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摘要：发电厂和变电站的直流电源发生接地故障，就可能引起控制回路和继电保护装置的误动作，引起重大事故。本文分析了现有的直流母线绝缘监测的常用方法。根据各种方法的优点和存在的问题，设计了一种直流母线绝缘综合监测方法，有效的避免了传统方法带来的监测死区，准确检测出直流母线故障点位置。
关键词：母线，绝缘，监测
Research of DC Bus Ground Insulation Monitoring
Abstract: In a power plant or a substation, the ground fault of DC source will cause malfunction of control loop and relay device, and major accident. The paper analyzes current used methods of DC bus insulation monitoring, and designs a synthesis for DC bus insulation monitoring according to advantages and problems of various methods. It can avoid the dead area of traditional methods monitoring, and precisely detects the fault position of DC bus.
Key words: bus, insulation, monitoring
中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：
引言
发电厂和变电站的直流系统为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事照明等提供可靠稳定的不间断电源，它还为断路器的分、合闸提供操作电源。由于直流系统网络连接比较复杂，容易发生直流接地。当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使继电保护发生误动、拒动，危害电网的安全【1】。
直流母线绝缘监测是电力设备监测和故障诊断研究的重要方向，随着多年的研究，已经出现了很多方法。传统的直流系统绝缘检测装置采用的是电桥平衡原理【2】，优点是实现简单，不足之处是当正负极绝缘电阻同时下降时，电桥仍然维持平衡，无法做出正确地判断。为了克服平衡电桥法的一些缺点，又提出了不平衡电桥法。直流法的缺点是只能检测出整个直流系统的绝缘状况和正负极的绝缘电阻，而不能精确定位发生绝缘故障的直流支路。
为了对故障定位，需通过检测支路漏电流来判断接地支路【3】。从检测信号类型可以分为直流型和交流型。交流型在检测时需要向直流系统注入低幅值的低频交流信号，用毫安级的交流互感器检测每条支路的交流漏电流，这种方法的缺陷是无法排除分布电容的干扰, 并且会加大直流系统的纹波系数。为了减少分布电容的影响，又提出了变频检测法，原理是向直流系统交替注入幅值相同、频率不同的小交流信号。当直流母线发生接地故障时，两个不同频率电流的比值大于正常情况下两个不同频率电流比值, 从而检测出发生故障的直流支路。直流型是用电桥平衡和不平衡相结合的原理检测母线对地状态，通过直流电流传感器检测支路漏电流来判断发生故障的接地支路，优点是不受分布电容的影响。。
从上文的分析可知，各种直流母线绝缘监测方法各有优缺点。为了不影响直流母线的正常运行，并且能准确检测到发生故障的直流支路，本文设计了一种直流母线绝缘综合监测方法。在正常运行时，通过平衡电桥法监测直流正负母线电压，通过电压的变化判断是否发生绝缘故障。当发生绝缘故障时，首先用不平衡电桥电路测出正负母线的绝缘电阻，然后对直流母线注入低频交流信号，监测出发生故障的直流支路。
直流母线绝缘综合检测方法
图1 系统原理流程图
从上面分析可以看出，除了平衡电桥法可以在线实时检测母线绝缘状况，其他方法的使用都要影响直流母线的正常运行或者需要手工操作，因此其他方法无法做到实时监测。而平衡电桥法又存在检测死区，即当正负母线绝缘电阻同时下降时，无法检测。但是当正负母线绝缘水平变化时（包括正负母线绝缘电阻同时下降），正负母线对地电压也会发生变化。通过在线实时检测正负母线对地电压的變化，可以判断直流母线是否发生绝缘水平下降。当实时监测系统发现直流母线绝缘水平下降，发出报警。自动切换到非平衡电桥检测正负直流母线绝缘电阻。
直流型支路漏电流检测方法优点在于不影响直流母线的正常运行，但是直流电流传感器,在经过电流冲击后,会发生剩磁变换，这将对放大器的直流偏移造成影响,如果不及时进行调节,会造成故障支路的定位不准确。为了减少分布电容对检测的影响，本文采用变频法实现对故障支路的定位。原理图如图1所示。
3.平衡电桥法监测正负母线电压
图2 系统检测原理图图3 平衡电桥等值电路图
直流母线绝缘监测的原理图如图2所示，当都闭合时，为平衡电桥法监测正负母线电压。图3为平衡电桥等值电路图。设为正负母线对地电压，均大于零；为正负母线对地绝缘电阻。为检测电阻。在正常情况下，的值为。为直流母线电压的整定值。则正负母线电压的偏离值为：
（1）
（2）
从式（1）和（2）可以看出，当只有正母线对地绝缘下降时，则降低，升高；当只有负母线对地绝缘下降时，则升高，降低；当正负母线对地绝缘同时下降时，除了外，此时均会发生变化，但变化幅度减少。因此可以根据正负母线对地电压的变化，判断是否发生绝缘故障，并判定是正（负）母线分别发生绝缘下降，还是同时发生绝缘下降。
非平衡电阻检测正负绝缘电阻
图5 正极投入检测电阻等值电路图图 图5 负极投入检测电阻等值电路图
当平衡电桥电路报警后，用不平衡电桥电路检测正负母线的绝缘电阻。原理是两个开关交替闭合，等值电路图如图4、图5所示。根据图4、图5，可以列出方程：
（3）
（4）
联立式（3），式（4），可得正负绝缘电阻：
（5）
（6）
4 低频叠加故障支路检测
图6低频叠加故障支路检测原理图
故障支路检测采用低频叠加的方法，在检测时在直流正负母线之间经隔离电容平衡注入一低频交流信号(一般为4-10V 10Hz±0.1Hz 左右，低频信号由低频信号发生器流出)，假如直流母线对地绝缘状况良好，直流母线上只有交流电压，并没有交流电流流过，因此二次侧是不会有反应的;如果直流母线对地绝缘状况下降，直流母线上不仅有交流电压，而且有交流漏电流，这时，在CT的二次侧能够检测到各支路低频电流的幅值和相位。对于检测到各支路的电流计算出有功分量，)，再利用R=U/I计算出各支路的绝缘电阻。
为了求得支路回路中的接地电阻，感应电流经放大、带通滤波后进入相位检波器，在相位检波器中与来自超低频信号源的同步信号进行相位比较与检波。如果是纯电阻，其相位差为零，则相位检波器所输出的波形为全波整流波形，其电阻值对应全波整流波形的平均值；如果既有电阻接地，又有电容接地，则感应信号与同步信号有相位差，相位检波器输出的波形不是全波整流波形，而是有正有负的非正弦的脉冲波形，正负波形平均值的差值对应支路回路的接地电阻值。利用上述方法从而克服了接地电容对测量接地电阻值的影响。同时由于电路中有带通滤波器，可以滤去以外的高低频干扰信号；又由于有同步相位检波器，能克服非同步的同频干扰。这样有效的提高了支路绝缘检测可靠性。
结论
本文提出方法用综合判据检测直流系统的绝缘情况，具有以下特点：1)通过检测正负母线电压，检测正负母线绝缘状况，可检测直流系统正、负母线绝缘同等下降，做到无检测死区；2）通过投入检测电阻，可检测正负母线绝缘电阻；3）能检测出多条支路同时接地。本方法保证了正常运行状态下直流母线电压的平稳，又保证了在直流接地情况下，直流绝缘在线监测装置能迅速准确的检测出接地支路。既消除了不平衡桥检测状态下直流母线对地电压的波动，又消除了平衡桥检测状态下直流系统两点接地无法告警的安全隐患，方便了检修人员查找排除故障，保证直流系统的安全运行。确保了电网的稳定运行。
参考文献：
1.施慧,贾秀芳,李明.对现有检测直流系统接地故障几种方法的比较.东北电力技术.1999
2.张毅,张泉,李永丽.直流系统接地检测,电力系统及其自动化学报,2005.
3.苏义鑫, 刘林伟.平衡电阻法监测直流系统绝缘.电力系统自动化。2003
作者简介：
陈建胜（1971-），男，浙江乐清人，工程师，主要从事电力生产管理工作。
关键词：母线，绝缘，监测
Research of DC Bus Ground Insulation Monitoring
Abstract: In a power plant or a substation, the ground fault of DC source will cause malfunction of control loop and relay device, and major accident. The paper analyzes current used methods of DC bus insulation monitoring, and designs a synthesis for DC bus insulation monitoring according to advantages and problems of various methods. It can avoid the dead area of traditional methods monitoring, and precisely detects the fault position of DC bus.
Key words: bus, insulation, monitoring
中图分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：
引言
发电厂和变电站的直流系统为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事照明等提供可靠稳定的不间断电源，它还为断路器的分、合闸提供操作电源。由于直流系统网络连接比较复杂，容易发生直流接地。当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使继电保护发生误动、拒动，危害电网的安全【1】。
直流母线绝缘监测是电力设备监测和故障诊断研究的重要方向，随着多年的研究，已经出现了很多方法。传统的直流系统绝缘检测装置采用的是电桥平衡原理【2】，优点是实现简单，不足之处是当正负极绝缘电阻同时下降时，电桥仍然维持平衡，无法做出正确地判断。为了克服平衡电桥法的一些缺点，又提出了不平衡电桥法。直流法的缺点是只能检测出整个直流系统的绝缘状况和正负极的绝缘电阻，而不能精确定位发生绝缘故障的直流支路。
为了对故障定位，需通过检测支路漏电流来判断接地支路【3】。从检测信号类型可以分为直流型和交流型。交流型在检测时需要向直流系统注入低幅值的低频交流信号，用毫安级的交流互感器检测每条支路的交流漏电流，这种方法的缺陷是无法排除分布电容的干扰, 并且会加大直流系统的纹波系数。为了减少分布电容的影响，又提出了变频检测法，原理是向直流系统交替注入幅值相同、频率不同的小交流信号。当直流母线发生接地故障时，两个不同频率电流的比值大于正常情况下两个不同频率电流比值, 从而检测出发生故障的直流支路。直流型是用电桥平衡和不平衡相结合的原理检测母线对地状态，通过直流电流传感器检测支路漏电流来判断发生故障的接地支路，优点是不受分布电容的影响。。
从上文的分析可知，各种直流母线绝缘监测方法各有优缺点。为了不影响直流母线的正常运行，并且能准确检测到发生故障的直流支路，本文设计了一种直流母线绝缘综合监测方法。在正常运行时，通过平衡电桥法监测直流正负母线电压，通过电压的变化判断是否发生绝缘故障。当发生绝缘故障时，首先用不平衡电桥电路测出正负母线的绝缘电阻，然后对直流母线注入低频交流信号，监测出发生故障的直流支路。
直流母线绝缘综合检测方法
图1 系统原理流程图
从上面分析可以看出，除了平衡电桥法可以在线实时检测母线绝缘状况，其他方法的使用都要影响直流母线的正常运行或者需要手工操作，因此其他方法无法做到实时监测。而平衡电桥法又存在检测死区，即当正负母线绝缘电阻同时下降时，无法检测。但是当正负母线绝缘水平变化时（包括正负母线绝缘电阻同时下降），正负母线对地电压也会发生变化。通过在线实时检测正负母线对地电压的變化，可以判断直流母线是否发生绝缘水平下降。当实时监测系统发现直流母线绝缘水平下降，发出报警。自动切换到非平衡电桥检测正负直流母线绝缘电阻。
直流型支路漏电流检测方法优点在于不影响直流母线的正常运行，但是直流电流传感器,在经过电流冲击后,会发生剩磁变换，这将对放大器的直流偏移造成影响,如果不及时进行调节,会造成故障支路的定位不准确。为了减少分布电容对检测的影响，本文采用变频法实现对故障支路的定位。原理图如图1所示。
3.平衡电桥法监测正负母线电压
图2 系统检测原理图图3 平衡电桥等值电路图
直流母线绝缘监测的原理图如图2所示，当都闭合时，为平衡电桥法监测正负母线电压。图3为平衡电桥等值电路图。设为正负母线对地电压，均大于零；为正负母线对地绝缘电阻。为检测电阻。在正常情况下，的值为。为直流母线电压的整定值。则正负母线电压的偏离值为：
（1）
（2）
从式（1）和（2）可以看出，当只有正母线对地绝缘下降时，则降低，升高；当只有负母线对地绝缘下降时，则升高，降低；当正负母线对地绝缘同时下降时，除了外，此时均会发生变化，但变化幅度减少。因此可以根据正负母线对地电压的变化，判断是否发生绝缘故障，并判定是正（负）母线分别发生绝缘下降，还是同时发生绝缘下降。
非平衡电阻检测正负绝缘电阻
图5 正极投入检测电阻等值电路图图 图5 负极投入检测电阻等值电路图
当平衡电桥电路报警后，用不平衡电桥电路检测正负母线的绝缘电阻。原理是两个开关交替闭合，等值电路图如图4、图5所示。根据图4、图5，可以列出方程：
（3）
（4）
联立式（3），式（4），可得正负绝缘电阻：
（5）
（6）
4 低频叠加故障支路检测
图6低频叠加故障支路检测原理图
故障支路检测采用低频叠加的方法，在检测时在直流正负母线之间经隔离电容平衡注入一低频交流信号(一般为4-10V 10Hz±0.1Hz 左右，低频信号由低频信号发生器流出)，假如直流母线对地绝缘状况良好，直流母线上只有交流电压，并没有交流电流流过，因此二次侧是不会有反应的;如果直流母线对地绝缘状况下降，直流母线上不仅有交流电压，而且有交流漏电流，这时，在CT的二次侧能够检测到各支路低频电流的幅值和相位。对于检测到各支路的电流计算出有功分量，)，再利用R=U/I计算出各支路的绝缘电阻。
为了求得支路回路中的接地电阻，感应电流经放大、带通滤波后进入相位检波器，在相位检波器中与来自超低频信号源的同步信号进行相位比较与检波。如果是纯电阻，其相位差为零，则相位检波器所输出的波形为全波整流波形，其电阻值对应全波整流波形的平均值；如果既有电阻接地，又有电容接地，则感应信号与同步信号有相位差，相位检波器输出的波形不是全波整流波形，而是有正有负的非正弦的脉冲波形，正负波形平均值的差值对应支路回路的接地电阻值。利用上述方法从而克服了接地电容对测量接地电阻值的影响。同时由于电路中有带通滤波器，可以滤去以外的高低频干扰信号；又由于有同步相位检波器，能克服非同步的同频干扰。这样有效的提高了支路绝缘检测可靠性。
结论
本文提出方法用综合判据检测直流系统的绝缘情况，具有以下特点：1)通过检测正负母线电压，检测正负母线绝缘状况，可检测直流系统正、负母线绝缘同等下降，做到无检测死区；2）通过投入检测电阻，可检测正负母线绝缘电阻；3）能检测出多条支路同时接地。本方法保证了正常运行状态下直流母线电压的平稳，又保证了在直流接地情况下，直流绝缘在线监测装置能迅速准确的检测出接地支路。既消除了不平衡桥检测状态下直流母线对地电压的波动，又消除了平衡桥检测状态下直流系统两点接地无法告警的安全隐患，方便了检修人员查找排除故障，保证直流系统的安全运行。确保了电网的稳定运行。
参考文献：
1.施慧,贾秀芳,李明.对现有检测直流系统接地故障几种方法的比较.东北电力技术.1999
2.张毅,张泉,李永丽.直流系统接地检测,电力系统及其自动化学报,2005.
3.苏义鑫, 刘林伟.平衡电阻法监测直流系统绝缘.电力系统自动化。2003
作者简介：
陈建胜（1971-），男，浙江乐清人，工程师，主要从事电力生产管理工作。