流电源作为电气设备常用电源之一，其工作稳定性对于电力系统及通信系统可靠运行具有明显影响。而绝缘故障发生频次较高，其会导致相关回路动作，进而导致严重的安全事故及经济损失，因此有必要加强直流系统在线绝缘监测相关研究，提高系统运行的安全性和稳定性。本文依次阐述分析电桥平衡法、交流信号注入法以及差流检测法，旨在提升直流系统在线绝缘监测效果。

关键词：直流系统；在线绝缘监测；电桥平衡法；交流信号注入法；差流检测法

一、直流系统在线绝缘检测概述

直流系统是电力系统中不可缺少的重要组成部分，其能够为监控设备、继电器保护以及自动装置等提供安全稳定的电流电源，并且无带电导线直接接地。若是在直流系统当中某点对地绝缘电阻降低或是出现直接接地异常情况下，那么该点如同通过一定阻值的电阻接地或是直流接地，这时务必要迅速的找出故障点，同时做好排除工作，若是某处再产生绝缘故障问题，那么直流正负母线就很容易通过大地形成回路，进而出现安全隐患。若是分布电容很大，那么直流系统单点接地也很可能会导致绝缘故障。恶劣的环境、材料自身因素等方面都可能引起电力系统出现故障，人为因素、机械损伤等情况也经常会出现，只有尽快的找出故障问题采取排除手段才能使设备的运行可靠性得到保障。现阶段，国内外在直流系统绝缘检测方面采用的方法包括低频信号注入法以及电桥法等方法。低频信号注入法增加了直流电压纹波，会导致电能质量降低，这种方法在很大程度上会受到电容的影响。电桥法也可以分为平衡电桥法与不平衡电桥法，平衡电桥法并不会被分布电容所影响，但无法对正负母线同时接地以及绝缘电阻同时下降的情况加以检测。国内外运用较多的方法为不平衡电桥法，采取将两个或是多个快关共同切换进而构成不平衡桥。不平衡电阻的定时切换将使正负极对地电压产生波动，若是波动情况十分严重时，很可能会使得继电器误动作发生，对系统正常运行产生不利影响。若是不平衡电阻参数设置不当，那么也会导致检测结果准确性降低。

二、WZJD一6A型绝缘监测仪原理解析

（1）母线监测原理

在直流系统中．直流母线对地的绝缘电阻分为正极母线对地绝缘电阻R+和负极母线对地绝缘电阻R-。按电路基本原理分析可知，要求取R+与R-两个未知数，必须建立两组独立的回路方程式，再将其联立求解，方可求得R+与R-的电阻值。

（2）支路检测原理

该监测仪在主机中装有超低频信号源．该信号源将4Hz的超低频信号由母线对地注入直流系统。如果某支路经电阻接地．则装在该支路上的传感器会产生感应电流．感应电流的大小与接地电阻的大小成反比。感应电流经过一系列处理之后送人CPU进行数据处理．再通过RS485接口送入主机。主机一方面控制信号采集模块有序地采集各支路传感信号，另一方面又接收信号采集模块送来的数据。主机接收到的数据经过处理后，一方面送液晶显示器显示与输出报警．另一方面通过通讯接口电路传送给上位机。

三、电桥平衡法

该方法主要自正、负母线之间人工添加电阻桥路，这样使得其和直流系统正负母线对地绝缘电阻形成有效电桥，而电桥则用大地用作桥路中间点，基于两个电阻桥相关继电器确定绝缘故障是否存在。假设系统并未出现绝缘故障，而直流母线正负极对地绝缘电阻R+与R-阻值相同，这样可以确保电桥平衡性，而继电器内部仅存在微小不平衡电流，这样导致相关装置难以发送报警信号。如果系统出现绝缘故障时，正负母线对地绝缘电阻呈现不均匀降低情况，或者一端直接接地，这样均会导致电桥失衡，继电器中存在大不平衡电流，且电流值超过整定值，继电器则会及时发送绝缘报警信号，提示已出现绝缘故障。该方法可归属为静态测量方法，其不用向系统输入交流信号，因此不必额外添加被测直流系统电压纹波系数，该方法硬件电路布设较为简单，并且检测精度受系统分布电容相关影响较小，实际检测时间较短，因此该方法已获得一定应用，但对于绝缘情况具有定性要求。

该方法缺点主要表现为下列三个方面，首先该方法仅能对于整个系统绝缘状况实施有效判断，但难以明显定位故障位置。其次如果直流接地故障出现在蓄电池、充电设备及直流母线时，使用该方法也难以精确定位故障发生位置。接下来假使出现两点接地故障、多点接地故障或因多点虚接地而产生绝缘接触不良现象时，其无法再较短时间内实现对接地点位置精确查找。最后当直流系统正、负母线对地绝缘电阻同条件降低时，电桥依旧保持平衡，这样难以利用继电器发送相应的报警信号。如果直流系统正负母线对绝缘电阻差异降低时，电桥表现出明显不平衡，这样使得装置及时发送绝缘误报警信号。

因此，平衡电桥法适合在支路数不多、继电保护回路简单、自动化水平较低同时对供电可靠性要求较低的小型变电站中使用。在大型电站，其主要起到对接地事故预告的作用，可以配合其他绝缘检测方法来实现对接地故障的查找。

四、交流信号注入法

交流信号注入法又称为低频信号探测法，其基本思路是通过在直流系统正负母线与大地之间定时注入低频率电压信号，用接在支路中的电流互感器检测出各支路中的互感电流，从而可以判断出注入电压信号的流向，实现对故障支路确定。交流信号注入法既可应用到在线监测装置上，通过对注入的低频电压信号轨迹的查找来确定接地故障所发生支路；也可应用于同接地故障定位仪的配合中，通过在己经确定的故障支路上寻找所注入的低频电压信号轨迹，信号消失的地方可判定为故障发生点。根据注入的低频电压信号是否变化，又可将该方法分为下列两种方法。

2.1定频法

该方式就是通过向直流系统正负母线与大地之间注入一个频率固定的低频电压信号，如果某一支路发生接地故障时，则所加低频信号会通过对地电阻产生一个对地电流，检测此对地电流的流向和幅值大小，就可判断出该直流系统的接地支路与接地点。用定频法进行绝缘检测时，要恰当选择所注入信号的频率。因为若选择注入频率过高的信号，则系统分布电容会对测量结果造成较大影响，从而影响测量精度；而若选择注入频率过低的信号，会使流过交流电流传感器的信号很小导致不容易检测到此低频信号，从而同样影响检测精度。定频法常有用钳形电流探头和在直流支路加装电流传感器两种检测手段。

2.1.1钳形电流探头检测

当直流系统支路发生接地故障后，将一低频交流电压信号注入到直流系统正负母线与大地之间，然后用带有放大电路钳形电流表的探头对各支路的低频交流信号进行逐点检测，寻迹信号的走向。先设定一个检测电流门槛值，当某一支路检测到的低频电流比设定门槛值大时，则判断该支路有接地故障。对在接地点两侧检测到的两个接地电流值比较判断，当有明显差别时可确定为接地点。这种检测手段主要适用于用便携式检测装置，用以对接地故障点的确定。用钳形电流探头检测有着应用简单，容易实现的优点。其缺点是测量结果容易受系统分布电容影响，检测电流信号难以区分是由系统分布电容或由接地电阻造成，从而容易发生错误判断。

2.1.2直流支路加装传感器检测

将毫安级的交流电流传感器套装在各直流支路上，向直流系统正负母线与大地之间注入一个低频率交流电压信号，通过传感器检测出其所在支路电流信号的相位和幅值，以此可以计算出各支路的绝缘电阻值，并能够消除系统分布电容带来的影响。测量前先设定一个绝缘电阻检测门槛值，当某一条支路检测计算出的电阻值比设定的门槛值小时，则判定该支路存在接地故障。用该方法测量的优点是不但可以根据传感器所在支路的不同，确定出接地故障所在支路，而且可以求出直流系统对地绝缘电阻的数值。其缺点是当系统存在较大分布电容时，通过传感器检测得到的电流信号只要相位存在很小的误差，即可对接地电阻的计算结果造成很大的误差，而且此方法不能确定具体接地故障点。

2.2变频法

变频法可在一定程度上减小了因系统对地分布电容造成的对测量结果的影响。变频法的基本原理，就是以定频法为基础，将两个幅值相同而频率不同的低频交流电压信号交替注入到直流系统正负母线和大地之间，通过电流传感器对各支路的低频电流信号进行探测，当两个低频交流电流信号的比值比正常情况大，则认为发生接地故障，用两个不同频率时检测到的电流比值来确定接地支路和接地点，并能实现接地电阻的求值。从以上分析可以得知，该方法在一定程度上解决了检测结果受系统分布电容大小影响的缺陷，但对电流互感器要求有较大的动态范围和高测量精度，而这在实际当中难以办到，并且该方法对直流系统的干扰仍然会存在，使得该种检测方法的使用范围相当有限。

五、差流检测法

差流检测其基本原理就是通过在系统直流支路上加装直流传感器，从而可以直接通过直流传感器检测出直流系统支路漏电流的大小，以判断有无接地故障。当检测支路没有接地故障时，传感器无电流输出；而当检测支路发生接地故障时，传感器就能检测出支路不平衡电流，此电流即为该支路系统漏电流，由支路漏电流可以计算出支路对地绝缘电阻值。该方法优点在于传感器与被测系统不存在任何电气联系，无须向直流系统注入任何辅助信号，对直流系统的运行不会产生任何影响。由于直流传感器检测的只是支路直流接地信号，因此不受系统分布电容影响，并且检测电路实现相对简单，在查找故障支路时非常实用，性价比较高。但该方法确定在于易受直流母线的纹波电压和现场电磁等的干扰，基于抑制干扰的目的，通常要采取非常复杂的处理措施。当正负极同时出现接地故障时就无法求得其对地绝缘电阻，尤其当正负极对地绝缘电阻同等下降时传感器无输出，难以有效判断。

六、在缘监测装置部件故障及处理事例

1、网控楼区域直流系统馈线盒通讯缺陷

网控楼区域的直流系统，经常触发“馈线盒故障”的报警．最初以为是馈线盒损坏或是接线存在断线、虚接等情况导致，后来经过反复排除确定是由于馈线盒功率不足导致通讯间断引起的，网控楼区域的直流配电屏分布较为分散，分别布置在TC楼1楼、TC楼3楼、JB厂房、TD厂房和TB厂房．每个分配电屏与主屏之间的馈线盒通讯是通过跨接并联通讯线的方式连接。由于直流配电屏分布较为分散，导线安装竣工后通讯线较长，电阻过大，信号传输能力下降。最后这个故障是通过更换大功率馈线盒得以解决。

2、有源直流CT故障

奥特迅的直流配电柜所用传感器型号为CT-2000AH，该有源直流CT接口为MB312—508—5P型，当有源直流CT正常工作时本体的指示灯会常亮。上传数据与主机通讯时指示灯闪烁。通过对其进行日常巡检时发现，正常运行回路上的传感器指示灯不亮。在查看后发现，并无系统报警信息。经过排查确定为传感器受损，在更换备件后传感器状态得到了恢复。

经过上述案例情况分析，有源直流CT故障后未能及时送出故障信号。难以通过系统报警来掌握CT状态。在回路CT损坏情况下，如果支路存在绝缘故障将无法及时定位。为防止此类情况发生，不仅需要加大日常巡检力度，还应当采用专用的CT校验仪定期对有源直流CT进行校验。

结语：直流系统在线绝缘故障问题发生频次高，其对于直流系统运行稳定性影响较为明显，因此针对这些故障问题应选择合适的绝缘监测方法，这样才能有效确保直流系统运行质量。

参考文献：

[1]成林俞，戴瑜兴，熊书华，等.直流系统在线绝缘监测的研究及其实现[J].电子测量与仪器学报，2015（6）.

[2]潘杰，尹斌，阮金金.直流系统绝缘监测技术研究与应用[J].电子设计工程，2012，20（10）.

[3]于培永，邵天宇，邓磊，等.直流系统绝缘监测装置的改进研究[J].节能技术，2013，31（6）.