基于電橋原理的直流絕緣監察方式淺析

保定供電公司 田 亮 葛 飛

?

基于電橋原理的直流絕緣監察方式淺析

保定供電公司 田 亮 葛 飛

【摘要】本文分析了采用傳統平衡電橋原理的直流絕緣監察技術及其存在的不足，并且對采用不平衡與平衡電橋原理相結合的方法來檢測直流系統的絕緣狀況進行說明，該方法不但可以有效解決對稱和不對稱的直流接地，同時可以在很大程度上提高直流絕緣檢測的靈敏度，逐漸得到廣泛應用。

【關鍵詞】絕緣監察；平衡電橋；不平衡電橋

1 引言

發電廠和變電所直流操作電源系統在電氣設備的操作控制和信號監視中有重要的作用，可為負載提供不間斷電源，因其負載分布廣，所處環境各異，可能會出現絕緣下降，甚至一點接地的現象。由于電力系統中直流操作系統采用對地絕緣運行方式，當發生一點接地時，無短路電流流過，熔斷器不會熔斷，所以可以繼續運行，并不引起任何危害，但須及時處理。否則，當另一點接地時，直流電源輸出正負母線就會同大地形成回路，可能引起信號回路、繼電保護等不正確動作，甚至直流斷路器跳閘或熔斷器熔斷，導致二次回路失去直流工作電源，因此，直流系統均需裝設設絕緣監察裝置。

絕緣監察實現的關鍵是直流絕緣電阻的測量。以往均采用平衡電橋方式，隨著科技的發展，絕緣監察技術的實現原理和方式也得到了發展，采用不平衡與平衡電橋相結合原理來檢測直流系統絕緣的方法得到應用。以下就此做簡要論述。

2 基于平衡電橋原理直流絕緣監察技術

早期采用電橋平衡技術來檢測接地故障，正常運行時，正負母線對地絕緣，絕緣電阻同直流電流繼電器構成平衡電橋圖（如圖1）。當直流母線某一級的對地電阻下降到某一門檻值時，電橋失去平衡，有電流流過繼電器檢測電阻，當該電流達到整定值時繼電器動作，絕緣監察裝置發出接地報警信號[1]。

基于平衡電橋原理直流絕緣監察技術在實際應用中存在兩個問題：

2.1 無法檢測對稱性接地故障及實現接地選線

根據電橋平衡原理，利用平衡電橋技術的絕緣監察裝置只對非對稱性接地靈敏度高，而無法檢測對稱性接地故障。例如正負母線同時接地時，平衡橋兩側絕緣電阻值同時下降且數值大小接近，則裝置無法報警（如圖1），存在無法區分正負母線究竟哪里接地以及無法測量接地電阻的弊端，導致裝置拒動。

同時，平衡電橋原理的絕緣監察裝置只能判斷出直流系統整體的絕緣情況，不能判斷出故障支路、無法實現接地選線功能。在發生絕緣故障時，運維人員只能采用拉路法逐一拉合各個支路確定接地支路。當變電站直流系統饋出支路較多時，該方法會費時費力，因此該原理只能適用于回路簡單、饋線較少、對供電可靠性要求不高的直流系統。

圖1　平衡電橋方式絕緣監測法對稱直流接地

2.2 造成運行人員誤判斷

在絕緣檢查裝置運行過程中，運行人員判斷直流系統對地絕緣是否下降的重要措施之一是觀察正負母線對地壓差。由于直流回路正負母線對地的絕緣電阻不可能無窮大，所以一般測出正負母線對地的電壓等于正負母線壓差的一半（1／2Ue）。可是在實際測量時，會發生正母線對地電壓大于1／2Ue，而負母線對地電壓小于1／2Ue的情況，從表面上分析這是由負母線絕緣電阻下降造成的，但實際上并非如此。

圖2　測量時的等效電路

測量時等效電路如圖2，其中Rl為正母線對地絕緣電阻，R2為負母線對地絕緣電阻。由圖3分析，電壓表接地N與正母線之間測正母線對地電壓，電壓表接地N與負母線之間測負母線對地電壓。那么實際上電壓表測得的正母線對地電壓是R1上的端電壓，負母線對地電壓是R2上的端電壓。如果R1、R2相差數量較大(例如Rl=70MΩ、R2=10 MΩ)，那么測量的負母線對地電壓遠小于正母線對地的電壓，而實際絕緣水平沒有下降[2]。

由此可見，若兩極絕緣電阻相差較大，實際上任一級的絕緣水平并未低于允許值的情況下，也可能報警，使檢測人員誤認為絕緣水平下降。

3 基于平衡橋與不平衡橋結合原理直流絕緣監察技術

采用平衡電橋與不平衡電橋并用的檢測方式與單純采用平衡電橋技術的檢測方式不同，其將后者的電流檢測方式改為電壓檢測方式，可以有效檢測對稱性接地及非對稱性直流接地故障，同時能夠避免平衡橋不能檢測對稱性接地故障的問題。以其較高的靈敏度、不受電容分布影響的能力，結合漏電流傳感器，在很大程度上增加了接地電阻檢測的靈敏度，同時能夠實現接地選線功能，因此逐漸成為市場上微機型直流接地巡檢儀所應用的主要原理。

3.1 基本原理

圖3　不平衡橋檢測母線絕緣狀況

圖2為不平衡橋檢測母線絕緣狀況的原理，其中K+和K-為可控開關，R為絕緣檢測電阻。當K+閉合K-斷開時，測量正母線對地電壓為u+；當K+斷開K-閉合時，測量負母線對地電壓為u-；若正負母線間電壓為um，則可得式(1)：

由式(1)推導，可以得到式(2)：

可以根據式(2)所計算絕緣電阻的大小，對該母線絕緣情況進行判斷，同時找到絕緣降低發生的極性。設定K+和K-為定時切換，因此對對稱性接地故障同樣有效，可以判斷出兩極絕緣同時均等下降情況，彌補了單純采用平衡電橋測量絕緣電阻的不足。

利用不平衡橋檢測母線絕緣狀況，同時配合高靈敏度的非接觸式直流漏電流傳感器，可檢測出任一分支正負導線的流入與流出電流差值的大小與方向，進而選出故障支路。其工作過程為：將同一個電流互感器同時套在饋線支路的正負極上，由于穿越漏電流器的直流分量大小相同、方向相反，兩者差值為零，則漏電傳感器輸出為零。當發生支路絕緣降低故障時，等效電路如圖4所示。

圖4　單支路接地等效電路

按照圖3，當K+閉合K-斷開時，若分支電路負極絕緣電阻下降或接地，分支負極接地電阻為RZ-與正母線絕緣檢測電阻R通過大地形成回路，分支電路負極存在漏電流，穿越漏電流傳感器的正極電流和負極電流之差為IZ-，如圖4a所示。當K+斷開K-閉合時，若分支電路正極絕緣電阻下降或接地，分支正極接地電阻為RZ+與負母線絕緣檢測電阻R通過大地形成回路，分支電路正極存在漏電流，穿越漏電流傳感器的正極電流和負極電流之差為IZ+，如圖4b所示。根據各支路的直流漏電傳感器是否輸出為0和輸出電壓的極性即可判斷出該支路是否有接地故障和接地的極性[3]。

3.2 應用

在實際應用中，直流電源系統絕緣監測裝置大多采用平衡橋與不平衡橋相結合的原理對母線絕緣狀態進行監測，再結合直流漏電流傳感器實現對分支故障進行檢測[4]，可以實現接地故障選線功能[2]。

目前市場上已經有很多絕緣監察裝置采用平衡橋與不平衡橋相結合的技術，例如河北創科公司生產的CKJDC型直流電源系統絕緣監測裝置。采用該原理的絕緣檢測裝置在監測和選線過程中不向直流系統注入任何交流信號，正常時只有平衡橋工作，不平衡橋只有監測平衡接地時工作一次，并且不平衡橋啟動時引起的母線對地電壓波動低于正負5%，饋線支路絕緣監測采用直流霍爾傳感器采集饋線支路漏電方式，受直流系統饋線回路對地分布電容影響很小。能夠精確測量交流竄入電壓值、母線電壓、正負母線對地電壓，準確計算出正負母線絕緣電阻、各饋線支路絕緣電阻，能夠快速選出絕緣降低或接地故障的饋線支路，具有交流竄入告警功能，并能選出交流竄入故障支路，具有直流互竄告警功能，并能選出直流互竄支路。目前，保定南部地區220kV黃岸變電站、220kV富昌變電站等十余座變電站已開始采用該廠家同型號設備，可有效查找直流接地點，并在出線交流電壓竄入后可敏捷告警并準確查找竄入支路。

4 結論

采用平衡橋與不平衡橋相結合原理的直流絕緣監察技術能夠彌補單純采用平衡橋技術的絕緣監察裝置的不足，可以有效應對包括直流電源系統對稱性接地故障在內的多種缺陷，能判定母線絕緣電阻下降的極性，也能確定母線的絕緣電阻值，與高靈敏度的直流傳感器相結合能有效實現接地支路選線功能，尤其能夠適用于監測范圍大、饋出支路多的情況，因此得到廣泛應用。

由于現場的直流電源系統絕緣降低或接地的情況十分復雜，受環境和設備使用情況等因素影響，直流絕緣監察技術在應用中逐漸進步。相信隨著科學技術的不斷發展，會得到更廣泛的應用。

參考文獻

[1]董明,魏秉政.變電站直流系統運行現狀及存在問題分析[J].繼電器,2006，34(3):82-84.

[2]李柱峰,柳容三.淺析電橋原理直流絕緣監察裝置[J].延邊大學學報(自然科學版),2002,28(1):75-76.

[3]黃海宏,全成,黃錦.基于差流檢測法的分布式直流接地巡檢系統[J].電子測量與儀器學報,2009,23(11):36-41．

[4]向小民,胡翔勇.直流系統絕緣監察裝置[J].中國電力, 1999,32(8):38-39,50．

田亮（1988—），男，河北保定人，主要從事變電站交直流系統檢修維護工作。

葛飛（1986—），男，河北保定人，主要從事變電站交直流系統檢修維護工作。

作者簡介：