電力系統二次設備板卡插件絕緣檢測技術

呂大青，應 凱，黃林章，章 霞，劉潔波，鄭曉明，吳雪峰

(1. 浙江八達電子儀表有限公司時通電氣分公司，浙江 金華 321018；2. 國網浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321017)

變電站二次設備的運行可靠性不言而喻，與一次設備有所不同，變電站二次設備的工作主要是實現對一次側提供保護、調節、監測等功能，如測量儀表、繼電器、自動控制設備、信號設備以及一些供電裝置，如硅整流器為一次設備的運行提供能源，二次設備穩定運行是電力系統正常工作不可或缺的條件之一。由于二次設備種類多樣、結構復雜、回路密集，其內部存在許多敏感的元器件，工作時對周圍環境的要求較高,因此由二次設備異常導致的開關誤跳、保護誤出口、自動化系統誤遙控等事故此起彼伏。由于二次設備異常引發的事故具有隱蔽性強、原因復雜等特點，要通過常規的預防性試驗及時發現難度較大，一般也僅有繼電保護設備采用定期校驗的手段驗證其可靠性，對于很多輔助的交直流二次回路、戶外信號回路、電源回路、電源模塊、連鎖回路等都很難定期進行性能驗證，大量事實表明，很多二次設備產生的事故中，由繼電保護設備故障導致的只是很小一部分，大多是由二次回路接觸不良、電源不穩定、二次回路接地、單一繼電器損壞等引起[1-3]。

隨著微機保護的普及以及變電站智能化的推進，很多控制保護系統的異常都來自于板卡插件的干擾，而這些干擾的源頭，基本就是接地絕緣的問題。板卡插件有些與大地完全絕緣，有些要求一點接地，截至目前針對二次板卡的絕緣檢驗手段還是空白，很難對其絕緣健康水平進行評估。因此，有必要針對變電站二次板卡插件研發實用的絕緣檢測技術進行研究。

1 弱電二次系統絕緣檢測必要性

1.1 強電直流系統接地隱患

發電廠變電站直流系統設備多、回路復雜，在長期運行過程中會由于環境的改變、氣候的變化、電纜以及接頭的老化、設備本身問題等，不可避免的發生直流接地，即直流系統對地絕緣不足。特別是在發電廠、變電站建設施工或擴建過程中，由于施工及安裝的種種問題，難以避免地會遺留電力系統故障的隱患，直流系統更是一個薄弱環節。投運時間越長的系統，接地故障發生的概率越大[4-6]。由于直流系統網絡連接比較復雜，其接地情況歸納起來有以下幾種：按接地極性分為正接地和負接地；按接地種類可分為直接接地(亦稱金屬接地或全接地)和間接接地(亦稱非金屬接地或半接地)；按接地的情況可分為單點接地、多點接地、環路接地、絕緣降低和交流半接地。

(1)正接地可能導致斷路器誤跳閘。由于斷路器跳閘線圈均接負極電源，故當發生正接地時可能導致斷路器的跳閘，如接地后另一點也接地，相當于兩點通過大地連接起來，中間繼電器KM必然動作造成斷路器的跳閘。

(2)負接地可能導致斷路器的拒跳閘。當兩點通過大地連通后，將中間繼電器KM短接，此時如果系統發生事故，保護動作，由于中間繼電器KM被短接，KM不動作，斷路器便不會跳開，即產生拒動，從而使事故越級擴大。

直流系統如果僅僅是一點接地，由于沒有形成接地回路，因此對二次回路不會造成事故，但容易使動作電壓較低的繼電器動作，還容易使斷路器偷跳；如果有兩點接地，可能造成直流系統短路，使直流系統空開跳開或直流熔絲熔斷，使直流電源中斷供電，造成繼電保護、信號、自動裝置的不正確動作，就可能發生斷路器誤動或拒動。可以斷定，直流系統的接地故障造成斷路器可能發生誤跳或拒跳的事故隱患，應立即排除。

1.2 弱電系統直流絕緣下降隱患

隨著微機保護的普及，以及變電站智能化的推進，很多控制保護系統的異常，來自于板卡插件的干擾，而這些干擾的源頭，基本就是接地絕緣的問題。板卡插件有些與大地完全絕緣，有些要求一點接地，然而直到目前，相較于對現有直流絕緣檢測的手段：電橋法、注入法、漏電流檢測法等，針對二次板卡的絕緣檢驗手段還是空白，很難對其絕緣健康水平進行評估。如網口電纜、232、RS-485等通信電纜、3～24 V弱電控制電源等，這些回路如果異常接地，當系統出現接地故障后，一次系統的接地電流將會嚴重干擾這些回路，從而引發嚴重事故。

現有技術僅能對強電信號電纜，如110 V直流等進行絕緣測量與監控，對于二次板卡插件的弱電回路的異常接地檢測，還完全是盲區。這些問題日常發現較為困難，因此必須研發合適的檢測設備，供現場運維檢修人員能將既高效又安全地查找二次板卡中可能存在的隱患。

2 弱電二次系統絕緣檢測方案

變電站中多采用直流系統監測儀監測直流系統的絕緣值，以期解決二次回路絕緣問題，其主要原理是外加一對平衡橋，通過監測并分析平衡橋電阻的電壓波動情況，實現絕緣報警，并通過切換平衡橋和不平衡橋計算系統對地電阻。然而因無法具體定位二次回路故障點，無法滿足日常要求，結合變電站日常定檢工作檢測二次回路的絕緣性仍尤為重要。

目前的常用方法是首先采用搖表法檢測大類二次回路絕緣，然后逐一拆線，最終定位具體故障點。因此，二次回路必須通過搖表檢測絕緣，而二次板卡插件的弱電信號回路或電源，要使用搖表存在較大風險。這是因為這些回路耐壓極低，使用搖表很容易將板卡打壞，這就使得這些板卡面臨一些高阻接地、外來干擾等隱患很難定位，本文提出了一種利用電容器充放電效應設計的低電壓絕緣檢測電路。

對于低電壓下高電阻的檢測，利用電容器放電過程，通過充滿電的電容器對被測設備的絕緣電阻放電，隨著放電時間的延長，通過檢測一定時間內電容器的殘余電壓，就能直觀計算出被測設備的絕緣電阻。電容器在放電t時刻的電壓為Vt，初始時刻充滿電電壓為U，則根據下式

Vt=Uexp(-t/RC)

(1)

一般將充電電壓控制在10 V左右，就可以在運行二次系統中避免打壞設備的風險，實現弱電回路的絕緣檢測。

3 絕緣檢測電路設計

絕緣檢測裝置電路結構如圖1所示。絕緣檢測電路包括電池1、電源開關2 、測試開關3、計時器4、電位器5、隔離二極管6、測量按鈕7、電壓表8、儲能電容9、限流電阻10、測試電極11、測試電極12、恒流二極管13。電池1的正極與電源開關2串聯后，一端與測試開關3的一個充電回路端子連接，另一端與計時器4的電源正極連接，測試開關3的另一個充電回路端子與電位器5的一個靜觸點連接，測試開關3的兩個計時器信號開入端子與計時器4的信號開入端子連接，電位器5的動觸點與隔離二極管6串聯后，與電壓表8的正極、儲能電容9的正極并聯，再與限流電阻10串聯后測試電極11連接，計時器4的負極、電位器5的另一個靜觸點、儲能電容9的負極、恒流二極管13的負極與電池1的負極并聯連接，電壓表8的負極與測量按鈕7串聯后與電池1的負極并聯，恒流二極管13的正極與測試電極12連接。隔離二極管6為硅整流二極管，電池1的電壓為5～15 V，電壓表8的內阻不低于100 MΩ。

檢測表電源開關打開后，計時器上電，同時電池的直流電壓通過電位器設定合適的測試電壓后，通過隔離二極管給儲能電容充電，同時該充電電壓也通過測試電極加到被測試的設備上，斷開測試開關后，電容器經過測試設備的絕緣電阻放電，同時計時器復位重新計時，當計時到某個時刻后按下測試按鈕，記錄電容器的殘余電壓，就可以方便地推算出絕緣電阻大小，即使幾千兆歐的超大絕緣電阻，經過電容器數分鐘的放電，也會顯著下降，借此也可準確計算出具體絕緣電阻數值，實現了用極低的電壓測試高阻值絕緣電阻的效果。從根本上克服了低壓弱電通信設備絕緣難以檢測的弊端，使用低電壓可隨意檢測任何精密弱電設備，不用擔心絕緣檢測的高壓打壞設備，使得二次控制保護設備絕緣檢測的安全性得到本質提升。

此外，該電路還可有效檢測設備上的干擾電壓，現有技術的絕緣表，無法測試設備的寄生干擾電壓，利用電容器的儲能原理，一旦存在干擾電壓，哪怕幅值再小也會通過積分效應逐步給電容器充電，一段時間后就可直觀檢測出設備回路中的干擾電壓，這是現有技術無法做到的。

4 結語

本文提出的技術方案，實現了用幾伏的極低電壓測試電氣設備的絕緣能力，從根本上克服了低壓弱電通信設備絕緣難以檢測的弊端，使得大量電力系統控制保護設備中的事故隱患無處遁形，使得二次控制保護設備絕緣檢測的安全性得到本質上的提升。利用電容器的儲能原理，一旦存在干擾電壓，哪怕幅值再小也會通過積分效應逐步給電容器充電，一段時間后就可直觀檢測出設備回路中的干擾電壓。