直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)技術(shù)探討

吳 強(qiáng)，萬(wàn)信書，曾文江，徐世舟

（1.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，海南 ?？?570100；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 輸變電檢修分公司，海南 儋州 571700；3.廣州市仟順電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511400）

1 概 述

電力系統(tǒng)二次設(shè)備電源采用直流電源供電，低壓直流系統(tǒng)中的電源設(shè)備是變電站/電廠內(nèi)的重要設(shè)備[1]。低壓直流系統(tǒng)電源由充電機(jī)和蓄電池組構(gòu)成，直流系統(tǒng)是可獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)的供電系統(tǒng)[2]。電力生產(chǎn)過(guò)程中二次用電負(fù)荷極為重要，對(duì)持續(xù)可靠供電的要求很高，因此直流系統(tǒng)的持續(xù)可靠是保障變電站安全運(yùn)行的條件之一[3]。直流電源系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)乎電力安全生產(chǎn)，為保障直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行、保證保護(hù)設(shè)備準(zhǔn)確動(dòng)作，直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng)；為監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣故障，直流系統(tǒng)成套設(shè)備配備有絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置[4]。

2 絕緣監(jiān)測(cè)裝置缺陷危害

隨著時(shí)間的推移，電子設(shè)備內(nèi)部電子元器件會(huì)有輕微的老化。隨著這些內(nèi)部元器件的老化，在進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)絕緣裝置損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)有接地不告警、直流系統(tǒng)對(duì)地電壓波動(dòng)和偏移、兩極接地不能告警以及接地選線準(zhǔn)確率低等問(wèn)題[5]。同時(shí)由于缺少相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，各廠家在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮自身產(chǎn)品性能特點(diǎn)和抗干擾能力，忽略了對(duì)系統(tǒng)的綜合影響，這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患[6,7]。

2.1 老化導(dǎo)致互感器零點(diǎn)漂移

互感器是絕緣監(jiān)測(cè)裝置的底層配件，是測(cè)量絕緣故障的基礎(chǔ)元件?；ジ衅鲀?nèi)部涉及大量電子元件，這些電子元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)互感器感應(yīng)的微小信號(hào)進(jìn)行放大?；ジ衅鏖L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，其中的電子元件會(huì)發(fā)生老化，這會(huì)使得電流互感器的輸出發(fā)生漂移[8]?；ジ衅髁泓c(diǎn)漂移如圖1所示。

圖1 互感器零點(diǎn)漂移

如圖1所示，假設(shè)#1支路的電流互感器發(fā)生零點(diǎn)漂移為-2 mA，#2支路的電流互感器檢測(cè)電流為+2 mA。當(dāng)支路#2發(fā)生負(fù)極10 kΩ電阻接地時(shí)，#1支路存在因?yàn)榱泓c(diǎn)漂移而產(chǎn)生的2 mA漏電流，而#2支路有正向零點(diǎn)漂移電流和反向接地漏電流，兩電流方向相反、相互抑制，影響測(cè)量計(jì)算結(jié)果。此時(shí)，絕緣裝置可能報(bào)#1支路接地、#2支路不接地，發(fā)生誤報(bào)接地故障支路、漏報(bào)接地故障支路的現(xiàn)象。

2.2 原理層面

2.2.1 漏電流原理

漏電流檢測(cè)是通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)裝置平衡橋與接地回路構(gòu)成有效電氣回路，監(jiān)測(cè)各支路漏電流是否為零來(lái)判斷支路接地情況。當(dāng)直流系統(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地電壓變化時(shí)，測(cè)量各支路中漏電流來(lái)計(jì)算支路絕緣電阻。該原理存在不可區(qū)分環(huán)網(wǎng)形成的環(huán)流和接地電流的問(wèn)題，同時(shí)在同一饋線支路兩極接地時(shí)形成的漏電流相互抑制，這導(dǎo)致互感器不能通過(guò)漏電流來(lái)選出故障支路。除此之外，裝置運(yùn)行時(shí)間久后，CT會(huì)出零漂現(xiàn)象，導(dǎo)致選線誤差大。

2.2.2 變化漏電流原理

圖2 變化漏電流原理

這樣雖然解決了漏電流帶來(lái)的無(wú)法區(qū)分環(huán)流、無(wú)法監(jiān)測(cè)兩極接地、交流干擾、零漂等問(wèn)題，但為了保障電力系統(tǒng)安全，必須控制母線對(duì)地電壓波動(dòng)幅值。

2.2.3 注入信號(hào)原理

注入信號(hào)在實(shí)際使用中容易引起設(shè)備誤動(dòng)或干擾設(shè)備，檢測(cè)精度也會(huì)受到接地電容影響，不易被用戶接受。國(guó)家能源局25項(xiàng)反措規(guī)程中明確了新投入或改造后的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置不應(yīng)采用交流注入法測(cè)量直流電源系統(tǒng)絕緣狀態(tài)，故不做分析。

2.2.4 平衡橋原理

平衡橋電路原理如圖3所示。

圖3 平衡橋電路原理

以系統(tǒng)電壓為220 V為例，在單極接地計(jì)算過(guò)程中，其電壓、電阻之間的關(guān)系為：

中國(guó)高技術(shù)制造業(yè)增加值影響因素的面板數(shù)據(jù)模型分析 ……………………………………… 劉 碩 胡澤文 智 晨（4/17）

（1）當(dāng)系統(tǒng)電壓為 220 V、R1=100 kΩ 時(shí)，假設(shè)此時(shí)正極恰好有個(gè)5 kΩ的電阻接地，代入公式計(jì)算電壓值為U+≈ 10 V、U-≈ 210 V。

（2）當(dāng)系統(tǒng)電壓為 220 V、R1=10 kΩ，假設(shè)此時(shí)正極有個(gè)5 kΩ的電阻接地，代入公式計(jì)算電壓值為U+≈55 V、U-≈165 V。此時(shí)通過(guò)R1的電流變?yōu)榧s 17 mA。

（3）當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生兩極接地時(shí)，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。因?yàn)橛袃蓚€(gè)未知數(shù)，所以求不出兩極接地的電阻。

圖4 兩極接地

綜上所述，平衡橋原理設(shè)備平衡橋過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電壓偏移量大，平衡橋過(guò)小限流作用消弱。

2.2.5 乒乓橋原理

乒乓橋原理電路如圖5所示。

圖5 乒乓橋電路

當(dāng)系統(tǒng)母線電壓為 232 V、R1=100 kΩ、R2=100 kΩ時(shí)，此時(shí)分別閉合k1和k2可以計(jì)算出R3和R4的阻值。假設(shè)算出的R3=R4=200 kΩ，當(dāng)k1閉合時(shí)，根據(jù)公式（1）得出U+=58 V、U-=174 V；當(dāng)k2閉合時(shí)，根據(jù)公式（1）得出U-=58 V、U+=174 V，這樣雖然可以計(jì)算出兩極接地的電阻，但是電壓波動(dòng)大。

2.2.6 平衡橋加檢測(cè)橋原理

平衡橋加檢測(cè)測(cè)橋原理如圖6所示。

圖6 平衡橋加檢測(cè)橋原理圖

假設(shè)系統(tǒng)電壓為 220 V、R1=80 kΩ、R2=120 kΩ，當(dāng) k1閉合時(shí)，根據(jù)公式（1）得出 V-=175.12 V，V+=4.8V；當(dāng)K2閉合時(shí)，根據(jù)公式（1）得出U+=67.35 V、U-=152.65 V。

綜上所述，絕緣裝置隨著運(yùn)行時(shí)間推移可能發(fā)生零點(diǎn)漂移問(wèn)題，因此有必要開(kāi)展絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)工作。

3 在線校驗(yàn)絕緣監(jiān)測(cè)裝置方法

3.1 傳統(tǒng)方法

在電站進(jìn)行在線絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)方法只能簡(jiǎn)單的在系統(tǒng)某一支路通過(guò)電阻做一個(gè)正極或者負(fù)極接地處理。在這里以負(fù)極接地為例進(jìn)行說(shuō)明，大致電路如圖7所示。

圖7 負(fù)極接地

通過(guò)在某個(gè)饋線支路將電阻接入負(fù)極來(lái)模擬負(fù)極接地，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能否正常告警，并計(jì)算出接地電阻阻值[9]。

3.2 絕緣監(jiān)測(cè)裝置新校驗(yàn)方法

通過(guò)上面的論述，在傳統(tǒng)在線校驗(yàn)絕緣監(jiān)測(cè)裝置方法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款輕便且適用于班組在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢驗(yàn)的校驗(yàn)儀。因?yàn)檫@是專為一線班組工作需求設(shè)計(jì)，所以體積和重量是考慮第一因素。

使用2個(gè)110 V、1 A開(kāi)關(guān)電源模擬直流系統(tǒng)電源，可模擬110 V和220 V兩種電壓等級(jí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)k1、k2以及k3控制輸出，其中k1和k2控制進(jìn)行互鎖設(shè)計(jì)。絕緣電阻設(shè)計(jì)有5 kΩ、10 kΩ、15 kΩ、25 kΩ、30 kΩ、50 kΩ、80 kΩ、100 kΩ 以及 150 kΩ。設(shè)計(jì) 1 uF、4 uF 和 10 uF 這 3個(gè)電容，校驗(yàn)絕緣檢測(cè)裝置選線時(shí)分布電容抗干擾能力。設(shè)計(jì)交流故障源，校驗(yàn)絕緣檢測(cè)裝置檢測(cè)交流接地功能。設(shè)計(jì)一對(duì)20 kΩ電阻的平衡橋，這個(gè)平衡橋可以臨時(shí)監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣裝置。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)使得校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)模擬各種電阻性接地功能、模擬支路分布電容干擾功能、模擬交流竄電故障功能、評(píng)估絕緣檢測(cè)裝置平衡橋電阻功能以及模擬瞬時(shí)接地功能[10]。

4 絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

裝置架構(gòu)如圖8所示。

圖8 裝置架構(gòu)

電源負(fù)責(zé)給各電路模塊供電。4路直流電流采集模塊分別采集校驗(yàn)儀輸出母線的對(duì)地電壓、平衡橋?qū)Φ仉妷旱?，依?jù)平衡橋電壓進(jìn)行壓差告警。交流電壓采集模塊是采集校驗(yàn)儀母線對(duì)地交流電源。非控制負(fù)載一頭接地線測(cè)試孔、一頭接負(fù)載試驗(yàn)測(cè)試孔。平衡橋設(shè)計(jì)兩電阻，引出測(cè)試孔。

電壓采樣電路電路原理如圖9所示。

圖9 電壓采樣電路

交流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓，再經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波處理。完成濾波的信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，最后通過(guò)濾波器濾波，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采樣。

電源控制原理如圖10所示。

圖10 電源控制流程

班組校驗(yàn)儀主要為班組現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)用操作如圖11所示。臨時(shí)監(jiān)測(cè)接入直流系統(tǒng)（“+”接直流系統(tǒng)+KM、“-”接直流系統(tǒng)-KM），運(yùn)行絕緣監(jiān)測(cè)裝置接入校驗(yàn)儀直流電源，模擬故障負(fù)荷通過(guò)跳線繞過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)裝置CT后接回校驗(yàn)儀母線。

圖11 引用接線

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目：一是單極一點(diǎn)接地試驗(yàn)，能夠試驗(yàn)多種接地電阻；二是單極多點(diǎn)接地試驗(yàn)，將2個(gè)及以上電阻同時(shí)接入正極或者負(fù)極進(jìn)行試驗(yàn)；三是兩極接地試驗(yàn)，在正極和負(fù)極同時(shí)接入電阻進(jìn)行試驗(yàn)；四是一點(diǎn)接地電容干擾選線試驗(yàn)，在模擬直流接地故障時(shí)同時(shí)使用跳線接通電容繞過(guò)CT進(jìn)行試驗(yàn)；五是交流接地試驗(yàn)，通過(guò)模擬不同電壓流入直流系統(tǒng)來(lái)試驗(yàn)；六是臨時(shí)監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣故障，在絕緣監(jiān)測(cè)裝置退出直流系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)期間承擔(dān)直流系統(tǒng)絕故障監(jiān)測(cè)功能，發(fā)生絕緣故障引起電壓偏差時(shí)進(jìn)行告警。

5 結(jié) 論

本文論述了一種有效的現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)方法，并設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)絕緣裝置的校驗(yàn)儀，供電力生產(chǎn)一線維護(hù)人員檢修絕緣監(jiān)測(cè)裝置使用，有效解決了絕緣監(jiān)測(cè)裝置定檢工作難題，為電力安全生產(chǎn)提供幫助。