保定供電公司 田 亮 葛 飛

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基于電橋原理的直流絕緣監(jiān)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(tǒng)平衡電橋原理的直流絕緣監(jiān)察技術(shù)及其存在的不足，并且對(duì)采用不平衡與平衡電橋原理相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)直流系統(tǒng)的絕緣狀況進(jìn)行說(shuō)明，該方法不但可以有效解決對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)的直流接地，同時(shí)可以在很大程度上提高直流絕緣檢測(cè)的靈敏度，逐漸得到廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】絕緣監(jiān)察；平衡電橋；不平衡電橋

1 引言

發(fā)電廠和變電所直流操作電源系統(tǒng)在電氣設(shè)備的操作控制和信號(hào)監(jiān)視中有重要的作用，可為負(fù)載提供不間斷電源，因其負(fù)載分布廣，所處環(huán)境各異，可能會(huì)出現(xiàn)絕緣下降，甚至一點(diǎn)接地的現(xiàn)象。由于電力系統(tǒng)中直流操作系統(tǒng)采用對(duì)地絕緣運(yùn)行方式，當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，無(wú)短路電流流過(guò)，熔斷器不會(huì)熔斷，所以可以繼續(xù)運(yùn)行，并不引起任何危害，但須及時(shí)處理。否則，當(dāng)另一點(diǎn)接地時(shí)，直流電源輸出正負(fù)母線就會(huì)同大地形成回路，可能引起信號(hào)回路、繼電保護(hù)等不正確動(dòng)作，甚至直流斷路器跳閘或熔斷器熔斷，導(dǎo)致二次回路失去直流工作電源，因此，直流系統(tǒng)均需裝設(shè)設(shè)絕緣監(jiān)察裝置。

絕緣監(jiān)察實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是直流絕緣電阻的測(cè)量。以往均采用平衡電橋方式，隨著科技的發(fā)展，絕緣監(jiān)察技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和方式也得到了發(fā)展，采用不平衡與平衡電橋相結(jié)合原理來(lái)檢測(cè)直流系統(tǒng)絕緣的方法得到應(yīng)用。以下就此做簡(jiǎn)要論述。

2 基于平衡電橋原理直流絕緣監(jiān)察技術(shù)

早期采用電橋平衡技術(shù)來(lái)檢測(cè)接地故障，正常運(yùn)行時(shí)，正負(fù)母線對(duì)地絕緣，絕緣電阻同直流電流繼電器構(gòu)成平衡電橋圖（如圖1）。當(dāng)直流母線某一級(jí)的對(duì)地電阻下降到某一門(mén)檻值時(shí)，電橋失去平衡，有電流流過(guò)繼電器檢測(cè)電阻，當(dāng)該電流達(dá)到整定值時(shí)繼電器動(dòng)作，絕緣監(jiān)察裝置發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)[1]。

基于平衡電橋原理直流絕緣監(jiān)察技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在兩個(gè)問(wèn)題：

2.1 無(wú)法檢測(cè)對(duì)稱(chēng)性接地故障及實(shí)現(xiàn)接地選線

根據(jù)電橋平衡原理，利用平衡電橋技術(shù)的絕緣監(jiān)察裝置只對(duì)非對(duì)稱(chēng)性接地靈敏度高，而無(wú)法檢測(cè)對(duì)稱(chēng)性接地故障。例如正負(fù)母線同時(shí)接地時(shí)，平衡橋兩側(cè)絕緣電阻值同時(shí)下降且數(shù)值大小接近，則裝置無(wú)法報(bào)警（如圖1），存在無(wú)法區(qū)分正負(fù)母線究竟哪里接地以及無(wú)法測(cè)量接地電阻的弊端，導(dǎo)致裝置拒動(dòng)。

同時(shí)，平衡電橋原理的絕緣監(jiān)察裝置只能判斷出直流系統(tǒng)整體的絕緣情況，不能判斷出故障支路、無(wú)法實(shí)現(xiàn)接地選線功能。在發(fā)生絕緣故障時(shí)，運(yùn)維人員只能采用拉路法逐一拉合各個(gè)支路確定接地支路。當(dāng)變電站直流系統(tǒng)饋出支路較多時(shí)，該方法會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此該原理只能適用于回路簡(jiǎn)單、饋線較少、對(duì)供電可靠性要求不高的直流系統(tǒng)。

圖1　平衡電橋方式絕緣監(jiān)測(cè)法對(duì)稱(chēng)直流接地

2.2 造成運(yùn)行人員誤判斷

在絕緣檢查裝置運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行人員判斷直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣是否下降的重要措施之一是觀察正負(fù)母線對(duì)地壓差。由于直流回路正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻不可能無(wú)窮大，所以一般測(cè)出正負(fù)母線對(duì)地的電壓等于正負(fù)母線壓差的一半（1／2Ue）?？墒窃趯?shí)際測(cè)量時(shí)，會(huì)發(fā)生正母線對(duì)地電壓大于1／2Ue，而負(fù)母線對(duì)地電壓小于1／2Ue的情況，從表面上分析這是由負(fù)母線絕緣電阻下降造成的，但實(shí)際上并非如此。

圖2　測(cè)量時(shí)的等效電路

測(cè)量時(shí)等效電路如圖2，其中Rl為正母線對(duì)地絕緣電阻，R2為負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻。由圖3分析，電壓表接地N與正母線之間測(cè)正母線對(duì)地電壓，電壓表接地N與負(fù)母線之間測(cè)負(fù)母線對(duì)地電壓。那么實(shí)際上電壓表測(cè)得的正母線對(duì)地電壓是R1上的端電壓，負(fù)母線對(duì)地電壓是R2上的端電壓。如果R1、R2相差數(shù)量較大(例如Rl=70MΩ、R2=10 MΩ)，那么測(cè)量的負(fù)母線對(duì)地電壓遠(yuǎn)小于正母線對(duì)地的電壓，而實(shí)際絕緣水平?jīng)]有下降[2]。

由此可見(jiàn)，若兩極絕緣電阻相差較大，實(shí)際上任一級(jí)的絕緣水平并未低于允許值的情況下，也可能報(bào)警，使檢測(cè)人員誤認(rèn)為絕緣水平下降。

3 基于平衡橋與不平衡橋結(jié)合原理直流絕緣監(jiān)察技術(shù)

采用平衡電橋與不平衡電橋并用的檢測(cè)方式與單純采用平衡電橋技術(shù)的檢測(cè)方式不同，其將后者的電流檢測(cè)方式改為電壓檢測(cè)方式，可以有效檢測(cè)對(duì)稱(chēng)性接地及非對(duì)稱(chēng)性直流接地故障，同時(shí)能夠避免平衡橋不能檢測(cè)對(duì)稱(chēng)性接地故障的問(wèn)題。以其較高的靈敏度、不受電容分布影響的能力，結(jié)合漏電流傳感器，在很大程度上增加了接地電阻檢測(cè)的靈敏度，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)接地選線功能，因此逐漸成為市場(chǎng)上微機(jī)型直流接地巡檢儀所應(yīng)用的主要原理。

3.1 基本原理

圖3　不平衡橋檢測(cè)母線絕緣狀況

圖2為不平衡橋檢測(cè)母線絕緣狀況的原理，其中K+和K-為可控開(kāi)關(guān)，R為絕緣檢測(cè)電阻。當(dāng)K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)，測(cè)量正母線對(duì)地電壓為u+；當(dāng)K+斷開(kāi)K-閉合時(shí)，測(cè)量負(fù)母線對(duì)地電壓為u-；若正負(fù)母線間電壓為um，則可得式(1)：

由式(1)推導(dǎo)，可以得到式(2)：

可以根據(jù)式(2)所計(jì)算絕緣電阻的大小，對(duì)該母線絕緣情況進(jìn)行判斷，同時(shí)找到絕緣降低發(fā)生的極性。設(shè)定K+和K-為定時(shí)切換，因此對(duì)對(duì)稱(chēng)性接地故障同樣有效，可以判斷出兩極絕緣同時(shí)均等下降情況，彌補(bǔ)了單純采用平衡電橋測(cè)量絕緣電阻的不足。

利用不平衡橋檢測(cè)母線絕緣狀況，同時(shí)配合高靈敏度的非接觸式直流漏電流傳感器，可檢測(cè)出任一分支正負(fù)導(dǎo)線的流入與流出電流差值的大小與方向，進(jìn)而選出故障支路。其工作過(guò)程為：將同一個(gè)電流互感器同時(shí)套在饋線支路的正負(fù)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(dāng)發(fā)生支路絕緣降低故障時(shí)，等效電路如圖4所示。

圖4　單支路接地等效電路

按照?qǐng)D3，當(dāng)K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)，若分支電路負(fù)極絕緣電阻下降或接地，分支負(fù)極接地電阻為RZ-與正母線絕緣檢測(cè)電阻R通過(guò)大地形成回路，分支電路負(fù)極存在漏電流，穿越漏電流傳感器的正極電流和負(fù)極電流之差為IZ-，如圖4a所示。當(dāng)K+斷開(kāi)K-閉合時(shí)，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(fù)母線絕緣檢測(cè)電阻R通過(guò)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(fù)極電流之差為IZ+，如圖4b所示。根據(jù)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(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置大多采用平衡橋與不平衡橋相結(jié)合的原理對(duì)母線絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再結(jié)合直流漏電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)分支故障進(jìn)行檢測(cè)[4]，可以實(shí)現(xiàn)接地故障選線功能[2]。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多絕緣監(jiān)察裝置采用平衡橋與不平衡橋相結(jié)合的技術(shù)，例如河北創(chuàng)科公司生產(chǎn)的CKJDC型直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置。采用該原理的絕緣檢測(cè)裝置在監(jiān)測(cè)和選線過(guò)程中不向直流系統(tǒng)注入任何交流信號(hào)，正常時(shí)只有平衡橋工作，不平衡橋只有監(jiān)測(cè)平衡接地時(shí)工作一次，并且不平衡橋啟動(dòng)時(shí)引起的母線對(duì)地電壓波動(dòng)低于正負(fù)5%，饋線支路絕緣監(jiān)測(cè)采用直流霍爾傳感器采集饋線支路漏電方式，受直流系統(tǒng)饋線回路對(duì)地分布電容影響很小。能夠精確測(cè)量交流竄入電壓值、母線電壓、正負(fù)母線對(duì)地電壓，準(zhǔn)確計(jì)算出正負(fù)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(qū)220kV黃岸變電站、220kV富昌變電站等十余座變電站已開(kāi)始采用該廠家同型號(hào)設(shè)備，可有效查找直流接地點(diǎn)，并在出線交流電壓竄入后可敏捷告警并準(zhǔn)確查找竄入支路。

4 結(jié)論

采用平衡橋與不平衡橋相結(jié)合原理的直流絕緣監(jiān)察技術(shù)能夠彌補(bǔ)單純采用平衡橋技術(shù)的絕緣監(jiān)察裝置的不足，可以有效應(yīng)對(duì)包括直流電源系統(tǒng)對(duì)稱(chēng)性接地故障在內(nèi)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(jié)合能有效實(shí)現(xiàn)接地支路選線功能，尤其能夠適用于監(jiān)測(cè)范圍大、饋出支路多的情況，因此得到廣泛應(yīng)用。

由于現(xiàn)場(chǎng)的直流電源系統(tǒng)絕緣降低或接地的情況十分復(fù)雜，受環(huán)境和設(shè)備使用情況等因素影響，直流絕緣監(jiān)察技術(shù)在應(yīng)用中逐漸進(jìn)步。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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田亮（1988—），男，河北保定人，主要從事變電站交直流系統(tǒng)檢修維護(hù)工作。

葛飛（1986—），男，河北保定人，主要從事變電站交直流系統(tǒng)檢修維護(hù)工作。

作者簡(jiǎn)介：