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摘 要：针对传统直流系统绝缘监测方法的不足，提出一种新型直流系统绝缘监测方法—动态差值法。该方法采用监控主机与绝缘监测装置协调配合的方式，通过CAN总线连接构成的监测系统可以同时完成多个直流系统的绝缘监测任务。同时，利用两次投切电阻后的电压变化量与漏电流变化量的比值来检测支路接地故障，不仅提高了测量精度，而且不存在检测死区，具有较高的可靠性。
关键词：直流系统 绝缘监测 接地故障 动态差值法
中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-027-02
1 引言
发电厂和变电站的直流系统是控制和信号系统、继电保护及自动装置的工作电源。其运行状况的好坏直接关系到发电厂和变电站能否正常运行。支路接地是直流系统最常见的绝缘破坏故障，若不能及时找到并排除接地点，在系统出现多点接地时，将造成直流电源短路或保护设备误动作，引起严重后果。目前，直流系统的绝缘监测与接地选线主要有三种方法：电桥法；注入信号法；直流漏电流检测法。以上三种方法的缺点非常明显。使用电桥法监测接地故障时，只能判断直流系统的整体绝缘状态，不能实现故障分支定位。使用变频探测法监测接地故障时，不仅会增大系统的电压纹波系数，影响供电质量，而且受系统的分布电容影响。使用直流漏电流检测法时，由于漏电流一般较小，难以测量，严重限制了故障检测的精度和灵敏度。
针对上述问题，本文提出的直流系统绝缘在线监测装置结合了一种能够有效、快速地检测出故障支路的绝缘监测方法—动态差值法。即通过控制两次投切电阻后获得母线漏电流和绝缘电阻实现母线绝缘监测；通过获得支路电压变化量与漏电流变化量的比值来实现支路绝缘检测。该装置对直流系统的安全运行无影响、无检测死区、不受系统的分布电容影响、能检测出多条支路同时接地故障，不仅消除了传感器零点漂移引起的误报及漏报，而且提高了检测精度。
2 直流系统在线监测装置测量原理
2.1 母线绝缘电阻测量原理
在不影响电力系统运行的情况下，装置分别向正、负母线投入检测电阻。
（1）当K1闭合，K2断开时，检测电阻R投入正极母线。正极母线对地电压U1由上位机测得。
（2）当K2闭合、K1断开时，检测电阻R投入负极母线，负极母线对地电压U2由上位机测得。
根据欧姆定律，可得正、负极母线绝缘电阻计算公式：
2.2 支路绝缘电阻测量原理
在直流系统各支路套装传感器采集本支路漏电流。根据磁平衡原理，如图1中1号支路所示，当支路绝缘良好时，流入、流出传感器的电流幅值相等，但方向相反，矢量和为零，即I+=I-，传感器输出漏电流值为零；当支路绝缘下降时，流入、流出传感器的电流幅值不相等，但方向仍相反，即I+≠I-，传感器输出漏电流值不为零。当系统投入检测电阻R时，检测电阻与支路接地电阻之间形成通路，装置检测到支路传感器输出的漏电流值 I=I+-I-。
如图1中3号支路所示：
当K2闭合、K1断开时，检测电阻R投入负极母线，此时正极母线对地电压U+’由上位机测得，由该支路传感器检测出此时漏电流值 I1，得式（3）。
当K1闭合、K2断开时，检测电阻R投入正极母线，此时正极母线对地电压U+’’由上位机测得，由该支路传感器检测出此时漏电流值 I2，得式（4）。
式（6）中： U是电压的变化量，等于测量电阻投在正母线时正极对地电压值减去测量电阻投在负母线时正极对地电压值； I是漏电流的变化量，等于测量电阻投在正母线时传感器采集的漏电流值减去测量电阻投在负母线时传感器采集的漏电流值；Rd是支路对地绝缘电阻值，它是一个综合等效量，相当于正极对地绝缘电阻值与负极对地绝缘电阻值的并联值。
3 直流系统在线监测装置结构
图2为直流系统绝缘监测装置结构图，该装置通过电压传感器采集正、负母线对地电压采样值，支路通过高精度直流小电流传感器采集正、负级电流差采样值，通过A/D转换后获得正、负母线对地电压值和各个支路漏电流值，代入公式（1）、（2）、（6），得出母线和各支路绝缘电阻值。如果小于最低限定值则进行报警并在液晶显示器上显示。
4 结论
本文提出的新的直流系统绝缘检测方法-动态差值法，以及根据这种方法开发的新型直流系统绝缘监测装置通过控制投切母线检测电阻，计算正、负母线绝缘电阻和各支路绝缘电阻，以快速定位故障支路。该装置从原理上克服了传统检测装置的不足之处，不受系统分布电容的影响；覆盖了直流系统绝缘报警值的各种故障现象，做到了无检测死区；消除了传感器零点漂移问题在支路检测中造成的误判或漏判；实时监测直流系统正、负母线的绝缘及各支路的绝缘状况。
参考文献：
[1] 鲍谚，姜久春，张维戈.新型直流系统绝缘在线监测方法[J].高电压技术，2011，37（2）：333-337.
[2] 宋人杰，王晓东，苏畅.直流接地故障监测装置的设计[J].高电压技术，2010，36（4）：975-979.
[3] 赵梦欣，陈国峰，余伟成.直流系统绝缘监测的直流漏电流法改进方案[J].电力系统自动化，2009，33（14）：83-88.
[4] 李立伟，刘险峰，刘斌.基于现场总线的分布式直流系统接地在线监测装置设计[J].电力自动化设备，2006，26（12）：55-58.
[5] 陈安伟，乐全明，于文斌，等.直流系统环路供电方式及环路接地问题研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：133-136.
[6] Cavallini A，Conti M，Montanari G C，et al.PD inference for the early detection of electrical treeing in insulation systems[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11（4）：724-735.
[7] James Lenz，Alan S Edelstein.Magnetic sensors and their applications[J].IEEE Sensors Journal，2006，6（3）：631-649.
关键词：直流系统 绝缘监测 接地故障 动态差值法
中图分类号：TM855 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-027-02
1 引言
发电厂和变电站的直流系统是控制和信号系统、继电保护及自动装置的工作电源。其运行状况的好坏直接关系到发电厂和变电站能否正常运行。支路接地是直流系统最常见的绝缘破坏故障，若不能及时找到并排除接地点，在系统出现多点接地时，将造成直流电源短路或保护设备误动作，引起严重后果。目前，直流系统的绝缘监测与接地选线主要有三种方法：电桥法；注入信号法；直流漏电流检测法。以上三种方法的缺点非常明显。使用电桥法监测接地故障时，只能判断直流系统的整体绝缘状态，不能实现故障分支定位。使用变频探测法监测接地故障时，不仅会增大系统的电压纹波系数，影响供电质量，而且受系统的分布电容影响。使用直流漏电流检测法时，由于漏电流一般较小，难以测量，严重限制了故障检测的精度和灵敏度。
针对上述问题，本文提出的直流系统绝缘在线监测装置结合了一种能够有效、快速地检测出故障支路的绝缘监测方法—动态差值法。即通过控制两次投切电阻后获得母线漏电流和绝缘电阻实现母线绝缘监测；通过获得支路电压变化量与漏电流变化量的比值来实现支路绝缘检测。该装置对直流系统的安全运行无影响、无检测死区、不受系统的分布电容影响、能检测出多条支路同时接地故障，不仅消除了传感器零点漂移引起的误报及漏报，而且提高了检测精度。
2 直流系统在线监测装置测量原理
2.1 母线绝缘电阻测量原理
在不影响电力系统运行的情况下，装置分别向正、负母线投入检测电阻。
（1）当K1闭合，K2断开时，检测电阻R投入正极母线。正极母线对地电压U1由上位机测得。
（2）当K2闭合、K1断开时，检测电阻R投入负极母线，负极母线对地电压U2由上位机测得。
根据欧姆定律，可得正、负极母线绝缘电阻计算公式：
2.2 支路绝缘电阻测量原理
在直流系统各支路套装传感器采集本支路漏电流。根据磁平衡原理，如图1中1号支路所示，当支路绝缘良好时，流入、流出传感器的电流幅值相等，但方向相反，矢量和为零，即I+=I-，传感器输出漏电流值为零；当支路绝缘下降时，流入、流出传感器的电流幅值不相等，但方向仍相反，即I+≠I-，传感器输出漏电流值不为零。当系统投入检测电阻R时，检测电阻与支路接地电阻之间形成通路，装置检测到支路传感器输出的漏电流值 I=I+-I-。
如图1中3号支路所示：
当K2闭合、K1断开时，检测电阻R投入负极母线，此时正极母线对地电压U+’由上位机测得，由该支路传感器检测出此时漏电流值 I1，得式（3）。
当K1闭合、K2断开时，检测电阻R投入正极母线，此时正极母线对地电压U+’’由上位机测得，由该支路传感器检测出此时漏电流值 I2，得式（4）。
式（6）中： U是电压的变化量，等于测量电阻投在正母线时正极对地电压值减去测量电阻投在负母线时正极对地电压值； I是漏电流的变化量，等于测量电阻投在正母线时传感器采集的漏电流值减去测量电阻投在负母线时传感器采集的漏电流值；Rd是支路对地绝缘电阻值，它是一个综合等效量，相当于正极对地绝缘电阻值与负极对地绝缘电阻值的并联值。
3 直流系统在线监测装置结构
图2为直流系统绝缘监测装置结构图，该装置通过电压传感器采集正、负母线对地电压采样值，支路通过高精度直流小电流传感器采集正、负级电流差采样值，通过A/D转换后获得正、负母线对地电压值和各个支路漏电流值，代入公式（1）、（2）、（6），得出母线和各支路绝缘电阻值。如果小于最低限定值则进行报警并在液晶显示器上显示。
4 结论
本文提出的新的直流系统绝缘检测方法-动态差值法，以及根据这种方法开发的新型直流系统绝缘监测装置通过控制投切母线检测电阻，计算正、负母线绝缘电阻和各支路绝缘电阻，以快速定位故障支路。该装置从原理上克服了传统检测装置的不足之处，不受系统分布电容的影响；覆盖了直流系统绝缘报警值的各种故障现象，做到了无检测死区；消除了传感器零点漂移问题在支路检测中造成的误判或漏判；实时监测直流系统正、负母线的绝缘及各支路的绝缘状况。
参考文献：
[1] 鲍谚，姜久春，张维戈.新型直流系统绝缘在线监测方法[J].高电压技术，2011，37（2）：333-337.
[2] 宋人杰，王晓东，苏畅.直流接地故障监测装置的设计[J].高电压技术，2010，36（4）：975-979.
[3] 赵梦欣，陈国峰，余伟成.直流系统绝缘监测的直流漏电流法改进方案[J].电力系统自动化，2009，33（14）：83-88.
[4] 李立伟，刘险峰，刘斌.基于现场总线的分布式直流系统接地在线监测装置设计[J].电力自动化设备，2006，26（12）：55-58.
[5] 陈安伟，乐全明，于文斌，等.直流系统环路供电方式及环路接地问题研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（11）：133-136.
[6] Cavallini A，Conti M，Montanari G C，et al.PD inference for the early detection of electrical treeing in insulation systems[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2004，11（4）：724-735.
[7] James Lenz，Alan S Edelstein.Magnetic sensors and their applications[J].IEEE Sensors Journal，2006，6（3）：631-649.