廖革文

（維諦技術(shù)有限公司，廣東 深圳518043）

0 引 言

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)二次回路中，一般采用200 V／110 V直流電源系統(tǒng)作為供電回路，為了保證二次回路供電的高可靠性，避免因?yàn)閱味私^緣下降而導(dǎo)致另外一端接地造成直流母線短路的故障發(fā)生；同時(shí)也為了避免因?yàn)閱味私^緣下降和接地后，另外一端對(duì)地形成有效的高直流電壓而觸電，直流電源系統(tǒng)的正負(fù)母線對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)變得十分重要。

隨著數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式增長(zhǎng)和高壓直流電源（HVDC）系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的廣泛應(yīng)用，從數(shù)據(jù)中心供電安全和使用維護(hù)的安全角度來(lái)看，對(duì)HVDC電源系統(tǒng)的正負(fù)母線絕緣監(jiān)測(cè)十分重要。

本文從絕緣監(jiān)測(cè)的基本原理入手，對(duì)常見(jiàn)直流電源系統(tǒng)中使用絕緣監(jiān)測(cè)的場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用分析，對(duì)常見(jiàn)絕緣監(jiān)測(cè)的有關(guān)應(yīng)用誤區(qū)加以說(shuō)明，確保絕緣監(jiān)測(cè)在直流電源系統(tǒng)中的正確應(yīng)用。

1 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的基本原理

在常見(jiàn)的直流電源供電系統(tǒng)中，一般都是交流電源通過(guò)整流器變換為直流電源輸出。為了保證直流電源系統(tǒng)的供電安全，避免對(duì)地形成參考電壓，一般直流電源系統(tǒng)均會(huì)設(shè)計(jì)為正負(fù)母線對(duì)地懸浮，這一點(diǎn)有別于交流電源某些制式下的零線接地和－48／＋24 V直流通信電源系統(tǒng)。

直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)包括了直流母線的絕緣監(jiān)測(cè)和各個(gè)負(fù)載支路的絕緣監(jiān)測(cè)，一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用中，母線監(jiān)測(cè)和支路監(jiān)測(cè)會(huì)采取不同的監(jiān)測(cè)原理，兩者結(jié)合，組成整個(gè)直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)。

1.1 直流母線的絕緣監(jiān)測(cè)原理

母線的絕緣監(jiān)測(cè)基本原理是測(cè)量母線正負(fù)極對(duì)地之間的絕緣電阻，而帶電體的電阻不宜直接測(cè)量，因而母線對(duì)地絕緣電阻常用在正負(fù)母線之間投切采樣電阻，采樣不同投切電阻和絕緣電阻形成不同的對(duì)地直流電壓，通過(guò)測(cè)量不同狀態(tài)下的正負(fù)母線對(duì)地電壓，間接計(jì)算出母線的對(duì)地絕緣電阻。

圖1 母線絕緣監(jiān)測(cè)原理

如圖1所示，R＋和R－分別是正負(fù)母線對(duì)地的等效絕緣電阻，224 k與226 k電阻分別為正負(fù)母線對(duì)地的平衡電阻，這兩個(gè)電阻在正常情況下起到平衡母線對(duì)地電壓的作用，不至于使得母線由于對(duì)地絕緣電阻過(guò)大而導(dǎo)致對(duì)地電壓不穩(wěn)定。K1～K4投切的幾組電阻分別在不同情況下使得測(cè)量正負(fù)母線電壓不同，以便計(jì)算出對(duì)地的絕緣電阻。

所有開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，分別測(cè)量正負(fù)母線的對(duì)地電壓U1，U2，得到以下關(guān)于R＋，R－的方程：

將K1開(kāi)關(guān)閉合，分別測(cè)量正負(fù)母線的對(duì)地電壓U’1和U’2，得到以下關(guān)于R＋，R－的方程：

式（1），（2）為一個(gè)關(guān)于R＋和R－的二元方程組，通過(guò)求解即可算出R＋和R－的值。

在實(shí)際應(yīng)用中，考慮正負(fù)母線絕緣電阻等值下降等因素，設(shè)置多個(gè)投切開(kāi)關(guān)K2，K3，K4等，以便計(jì)算在不同工況下的母線對(duì)地絕緣電阻。

當(dāng)正負(fù)母線的對(duì)地絕緣電阻值低于設(shè)定的告警閥值的時(shí)候，絕緣監(jiān)測(cè)裝置給出絕緣下降的告警，一般情況下，告警閥值和母線電壓相關(guān)，比如常見(jiàn)的220 V直流電源系統(tǒng)，這個(gè)告警值一般設(shè)置在25 kΩ左右。

1.2 直流支路的絕緣監(jiān)測(cè)原理

為了準(zhǔn)確判斷直流電源系統(tǒng)的絕緣下降故障點(diǎn)，一般通過(guò)對(duì)電源系統(tǒng)的支路輸出進(jìn)行漏電流檢測(cè)，根據(jù)漏電流的大小來(lái)判斷對(duì)應(yīng)的絕緣電阻的大小，給出支路絕緣故障的告警。支路絕緣監(jiān)測(cè)一般有交流小信號(hào)和直流小信號(hào)檢測(cè)兩種方式。

交流小信號(hào)的檢測(cè)通過(guò)對(duì)直流母線和地之間饋入一個(gè)低頻小信號(hào)（1 Hz左右），然后通過(guò)支路互感器監(jiān)測(cè)這個(gè)小信號(hào)對(duì)地的漏電流，從而計(jì)算出絕緣電阻的大小。其基本原理如圖2所示。

圖2 交流小信號(hào)絕緣監(jiān)測(cè)原理

交流小信號(hào)檢測(cè)采用交流信號(hào)檢測(cè)，為了避免線纜分布電容，母線連接設(shè)備等對(duì)地電容會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，要設(shè)置一些復(fù)雜的補(bǔ)償電路或者在計(jì)算中采用復(fù)雜的算法，同時(shí)，由于直流母線對(duì)地饋入了交流小信號(hào)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

目前通用的支路絕緣檢測(cè)一般采用直流漏電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這得益于霍爾傳感器、通用放大器等半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展。直流漏電流監(jiān)測(cè)基本原理如圖3。

圖3 直流小信號(hào)絕緣監(jiān)測(cè)原理

如圖3所示，正負(fù)極性的電纜同時(shí)穿過(guò)漏電流傳感器，在沒(méi)有絕緣下降的情況下，正負(fù)極電纜通過(guò)的直流電流大小相等，方向相反，這樣在直流互感器上不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；當(dāng)有一極發(fā)生絕緣下降的時(shí)候，通過(guò)正負(fù)極的電流便不會(huì)再相等，這時(shí)互感器感應(yīng)出這個(gè)電流差的信號(hào)，從而與兩個(gè)30 kΩ電阻，K3，K4控制的校正電阻計(jì)算的漏電流相比較，超出告警閥值時(shí)給出支路的告警。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高測(cè)量進(jìn)度，支路互感器除了設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電阻以外，還會(huì)采用一些基準(zhǔn)的漏電流校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)提高測(cè)量的進(jìn)度。直流漏電流檢測(cè)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)精度相對(duì)較高，維護(hù)相對(duì)方便的特點(diǎn)，在當(dāng)今電力電源和數(shù)據(jù)中心HVDC中得到廣泛的應(yīng)用。

1.3 通用絕緣監(jiān)測(cè)儀器的基本原理

通用絕緣監(jiān)測(cè)儀器一般把母線絕緣監(jiān)測(cè)和支路檢測(cè)組合起來(lái)，同時(shí)考慮在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，設(shè)置比較完整的監(jiān)測(cè)邏輯，應(yīng)用于直流電源系統(tǒng)中。

一般情況下，母線的絕緣監(jiān)測(cè)一直在線，可以通過(guò)母線電壓偏移（單端絕緣電阻下降直接反映母線對(duì)地電壓偏移上）或者母線對(duì)地絕緣電阻下降來(lái)觸發(fā)支路檢測(cè)。一般情況下，支路監(jiān)測(cè)處于待機(jī)狀態(tài)。只有在母線絕緣異常的情況下，才會(huì)啟動(dòng)每一個(gè)支路的絕緣巡檢，找到對(duì)應(yīng)的絕緣故障支路。通用絕緣監(jiān)測(cè)儀的原理框圖如圖4所示。

圖4 絕緣監(jiān)測(cè)儀原理框圖

2 常見(jiàn)直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 電力操作電源的絕緣監(jiān)測(cè)應(yīng)用

電力操作電源是直流電源系統(tǒng)中應(yīng)用絕緣監(jiān)測(cè)儀的主要場(chǎng)景，在電網(wǎng)的變電站和電廠中均有應(yīng)用，如今在越來(lái)越多的用戶(hù)變電站也有廣泛應(yīng)用。在電力系統(tǒng)中，由直流電源系統(tǒng)到負(fù)載設(shè)備端一般有比較遠(yuǎn)的距離，除了大部分直流輸出線路在室內(nèi)走線，也有一部分在室外走線，特別在電廠應(yīng)用中，負(fù)載多而雜，因此線路的絕緣監(jiān)測(cè)十分重要，一般情況下，電力操作電源系統(tǒng)均需要配置絕緣監(jiān)測(cè)儀設(shè)備，以提高電站系統(tǒng)的安全。在一些小型的用戶(hù)變電站中，由于供電輸出支路比較少，一般僅對(duì)母線做絕緣監(jiān)測(cè)。

2.2 數(shù)據(jù)中心高壓直流電源的絕緣監(jiān)測(cè)應(yīng)用

近年來(lái)，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的爆炸式增長(zhǎng)，一些新型數(shù)據(jù)中心采用HVDC直流電源系統(tǒng)來(lái)作為服務(wù)器的供電系統(tǒng)。為了保證數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行安全和維護(hù)安全，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心也配備了直流母線的絕緣監(jiān)測(cè)裝置。在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，具有輸出支路多，全部在室內(nèi)運(yùn)行的特點(diǎn)。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)中心的場(chǎng)地面積大，直流電源系統(tǒng)數(shù)量龐大，服務(wù)器供電相對(duì)獨(dú)立，相互之間的影響比較小。當(dāng)時(shí)對(duì)于一些有直流母線并聯(lián)的情況下，如兩套直流電源并聯(lián)運(yùn)行，不宜采用多絕緣主機(jī)或者交流小信號(hào)的支路檢測(cè)方式，因?yàn)槟妇€并聯(lián)時(shí)可能因?yàn)槟妇€監(jiān)測(cè)的相互干擾，小信號(hào)的相互干擾而無(wú)法正常監(jiān)測(cè)絕緣情況，甚至頻頻發(fā)生誤告警。

2.3 其他應(yīng)用

在移動(dòng)通信網(wǎng)中，為了應(yīng)對(duì)惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)供電環(huán)境，會(huì)采用高壓直流電源的遠(yuǎn)供技術(shù)來(lái)給遠(yuǎn)端的RRU或者直放站供電，由于電纜和光纖一起在野外走線，為了保護(hù)人身安全，一般也會(huì)給高壓直流設(shè)備提供絕緣監(jiān)測(cè)，這類(lèi)場(chǎng)景下，基本只需要對(duì)用戶(hù)住處直流母線進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)即可。

3 絕緣監(jiān)測(cè)的使用和維護(hù)注意事項(xiàng)

從原理上來(lái)看，絕緣監(jiān)測(cè)儀的原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際使用和維護(hù)過(guò)程中，需注意如下幾方面。

3.1 絕緣下降和接地

接地是絕緣下降的一種極端情況，也就是絕緣電阻下降到幾個(gè)歐姆以下時(shí)，就直接表現(xiàn)為接地故障。一般情況下，絕緣下降故障是一個(gè)緩慢發(fā)生的過(guò)程，而接地一般會(huì)是短時(shí)間內(nèi)形成的故障。在日常維護(hù)過(guò)程中，有必要對(duì)母線絕緣電阻、重要支路的絕緣電阻做一個(gè)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，通過(guò)判斷絕緣電阻變化的趨勢(shì)，來(lái)預(yù)測(cè)絕緣發(fā)生的故障，杜絕絕緣故障導(dǎo)致的生產(chǎn)和人身安全隱患。也期望絕緣監(jiān)測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)能夠加入類(lèi)似的智能趨勢(shì)判斷功能，實(shí)現(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)的智能化。

3.2 絕緣下降故障點(diǎn)的判斷

實(shí)際上，由于線路分布、線路端子對(duì)地、母線上連接的所有設(shè)備內(nèi)部對(duì)地的絕緣電阻等會(huì)形成對(duì)地的絕緣電阻，這些電阻對(duì)地均可簡(jiǎn)化為并聯(lián)形式，任何一點(diǎn)的絕緣下降均會(huì)導(dǎo)致絕緣故障。因此，在實(shí)際絕緣故障發(fā)生時(shí)，除了支路絕緣故障報(bào)警以外，還需要關(guān)注支路監(jiān)測(cè)以外的絕緣端子、連接到母排上的任意設(shè)備、蓄電池組等。圖5顯示了直流系統(tǒng)中常見(jiàn)與絕緣監(jiān)測(cè)相關(guān)的設(shè)備，用排除法逐步排查可能發(fā)生絕緣的地方；筆者就曾經(jīng)遇到過(guò)母排絕緣端子擊穿、蓄電池漏液導(dǎo)致母線絕緣下降而支路無(wú)告警的故障。

圖5 直流系統(tǒng)常見(jiàn)接地故障點(diǎn)

3.3 支路絕緣故障與母線絕緣故障

所有支路的絕緣電阻并聯(lián)在一起形成了正負(fù)極對(duì)地的等效電阻，這個(gè)等效電阻就是母線監(jiān)測(cè)測(cè)量到的母線對(duì)地電阻。一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)等效的對(duì)地絕緣電阻要小于每一個(gè)支路的對(duì)地絕緣電阻。因而在實(shí)際應(yīng)用中，母線的絕緣告警閥值要適當(dāng)?shù)陀谥返母婢y值，否則容易出現(xiàn)母線絕緣下降告警，但是支路卻無(wú)法檢測(cè)到的情況。建議在選用絕緣監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，應(yīng)該選擇每個(gè)支路絕緣電阻都可以測(cè)量顯示的儀器，方便故障的判別。

3.4 母線電壓偏移大小與絕緣電阻的關(guān)系

在絕緣監(jiān)測(cè)的實(shí)際維護(hù)過(guò)程中，維護(hù)人員會(huì)通過(guò)測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地的電壓來(lái)判斷母線絕緣是否異常，這是一個(gè)簡(jiǎn)易的辦法，但是也有一定的局限性。首先，如果母線存在平衡電阻的情況下，除了能夠明顯排除正負(fù)母線等值絕緣下降，這種方法基本可行，但是不能測(cè)量到具體的母線絕緣值降到多少；其次，在沒(méi)有平衡電阻的情況下，用測(cè)量?jī)?nèi)阻高的電壓表（如數(shù)字萬(wàn)用表等）來(lái)測(cè)量這個(gè)母線對(duì)地的懸浮電壓，會(huì)有比較大的測(cè)量誤差，測(cè)量值基本沒(méi)有任何參考意義。

3.5 母線測(cè)量時(shí)導(dǎo)致正負(fù)母線對(duì)地電壓的波動(dòng)影響

在實(shí)際的絕緣監(jiān)測(cè)儀中，為了應(yīng)對(duì)各種不同的工況，提高測(cè)量精度，如圖1原理中所示，會(huì)采用多種不同阻值的電阻進(jìn)行對(duì)地的切換，以保證測(cè)量精度，這樣就會(huì)帶來(lái)影響，在正負(fù)母線不同電阻切換時(shí)，會(huì)形成正負(fù)母線對(duì)地電壓的波動(dòng)，影響到設(shè)備的正常運(yùn)行。實(shí)際上這種擔(dān)心是不必要的：首先，任何負(fù)載設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，不會(huì)因?yàn)檎?fù)母線對(duì)地電壓的波動(dòng)而受到供電的影響，因?yàn)樨?fù)載設(shè)備僅僅接受正負(fù)母線之間的電壓，而這個(gè)電壓基本是維持不變的；其次，由于投切電阻的阻值在幾十到幾百kΩ，雖然電壓有波動(dòng)，但是不會(huì)使得電流有很大的偏移，因而一般不會(huì)對(duì)負(fù)載設(shè)備造成嚴(yán)重影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在直流電源系統(tǒng)中，如果正負(fù)極性不接地的情況下，正負(fù)母線對(duì)地的絕緣監(jiān)測(cè)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要設(shè)備。設(shè)計(jì)者和維護(hù)人員深刻理解不同應(yīng)用場(chǎng)景下的不同工況，對(duì)于直流電源系統(tǒng)的設(shè)備安全和維護(hù)人員的人身安全有重要的意義。