電容組模塊在絕緣監(jiān)測(cè)校驗(yàn)儀中作用的探討

符宏艷，劉 斌，王曉明

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司北海供電局，廣西 北海 536000）

直流系統(tǒng)作為二次系統(tǒng)的電源系統(tǒng)，其作用至關(guān)重要。對(duì)于直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，良好的絕緣性是保證直流系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)[1-2]。因此，在直流系統(tǒng)中，都配備有直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置對(duì)直流系統(tǒng)的絕緣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

絕緣監(jiān)測(cè)裝置投入運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，其性能參數(shù)、準(zhǔn)確度都有偏移，按照《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW 1969—2013）等要求[3]，需要專業(yè)的校驗(yàn)設(shè)備，定期線下對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)校準(zhǔn)。

目前，許多校驗(yàn)儀只能模擬直流系統(tǒng)的絕緣內(nèi)阻環(huán)境，但是針對(duì)直流電源系統(tǒng)真實(shí)存在的對(duì)地分布電容卻沒(méi)有考慮，因此，本文從對(duì)地分布電容存在的實(shí)際出發(fā)，分析了校驗(yàn)儀利用電容組模塊還原分布電容的合理性以及必要性，并給出了結(jié)構(gòu)示意圖，為相關(guān)校驗(yàn)儀的研發(fā)生產(chǎn)單位提供了一種思路。

1 直流系統(tǒng)對(duì)地分布電容的來(lái)源

在直流電源系統(tǒng)中，由于電路的分布特點(diǎn)造成的具有電容屬性的現(xiàn)象稱之為分布電容。分布電容主要包括設(shè)備的分布電容和電纜的分布電容。直流系統(tǒng)采用的是射形結(jié)構(gòu)，接入直流的設(shè)備、元件以及電纜越來(lái)越多，這些設(shè)備、元件以及電纜的分布電容都并聯(lián)在了直流系統(tǒng)里。

1.1 設(shè)備的分布電容

目前，直流系統(tǒng)中保護(hù)設(shè)備多采用的是微機(jī)保護(hù)裝置，這些裝置電源基本上都是取自直流系統(tǒng)，但是這些微機(jī)設(shè)備所使用的都是采用DC/DC 模塊對(duì)取自直流系統(tǒng)的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換為裝置自身提供電源的5 V、12 V 或24 V等，由于DC/DC 開(kāi)關(guān)電源模塊的電磁兼容（EMC）問(wèn)題使得其在輸入段都有加EMI（Electro Magnetic Interference）抗干擾措施，而該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)就是在正對(duì)地和負(fù)對(duì)地之間接有電容，通過(guò)EMI 手段來(lái)消除噪聲源對(duì)開(kāi)關(guān)電源及設(shè)備的影響，這些就形成了對(duì)地的分布電容。隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)不斷提高，微機(jī)保護(hù)設(shè)備數(shù)量在不斷增多，疊加在直流系統(tǒng)上的對(duì)地分布電容就越來(lái)越大[1]。

1.2 電纜的分布電容

在電力、電網(wǎng)系統(tǒng)，變電站或電廠的保護(hù)及控制電纜一般使用的電纜為KVVP22 帶屏蔽層的多芯電纜，芯線橫截面積多為2.5 mm2，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)十八項(xiàng)反措要求，變電站內(nèi)或電廠內(nèi)的控制及信號(hào)電纜屏蔽層需通過(guò)4 mm2軟銅線在電纜兩端接地，因此，電纜對(duì)屏蔽層產(chǎn)生電容效應(yīng)，形成了分布電容。另外，在多芯電纜內(nèi)部，線芯與線芯之間也存在分布電容。4 芯電纜分布電容等效如圖1所示。

圖1 4 芯電纜分布電容等效圖

電纜與屏蔽層之間存在的分布電容為C1、C3、C5、C7，線芯之間的分布電容為C2、C4、C6、C8、C9、C10。線芯與屏蔽層的距離相等，因此C1=C3=C5=C7。

同理，根據(jù)線芯之間的距離相等原理，C2=C4=C6=C8，C9=C10。

7 芯電纜的分布電容等效如圖2所示，線芯與線芯之間的分布電容大小相等。

圖2 7 芯電纜分布電容等效圖

電纜在出廠時(shí)都滿足電纜對(duì)分布電容的要求，并且該分布電容很小，對(duì)直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)，但是，這些電纜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的使用，因?yàn)樗幁h(huán)境變化的因素，使得電纜會(huì)有受潮、老化等現(xiàn)象，特別對(duì)于電廠來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離的拉線，這一系列的因素造成直流系統(tǒng)分電容不斷加大。

2 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理

目前，市場(chǎng)上的絕緣監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)原理，主要采用兩種方法，即一種是直流差值法，另外一種則是交流低頻法[3]。

2.1 直流差值法

所謂直流差值法，即通過(guò)對(duì)直流電源系統(tǒng)各接地的支路電流不平衡度（漏電流）的測(cè)量，當(dāng)發(fā)生直流接地時(shí)，通過(guò)漏電流的大小，定位接地故障支路的方法。由于直流漏電電流是小電流，監(jiān)測(cè)設(shè)備一般采用非常精度、靈敏度高的直流漏電流傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著霍爾傳感器、通用放大器等半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，直流漏電流的監(jiān)測(cè)不再是難題[2]。直流系統(tǒng)支路漏電流監(jiān)測(cè)基本原理如圖3所示。

圖3 直流小信號(hào)絕緣監(jiān)測(cè)原理

圖3中，漏電流互感器加在支路的正負(fù)電纜上，由于正負(fù)電纜同時(shí)穿過(guò)漏電流互感器，正常無(wú)接地漏電情況，流過(guò)互感器的兩路電流大小相等極性相反，互感器感應(yīng)到的疊加電流為零。當(dāng)有電纜接地故障時(shí)候，互感器測(cè)出電流大小與極性與裝置的標(biāo)準(zhǔn)接地電阻接地的漏電流大小與極性對(duì)比，極性相同，確認(rèn)接地線路的極性，大小如果超出標(biāo)準(zhǔn)接地電流，就確認(rèn)該線路接地故障。

2.2 低頻交流法

用已知頻率和振幅的正弦交流低頻激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的接地故障電流信號(hào)，通過(guò)信號(hào)接收器偵測(cè)接地故障支路的方法。正弦交流低頻激勵(lì)信號(hào)是由外部信號(hào)源注入的稱為交流低頻注入法，正弦交流低頻激勵(lì)信號(hào)是由交變檢測(cè)電阻產(chǎn)生 的稱為交流低頻變橋法。一種便攜式低頻交流法原理如圖4所示。

在直流系統(tǒng)負(fù)極端與地之間接入低頻信號(hào)發(fā)生器，輸入接地信號(hào)，如果直流系統(tǒng)絕緣正常，交流小信號(hào)不能形成回路，信號(hào)接收器在正負(fù)線纜上都測(cè)不到同頻交流小信號(hào)，如果存在接地漏電，接地電阻為R，那么交流小信號(hào)就通過(guò)R與地相通，信號(hào)源輸出形成回路，信號(hào)接收器感應(yīng)到同頻信號(hào)，通過(guò)不同位置測(cè)試的信號(hào)差值大小，定位該支路存在接地故障。

圖4 交流注入法絕緣監(jiān)測(cè)原理圖

2.3 分布電容對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)方法的影響

上述的直流差值法與低頻交流注入法兩種方法，其中分布電容對(duì)交流低頻法產(chǎn)生的影響較大，因?yàn)殡娙菥哂械母糁蓖ń惶匦裕?dāng)直流系統(tǒng)中的分布電容過(guò)大時(shí)，會(huì)對(duì)低頻交流信號(hào)產(chǎn)生濾波衰減現(xiàn)象，因此，在檢測(cè)過(guò)程中，如果處理不好就會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果的差異較大。

3 絕緣監(jiān)測(cè)裝置的校驗(yàn)

3.1 絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)簡(jiǎn)介及必要性

絕緣監(jiān)測(cè)裝置的校驗(yàn)是通過(guò)專門(mén)校驗(yàn)儀器對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)校正的行為。校驗(yàn)儀通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電路模塊，模擬出直流系統(tǒng)中的各種接地故障，然后檢測(cè)絕緣監(jiān)測(cè)裝置對(duì)故障檢測(cè)的正確性和準(zhǔn)確性。

目前，很多校驗(yàn)器只有標(biāo)準(zhǔn)電阻組模塊模擬接地，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)電容組模塊模擬分布電容，而實(shí)際直流系統(tǒng)中或多或少都會(huì)存在一些分布電容，在模擬直流系統(tǒng)故障時(shí)就需要校驗(yàn)儀能夠真實(shí)還原絕緣監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行環(huán)境，因此，校驗(yàn)儀中需要加入電容模塊以滿足校驗(yàn)的需求十分必要。

3.2 絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)儀校驗(yàn)原理

因?yàn)榻^緣監(jiān)測(cè)裝置的主要功能是對(duì)直流系統(tǒng)的絕緣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]，因此，校驗(yàn)儀的原理必須是能夠真實(shí)模擬出直流系統(tǒng)的各種絕緣情況，加有電容模塊電路的校驗(yàn)儀的功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

校驗(yàn)儀主要功能模塊包括整流模塊（AC/DC）、隔離變壓器（AC/AC）、電阻陣列以及電容陣列。

整流模塊把交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，輸出的直流電壓模擬直流母線電壓；隔離的交流變壓器用于模擬交流竄入直流；電阻陣列和電容陣列連接在母線上，通過(guò)對(duì)電阻陣列和電容陣列的調(diào)控，可以模擬出直流系統(tǒng)的絕緣情況和分布電容，也可以把電阻陣列和電容陣列當(dāng)做直流饋線支路進(jìn)行相應(yīng)的電阻、電容模擬。

如果校驗(yàn)儀中加入了電容陣列，能夠把直流系統(tǒng)中分布電容的真實(shí)情況反映出來(lái)，這樣用絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)才能模擬更加真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境。如果缺少電容陣列，無(wú)法真實(shí)還原系統(tǒng)分布電容情況，絕緣監(jiān)測(cè)抗分布電容不合格，則勢(shì)必會(huì)造成絕緣監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，在直流系統(tǒng)的運(yùn)行中埋下隱患。

圖5 絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)儀功能結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)直流系統(tǒng)中分布電容存在原因的理論探討分析，在直流電源系統(tǒng)中，分布電容的存在是不可忽略的一種現(xiàn)象，不同的直流系統(tǒng)中分布電容的大小不一樣，產(chǎn)生的影響也不一樣。同時(shí)由于絕緣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)方法的不同，分布電容對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果也有影響。因此，為了確保絕緣裝置準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出系統(tǒng)絕緣故障，必須對(duì)其做標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)，不僅僅對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行電阻校驗(yàn)，也要使用標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)儀來(lái)模擬分布電容的實(shí)際直流系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，這樣校驗(yàn)的數(shù)據(jù)才是全面、精確的。所以，校驗(yàn)儀器加入電容模塊是非常合理的，也是十分必要的。絕緣裝置性能參數(shù)更加全面、準(zhǔn)確，為保障直流電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行意義重大。