基于動態差值法的直流系統絕緣監測技術

周 軍 朱博楠 楊圣強 王 鵬

（東北電力大學電氣工程學院 吉林 132012）

1 引言

發電廠和變電站的直流系統為各種監控保護設備及操作回路提供電源，其運行狀況的好壞直接關系到發電廠和變電站能否正常運行[1-5]。支路接地是直流系統最常見的絕緣破壞故障，若不能及時找到并排除接地點，在系統出現多點接地時，將造成直流電源短路或保護設備誤動作，引起嚴重后果[6-10]。電橋法、變頻探測法和直流漏電流法是目前用于直流系統絕緣監測的主要三種方法[11-13]。應用最廣泛的是電橋法，其基本原理是人為地設置兩個等值電阻與直流母線正、負極對地接地電阻構成一個電橋，系統正常時，電橋平衡；當直流系統某一極接地時，電橋失去平衡，發出漏電報警信號。但使用電橋法監測接地故障時，只能判斷直流系統的整體絕緣狀態，不能實現故障分支定位。在正負極絕緣均下降時，無法準確及時報警。變頻探測法是近些年才采用的一種直流系統漏電接地檢測方法，其基本原理是定時的在直流系統母線與大地之間注入低頻交流電流信號，根據交流電流信號的流向來查找接地故障，但使用變頻探測法監測接地故障時，不僅會增大系統的電壓紋波系數,影響供電質量，而且受系統的分布電容影響,使分辨率降低[14-19]。直流漏電流法則是主要通過檢測直流系統支路對地直流不平衡電流，選擇接地故障所在支路來進行絕緣檢測，其缺點是由于漏電流一般較小，難以測量，嚴重限制了故障檢測的精度和靈敏度[2,3]。

針對上述問題，本文提出一種能夠有效、快速地檢測出故障支路的絕緣監測方法—動態差值法。即通過兩次投切電阻后獲得母線漏電流和絕緣電阻實現母線絕緣監測；通過獲得支路電壓變化量與漏電流變化量的比值來實現支路絕緣檢測，該方法對直流系統的安全運行無影響、無檢測死區、不受系統的分布電容影響、能檢測出多條支路同時接地故障，不僅消除了傳感器零點漂移引起的誤報及漏報，而且提高了檢測精度。

2 動態差值法基本原理

動態差值法是基于直流漏電流檢測法的改進。直流漏電流檢測法是通過檢測母線電壓﹑投入檢測電阻后獲得的母線與支路的絕緣電阻實現母線絕緣監測和支路絕緣檢測的方法[20,21]。但支路絕緣檢測受傳感器零點漂移影響較大。在此基礎上提出的動態差值法利用兩次投切電阻后的電壓變化量與漏電流變化量的比值來檢測支路接地故障，避免了由于傳感器零點漂移引起的誤報和漏報。

2.1 母線絕緣電阻的測量

在保證不對系統產生影響的情況下，裝置分別向正、負極母線投入檢測電阻，如圖1 所示。圖中R+、R?分別代表直流系統支路對地絕緣電阻；R 為投入的檢測電阻；U1和U2分別為投入的檢測電阻對地電壓值；I+和I?分別為對正極母線流入負載的電流值和負極母線流出負載的電流值；U 為正負母線間電壓。

圖1 給直流母線投入檢測電阻示意圖 Fig.1 Putting a resistance into DC bus

（1）當K+閉合、K?斷開，檢測電阻R 投入正極母線，圖2 為等效電路。

式中，U1為投入的檢測電阻兩端電壓值；I1為投入的檢測電阻連接在正母線時主回路電流。

圖2 檢測電阻投入正極母線等效電路 Fig.2 Equivalent circuit of putting a resistance into positive bus

（2）當K?閉合、K+斷開，檢測電阻R 投入負極母線，圖3 為等效電路

式中，U2為投入的檢測電阻兩端電壓值；I2為投入的檢測電阻連接在負母線時主回路電流。

圖3 檢測電阻投入負極母線等效電路 Fig.3 Equivalent circuit of putting a resistance into negative bus

聯立以上4 式即可解出投切電阻連接在正或負母線時主回路電流I1和I2；母線對地絕緣電阻值R1和R2。

2.2 支路絕緣電阻的測量

母線正、負極絕緣電阻R1和R2只能反映整個系統的絕緣情況，不能確定哪條支路有接地故障，需對支路進行電壓、電流檢測求出接地電阻值R 判斷接地支路。其原理是：在直流系統各支路套裝傳感器采集本支路漏電流，如圖1 中1 號支路所示。正常情況下，I+＝I?，傳感器輸出漏電流值為零；當支路絕緣下降時，I+≠I?，傳感器輸出漏電流值為ΔI＝I+-I?。

（1）設3 號支路正、負極分別經R3+、R3?接地，在K?閉合、K+斷開時，檢測電阻R 投入負極母線，如圖4 為等效電路。微機檢測出正極母線對地電壓U+′，3 號支路傳感器采集本支路漏電流ΔI31，可得

圖4 檢測電阻投入負極母線時支路等效電路 Fig.4 Equivalent circuit of branch by putting a resistance into negative bus

同理，檢測電阻R 投入正極母線，如圖5 為等效電路，可得正極母線電壓U+′和支路漏電流ΔI32

圖5 檢測電阻投入正極母線時支路等效電路 Fig.5 Equivalent circuit of branch by putting a resistance into positive bus

聯立式（9）和式（10），得支路絕緣電阻計算式（11）

即

式中，ΔU 是電壓的變化量，等于測量電阻投入正母線時正極對地電壓值與測量電阻投入負母線時正極對地電壓值之差，即；ΔI 是漏電流的變化量，等于測量電阻投入正母線時傳感器采集的漏電流值與測量電阻投入負母線時傳感器采集的漏電流值之差，即ΔI=ΔI32-ΔI31；Rd是支路對地絕緣電阻值，它是一個綜合等效量，相當于圖1 中3 號支路正極對地絕緣電阻值與負極對地絕緣電阻值的并聯值，即Rd=R3+//R3?。

（2）設3 號支路正極經R3+接地時，R3?→∞。分別向正、負極母線投入檢測電阻，同樣測得兩組正極母線電壓和支路漏電流值。此時 Δ U+′=0，ΔI32=0。則得支路絕緣電阻計算式為

（3）設2 號和3 號支路的正極分別經R2+、R3+接地時，R3?→∞，R2?→∞。分別向正、負極母線投入檢測電阻，同樣測得兩組正極母線電壓和2 號、3號支路漏電流值。此時，ΔU+′=0,ΔI22=0,ΔI32=0。則得支路絕緣電阻計算式（13）、式（14）

同理，對于多條支路同極性絕緣同時下降的情況，向正、負極母線投入檢測電阻，能檢測出所有正極（或負極）同時絕緣下降的支路。

綜上所述，對于直流系統的各種接地故障現象，可以統一用式（11）作為其支路的判別指標。

2.3 零點漂移的抑制

傳統的檢測中采用絕對值的方法，即R=U/I。測量電流信號一般是在幾十μA～5mA 以下變化。經實踐及理論分析發現，這個值受溫度、濕度等環境的影響極大，而剩磁的影響更大。即

式中，I1為裝置測得系統漏電流；I基1為此時漏電流傳感器基礎零點；Ix為實際系統漏電流。

隨著時間的推移外界環境條件發生變化（溫漂），或者剩磁的現象，測量電流信號的傳感器零點慢慢發生漂移，當零點漂移比較嚴重（I基1≠I基2），在同一故障下再次測量時有

式中，I2為裝置測得系統漏電流；I基2為此時漏電流傳感器基礎零點；Iy為實際系統漏電流。

監測裝置在同一故障下不同時間測得的系統漏電流I1≠I2，由于漏電流信號本身十分微小，漏電流傳感器零點的漂移將導致在同一故障下裝置測量的系統對地絕緣電阻值發生巨大變化，引起漏報或誤報的現象。

動態差值法的實質就是將信號絕對值的影響變換為信號的微變的變化量的影響。具體為式（11），即將求電流的絕對值變換為求電流的相對值。此方法通過裝置連續兩次向系統正、負母線投入檢測電阻測得

裝置兩次采集時間間隔Δt=100ms。在這樣短的時間內環境溫度等因素的影響可忽略不計，即I基1= I基2。所以有

并且兩次投切檢測電阻后的電壓變化量ΔU 比較穩定。由式（11）可得該方法有效地避免了由系統的零漂引起的I基1、I基2的變化所產生的誤差，保證了測量的準確性。

2.4 絕緣電阻檢測范圍

在實際中如果現場出現絕緣比較惡劣的情況，為了保證直流系統的安全運行投切電阻不能過小，所以由于投入電阻造成系統漏電流的改變量也很小，故設正母線絕緣電阻R+=100k?，負母線絕緣電阻R-=100k?；為計算裝置在該情況下測得對地絕緣電阻的最大值Rmax，故在系統支路正極人為接入故障電阻Rmax，并認為該支路負極絕緣情況良好（R支-→∞），具體如下所述。

當檢測電阻投入正極時可得（見圖6）

圖6 檢測電阻投入正極母線時等效電路 Fig.6 Equivalent circuit by putting a resistance into positive bus

當檢測電阻投入負極時可得（見圖7）

圖7 檢測電阻投入負極母線時等效電路 Fig.7 Equivalent circuit by putting a resistance into negative bus

當漏電流傳感器測得ΔI=ΔI1-ΔI2=0.08mA 時可獲得裝置檢測系統絕緣電阻的最大值。聯立式（20）和式（21）可得Rmax≈833k?。即絕緣電阻測量最大值可達800k?。

3 實驗結果及分析

3.1 母線絕緣測試

在電路實驗中，按圖1 所示的網絡結構搭建回路進行模擬實驗，驗證本文提出方法的有效性。各電氣元件的構成與參數如下：投入母線的檢測電阻太小影響系統安全性，投入母線檢測電阻過大影響檢測靈敏度和精度，所以選取R=100k?[22]；直流母線電壓依據實驗室儀器輸出電壓U=217V；漏電流傳感器選用量程0.04～300mA，分辨率為0.08mA 的穿心式智能漏電流傳感器。由于220V 直流系統報警閾值為25k?[23]，測量誤差允許值為5%，試驗中分別選30～300k? 范圍內的電阻接入母線及支路模擬直流系統絕緣故障電阻，驗證在大大提高報警閾值的情況下能否準確報警，其結果如表1、表2 所示。

表1 母線絕緣監測 Tab.1 Insulation monitoring of the bus

由表1 得，用本文提出的母線絕緣電阻公式計算母線測試電阻值所得結果誤差不超過5%，符合工程設計要求。分析誤差產生原因主要由于測量儀器分辨率有限及計算中的舍入誤差造成的。由上述電路實驗結果可知，利用動態差值法檢測出的母線絕緣電阻值具有很高的準確度。

3.2 支路絕緣測試

母線絕緣情況只能反映整個系統的絕緣好壞，當系統母線絕緣下降時，需要查找絕緣故障支路排除隱患。在圖1 中1#支路上正極和2#支路上負極接入電阻模擬系統多條支路在不同情況下同時絕緣故障時的情況，通過測量兩次投切檢測電阻后的電壓變化量與漏電流變化量，利用本文提出的動態差值法支路絕緣電阻計算公式Rd=ΔU/ΔI，從而計算出支路絕緣電阻綜合值（并聯值），如表2 所示。

表2 支路絕緣檢測 Tab.2 Insulation monitoring of the branch

由表2 得，用本文提出的支路絕緣電阻公式計算支路測試電阻值所得結果誤差不超過5%，符合工程設計要求。此外，在絕緣電阻值比較小時，測量精度比較高；在絕緣電阻值比較大時，測量精度降低。這是因為絕緣電阻比較大時，流過電流傳感器和測量電阻的電流小，而傳感器的分辨率有限。由上述分析和電路實驗結果可知，在多條支路絕緣同時下降時，系統可以比較準確的測得支路絕緣電阻值并且可以準確定位絕緣故障支路，并且可以根據測得的絕緣電阻值進行絕緣排序，這成為現場工作人員在排查絕緣故障和檢修工作中的重要依據。

3.3 零點漂移消除測試

由于溫度、濕度等環境因素和剩磁的影響，檢測支路漏電流信號的非接觸式電流互感器會發生零點漂移從而測得漏電流值不準，最終導致檢測的支路絕緣電阻值不正確。為此在圖1 中3#支路的傳感器中穿過通有1mA 電流的導線模擬傳感器零點漂移（此時傳感器的零點為1mA 的電流信號），同時在 3#支路的正、負極上接入電阻模擬支路絕緣故障，測試情況如表3 所示。

表3 支路絕緣監測 Tab.3 Insulation monitoring of the branch

當支路正、負極絕緣情況良好時，兩極對地電阻相當于無窮大；任意一極出現絕緣故障時其對地電阻降低。由表3 可得，當傳感器發生零點漂移時，利用動態差值法計算所得的支路絕緣電阻值與實測電阻值相近，所有誤差均不超過5%，符合工程設計要求。上述實驗表明，利用動態差值法檢測系統絕緣電阻不僅消除了傳感器零點漂移引起的誤報及漏報，而且提高了檢測精度。

3.4 現場運行數據分析

此產品已在黑龍江省電力有限公司鶴崗電業局寶泉嶺110kV 變電站安裝并投入運行，在近2 年的運行期間該裝置運行工作穩定，無須人為操作，自動檢測。運行2 年期間曾經發生3 次直流系統接地故障現象，摘其中2 次記錄如下：

（1）2011 年8 月11 日7 時30 分發出直流系統絕緣報警，報警值顯示母線絕緣21k?，支路絕緣顯示寶紙線47k?，工業一線35k?。經檢查確定是寶紙線、工業一線絕緣下降，并且很快查找到故障發生點。

（2）2012 年6 月3 日5 時10 分裝置發出直流系統絕緣報警，報警值顯示母線絕緣36k?，支路絕緣顯示35kV 寶蘿線絕緣38k?，很快找到故障發生點。

該現場記錄說明了基于動態差值法的直流系統絕緣監測裝置可以準確的測得系統的母線對地絕緣電阻值，并且在多條支路同時發生故障時可準確定位故障支路，使運維檢修人員快速排除故障，保證了直流系統安全穩定運行。

4 結論

本文針對其他直流系統絕緣監測方法的不足，從提高檢測精度和防止保護誤動的角度，提出一種直流系統絕緣監測的新方法，即動態差值法。重點描述了利用動態差值法檢測直流系統接地故障的基本原理與步驟,并在此基礎上論證了其可行性。該方法的優點是：不受系統分布電容的影響；覆蓋了直流系統絕緣報警值的各種故障現象，做到了無檢測死區；消除了傳感器零點漂移問題在支路檢測中造成的誤判或漏判；實時監測直流系統正、負母線的絕緣及各支路的絕緣狀況。該方法雖然提高了現有直流系統接地故障檢測的精度，但仍存在不足之處：無法分別檢測出各個支路正、負極對地絕緣電阻值，僅能獲得整個支路對地絕緣電阻的綜合值（并聯值）。利用本文提出的方法應用于直流系統絕緣監測裝置，經在黑龍江省鶴崗電業局寶泉嶺110kV 變電站現場投運、試驗，證明了此方法的可靠與準確。

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