程正年 湯海松 馬 錕 閆 龍 范良鵬

一種直流絕緣診斷裝置及其檢測方法

程正年 湯海松 馬 錕 閆 龍 范良鵬

（安徽新力電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，合肥 230088）

變電站或發(fā)電廠設(shè)備的直流絕緣下降是一種常見故障，直流電源系統(tǒng)的絕緣選線排查是困擾運維人員的難點問題。本文介紹一種直流絕緣診斷裝置及其檢測方法，該裝置主要由本體、專用線束和指示器組成，體積小，攜帶方便。裝置通過平衡橋原理判斷直流絕緣下降情況，再利用霍爾原理檢測漏電流的方向，從而實現(xiàn)故障點查找及定位，操作方便，安全性好。實際應(yīng)用表明，該直流絕緣診斷裝置的選線準(zhǔn)確性高，無需停電即可進(jìn)行支路絕緣排查診斷，且省時省力。

直流電源；絕緣診斷；檢測方法；運維管理

0 引言

在電力系統(tǒng)中，直流電源是發(fā)電廠、變電站必備的操作和控制電源，也是事故停電時的備用工作電源[1]，其服務(wù)的主要對象是廠、站內(nèi)的保護和控制設(shè)備，如高壓斷路器、保護測控裝置、備自投的自動控制裝置、事故油泵等。《國家電網(wǎng)公司防止變電站全停十六項措施（試行）實施意見》明確要求“防止直流電源系統(tǒng)故障導(dǎo)致變電站全?！薄５?，在變電站實際運行中，由于直流電源系統(tǒng)的饋線一般敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，隨著饋線回路電纜老化或絕緣受損，一旦電纜溝的濕度增大，就會導(dǎo)致直流絕緣下降或直接接地。根據(jù)變電站站用直流電源系統(tǒng)運維管理要求，“對于220V直流系統(tǒng)兩極對地電壓絕對值差超過40V或絕緣降低到25kW以下，應(yīng)視為直流系統(tǒng)接地”。當(dāng)直流電源系統(tǒng)發(fā)生正負(fù)兩極同時接地時，會引起該回路開關(guān)跳閘斷電的事故，危及變電站設(shè)備的運行安全，使直流系統(tǒng)安全運行面臨巨大風(fēng)險[2-11]。

造成直流系統(tǒng)絕緣降低的原因，除了回路電纜絕緣老化和空氣濕度過大外，還存在其他因素，如：敷設(shè)過程中，不慎損傷電纜絕緣層；變電站在技改檢修過程中，接錯線構(gòu)成寄生回路；斷路器多次分合振動引起螺釘松動，接線頭脫落滑出碰觸鐵構(gòu)件；用電設(shè)備內(nèi)部接插件內(nèi)的元器件損壞引起的接地；部件轉(zhuǎn)動時，二次線路受擠壓而磨破絕緣層等。

直流絕緣下降是直流電源系統(tǒng)的一種常見故障，因系統(tǒng)出線回路數(shù)眾多，也是一種最難排查的故障。尤其是在500kV變電站內(nèi)，有主控制室和多個繼電保護小室，各種控制柜和保護柜數(shù)量極多，對應(yīng)的直流電源系統(tǒng)有主饋電屏和多臺直流分電屏，對外輸出的直流支路數(shù)高達(dá)幾百條。目前，雖然在直流系統(tǒng)設(shè)備上裝有在線絕緣檢測裝置用于監(jiān)測直流母線和支路絕緣狀態(tài)，但是由于實際工況復(fù)雜，信號易受干擾，存在選線準(zhǔn)確度不高且無法定位故障點的問題[12]，給值班人員帶來極大困擾。為了進(jìn)一步分析確認(rèn)故障點，往往需要對絕緣預(yù)警的出線回路進(jìn)行分?jǐn)嗖僮?，同時觀察母線對地電壓值的變化情況。這種確認(rèn)方式需要支路停電才能開展作業(yè)，整個排查過程對變電站的安全運行產(chǎn)生影響。

鑒于此，本文介紹一種直流絕緣診斷裝置及其檢測方法[13-15]，旨在解決現(xiàn)有直流絕緣選線裝置準(zhǔn)確度不高、需要停電才能進(jìn)行支路絕緣排查診斷、耗時費力的問題，從而實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的直流回路絕緣狀態(tài)檢測，為相關(guān)運維人員提供便利。

1 診斷裝置

1.1 檢測裝置

直流絕緣診斷裝置由指示器、鉗形電流互感器、儀器本體、跨接線束、采樣線束組成。其中，儀器本體包括直流變換模塊、監(jiān)控模塊、信號采集板、顯示板。直流絕緣診斷裝置工作電路如圖1所示，其中直流母線通過各個直流回路分別與站內(nèi)各種控制柜或保護柜相連，且直流回路通過直流饋線屏輸出接線端子與外部的控制柜或保護柜相連，直流回路設(shè)有回路開關(guān)。在正常運行時，回路開關(guān)為閉合狀態(tài)，直流母線經(jīng)回路開關(guān)和接線端子與變電站內(nèi)的設(shè)備（控制柜或保護柜）進(jìn)行電連接。

圖1 直流絕緣診斷裝置工作電路

信息采集示意圖如圖2所示，信號采集板通過采集線束分別與直流母線的正母線、負(fù)母線和接地體連接，用于采集直流電源系統(tǒng)的電壓；信號采集板與監(jiān)控模塊相連，將采集的系統(tǒng)電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控模塊；信號采集板還與直流變換模塊[16]連接，為直流變換模塊提供輸入電源。

圖2 信息采集示意圖

直流變換模塊的輸出端通過跨接線束與回路上的接線端子相連接，從而與回路電連接；直流變換模塊用于輸出直流電。

監(jiān)控模塊與直流變換模塊相連，根據(jù)信號采集板所采集的系統(tǒng)電壓數(shù)據(jù)，調(diào)整直流變換模塊的輸出電壓與系統(tǒng)電壓相近，從而滿足現(xiàn)場實際需要。直流變換模塊內(nèi)部也有采集控制板，可將直流變換模塊的輸出電壓數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊通過與系統(tǒng)電壓值進(jìn)行比較運算，發(fā)出指令調(diào)節(jié)直流變換模塊輸出電壓的大小。

監(jiān)控模塊根據(jù)直流變換模塊的實際輸出電壓值進(jìn)行對地電壓的運算，得到該檢測回路的直流對地電壓值。監(jiān)控模塊還與顯示板相連接，將運算得到的直流對地電壓值發(fā)送至顯示板進(jìn)行顯示，供運維人員判斷。

直流變換模塊對輸入直流電壓進(jìn)行高頻斬波，由高頻變壓器將能量傳遞到二次側(cè)，二次側(cè)整流濾波電路重新對高頻電壓方波進(jìn)行整流濾波，從而得到高質(zhì)量的直流電源。通過診斷裝置的電源輸出端口給絕緣存疑回路中的設(shè)備供電，以及實現(xiàn)絕緣存疑回路與原有直流電源系統(tǒng)的完全電氣隔離。

裝置自身工作的輔助電源直接從輸入直流電壓母線取電，并將其轉(zhuǎn)換成監(jiān)測、控制、驅(qū)動、通信、顯示等內(nèi)部電路所需電能。

診斷裝置的工作模式可根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)定為輸出電壓等級DC 110V或DC 220V，輸出電流可滿足為各類彈簧操動機構(gòu)斷路器、自動控制裝置和電動負(fù)荷開關(guān)儲能供電的需要。

1.2 檢測原理

當(dāng)直流系統(tǒng)的饋出支路無接地時，通過接地檢測點測得的電壓為母線電壓的1/2。當(dāng)某一支路存在接地電阻時，如圖1所示為正接地，將破壞平衡橋關(guān)系，從而改變接地檢測點的電壓。裝置可根據(jù)檢測點的電壓、母線的正、負(fù)電壓及已知的平衡橋電阻計算出接地電阻。當(dāng)支路正、負(fù)極都有接地且接地電阻相同時，即形成平衡接地。此時，平衡橋關(guān)系沒有被破壞，僅根據(jù)平衡橋檢測法無法檢測出接地電阻值，需要使用不平衡橋法進(jìn)行檢測，形成兩種已知的不平衡關(guān)系，進(jìn)而對形成的二元方程式求解，可得到正、負(fù)接地電阻值。根據(jù)上述平衡橋和不平衡橋檢測法，可計算出直流母線中存在的正、負(fù)接地電阻，從而判斷絕緣下降情況。

1.3 查找接地點

為了進(jìn)一步查找接地點、判斷接地點方向，可用連接在指示器上的鉗形電流互感器的鉗口把存疑支路的正、負(fù)極線纜都穿過互感器，使正、負(fù)極線纜的感應(yīng)電流互相抵消，如果抵消后還有超過漏電流閾值大小的電流，說明該條支路存在接地點。當(dāng)支路存在接地時，如圖1所示E點為正接地，如果互感器鉗口夾在D位置，經(jīng)裝置輸出正極流入互感器線圈的電流大于裝置輸出負(fù)極流出互感器線圈的電流，電流差即為裝置正極到接地點之間的接地電阻中流過的電流，該電流可被鉗形電流傳感器檢測到。如果互感器鉗口夾在C位置，經(jīng)裝置輸出正極流入互感器線圈的電流和經(jīng)裝置輸出負(fù)極流出互感器線圈的電流相同，此時互感器漏電流信號=in-out=0，其中in為流入E點電流，out為流出E點電流，表明此處到負(fù)載的線纜不存在接地電阻，即漏電流突然消失的地方就是接地點；當(dāng)互感器漏電流=in-out≠0時，可判斷此處到負(fù)載的線纜存在接地現(xiàn)象，且可確定接地方向，指示器能夠顯示接地方向，幫助查找人員朝接地點方向查找，縮短查找時間。實際操作時需要注意的是，在使用鉗形互感器的鉗口夾線纜時，正、負(fù)極都應(yīng)穿過互感器，且鉗口標(biāo)識的方向與該回路線纜電流正極流向保持一致，確保鉗口密合狀態(tài)，以免漏磁影響檢測準(zhǔn)確性。

1.4 檢測裝置特點

1）利用直流變換模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)電氣完全隔離，排除干擾信號。

2）由于直流變換模塊的輸入電源直接取自原直流系統(tǒng)，在查找過程中，不存在造成檢測回路停電的安全風(fēng)險。

3）通過跨接線束旁路的方法，可以實現(xiàn)不停電對絕緣存疑支路進(jìn)行排查確認(rèn)。

4）顯示接地點電阻、電流，正、負(fù)極對地電壓，有聲光報警信號。

5）鉗形互感器檢測漏電流，通過指示器能夠確定接地點的方向和區(qū)段，定位故障點。

6）裝置體積小，便于搬運，操作簡單方便。

2 檢測方法

為了現(xiàn)場操作方便，跨接線束和采集線束有專用接頭，運維人員在現(xiàn)場能夠快速實現(xiàn)柜內(nèi)電氣回路的電氣連接。

2.1 判斷存在絕緣下降的回路

當(dāng)有絕緣存疑回路需要判定時，先將儀器本體上的信號采集板通過采集線束分別與直流母線的正、負(fù)母線及接地體進(jìn)行電連接，然后起動儀器本體工作，檢查其運行狀態(tài)正常后，再用跨接線束與存疑回路的接線端子進(jìn)行電連接，接著斷開絕緣存疑回路上的回路開關(guān)，此時該存疑回路的設(shè)備負(fù)荷轉(zhuǎn)由直流變換模塊供電，監(jiān)控模塊自動監(jiān)測該回路對地電壓值并通過顯示板顯示。若此時直流對地電壓值在正常范圍內(nèi)，則表示正常；否則儀器本體會發(fā)出報警信號，并顯示該存疑回路存在絕緣下降的直流母線的極性。

由于直流電源系統(tǒng)的任意單一回路的實際負(fù)荷電流不會超過10A，跨接線束和采集線束的線芯為2.5mm2軟導(dǎo)線，完全可以滿足電流承載量要求。跨接線束和采集線束具有專用接頭和絕緣護套，現(xiàn)場進(jìn)行電氣連接是安全的。

2.2 跨接線束

跨接線束和接線端子如圖3所示，跨接線束由導(dǎo)線、插頭和插座組成，其中插座是具有鏤空插孔和螺桿的特制件，螺桿的粗細(xì)根據(jù)不同規(guī)格（4N、6N、10N）的接線端子適配，用于與接線端子相連，且插座的螺桿與接線端子中部的螺釘孔之間采用螺紋連接。

實際操作時，選取相應(yīng)的插座，并將插座與接線端子連接片中間孔擰緊，再將插頭插入插座內(nèi)，線束另一端插頭對應(yīng)好正、負(fù)極性插入診斷裝置電源輸出的相應(yīng)端口，如此即可實現(xiàn)利用跨接線束將絕緣存疑回路旁路，從而無需將該回路斷電。

圖3 跨接線束和接線端子

2.3 采集線束

采集線束如圖4所示，采集線束由導(dǎo)線、插頭和線夾組成。該線束共有三根連接線，其中有一根獨立連線專門用于與接地排相連。實際操作時，先把插頭對應(yīng)好正、負(fù)極性插入診斷裝置電源輸入的相應(yīng)端口，再將線夾分別與柜內(nèi)的正、負(fù)極母線排夾好，最后將接地線插頭插入診斷裝置的接地端口，另一端的線夾在柜內(nèi)接地排上夾好，利用采集線束引入直流變換模塊的工作電源。

圖4 采集線束

2.4 支路絕緣檢測

綜上所述，利用跨接線束和采集線束，結(jié)合裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)診斷裝置與原直流系統(tǒng)的完全電氣隔離。絕緣診斷裝置類似一個微型直流電源系統(tǒng)，由于其只對某一條輸出支路進(jìn)行絕緣檢測分析，因而可很容易判定該回路是否存在絕緣下降的問題。在該支路脫離原直流系統(tǒng)后，如果原系統(tǒng)直流絕緣恢復(fù)正常，則可確定是該回路存在絕緣下降。

3 應(yīng)用實例

下面以安徽省某500kV變電站為例，介紹一種出現(xiàn)報警絕緣信號后無需支路停電的檢測方法。

在直流系統(tǒng)發(fā)出第18號支路絕緣報警信號后，先找到直流饋線屏的第18號支路（存疑支路）接線端子，將直流絕緣診斷裝置的采集線束一端與裝置本體連接，另一端夾在原直流系統(tǒng)正、負(fù)極母線和接地排上，起動診斷裝置，待裝置正常工作后，再把跨接線束一端連接裝置本體，另一端接入存疑支路的接線端子，此時斷開直流饋線屏上該饋線的支路開關(guān)，使存疑支路脫離原直流電源系統(tǒng)，改由診斷裝置本體為該支路供電，以排除原直流系統(tǒng)各饋線回路之間的干擾。同時，診斷裝置對存疑支路進(jìn)行絕緣狀態(tài)檢測，并通過裝置自身的顯示面板直接顯示支路正、負(fù)極對地電壓和電阻大小。據(jù)此，運維人員即可判定該回路確實存在絕緣下降情況。在確認(rèn)存在絕緣下降情況后，為了進(jìn)行故障點定位，先梳理出該支路通往負(fù)載端的電纜的敷設(shè)方向，明確負(fù)載側(cè)的電纜進(jìn)入用電設(shè)備的電源走向，再從該支路接入公用測控屏（用電設(shè)備）的端子排側(cè)，用鉗形互感器的鉗口夾入回路的正、負(fù)導(dǎo)線，此時指示器顯示絕緣下降的方向指向引入電源側(cè)方向，使用手持鉗形互感器在電源引入的電纜上來回探測，并密切觀察指示方向，不斷縮小探測范圍，最終定位故障點。經(jīng)過進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，該回路絕緣層受損破皮（導(dǎo)線受力，被橫檔毛刺刮破）后導(dǎo)線碰觸柜體側(cè)橫檔，后用絕緣布包裹受損部位，裝置顯示絕緣狀態(tài)正常，表明故障已排除。此時，將跨接線束、采集線束解除，使診斷裝置退出診斷狀態(tài)，直流系統(tǒng)恢復(fù)原運行狀態(tài)。

由于此檢測方法是在獨立供電的狀態(tài)下排查存疑支路的絕緣下降問題，因此可以避免直流系統(tǒng)各饋線支路之間的干擾。手持式指示器的鉗形互感器為開口式，可以選擇檢測線路的任一路段夾入，實現(xiàn)了在饋線不停電的情況下查找絕緣下降故障點，安全性好，有助于運維人員快速排除故障。

4 結(jié)論

本文介紹了一種直流絕緣檢測方法，能夠在回路不停電的情況下判定絕緣下降故障點，大大提升了變電站運行的安全性，有助于運維人員快速分析故障、盡早排除運行隱患。該檢測方法操作安全可靠，檢測速度快，定位準(zhǔn)確，結(jié)果直觀明了，為直流電源系統(tǒng)的維護提供了便利，而且能節(jié)約人力成本和時間成本，大大提高了直流回路絕緣診斷的效率。

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A kind of DC power system insulation diagnostic device and its detection method

CHENG Zhengnian TANG Haisong MA Kun YAN Long FAN Liangpeng

(Anhui Xinli Electrical Equipment Co., Ltd, Hefei 230088)

DC insulation decline of the equipment in substation or power plant is a common fault. The insulation line selection and investigation of DC power supply system is a difficult point that puzzles operation and maintenance personnel. This paper introduces a DC insulation diagnostic device and its detection method. The device is mainly composed of body, special wiring harness and indicator, and it is small in size and convenient to carry. The balance bridge principle is used to judge the decline of DC insulation, and then Hall principle is used to detect the direction of leakage current, so as to find and locate the fault point, which is convenient to operate and safe. The practical application shows that the DC insulation diagnostic device has high accuracy in line selection, and it can perform insulation inspection and diagnosis without power outage, which is time-saving and labor-saving.

DC power system; insulation diagnosis; detection method; operation and maintenance management

2023-09-19

2023-12-05

程正年（1971—），男，電力工程師，主要從事變電站直流電源、一體化電源的應(yīng)用開發(fā)、生產(chǎn)和運維工作。