摘要：本文分析了平衡法原理、乒乓法原理及注入法原理等在直流系统母线绝缘检测中的应用原理，并总结了其优缺点，在此基础上提出了一种新型的直流系统母线绝缘检测原理，并详细阐述了新型母线绝缘检测原理的电路结构及自动投切原理，为设计和制造性能优越的新型的直流系统绝缘在线监测装置提供技术基础和理论依据。
关键词：直流系统；母线绝缘监测；平衡原理；乒乓原理
引言
直流系统是发电厂、变电站十分重要的系统，主要为控制回路、信号回路、继电保护自动装置、通讯、断路器分合操作等输送可靠稳定的电能。由于分支网络多、所接设备多等因素构成了庞大而复杂的直流电源网络，层层分布，回路复杂，客观上增加了直流系统故障发生的概率，同时也增加了查找和消除故障点的难度[1]。直流系统任何一点发生绝缘下降或接地故障，都直接反应到母线绝缘上来，所以母线绝缘检测是直流系统绝缘检测最直接最有效的方式[2]。
这就要求直流系统母线绝缘的检测必须安全可靠，必须能检测任何形式的接地故障，只要直流系统发生任意形式的接地故障，都能准确的检测并可靠发接地告警信号。直流系统绝缘接地监测在变电站的安全稳定运行中扮演着非常重要的角色[3]，因此，对直流系统母线绝缘监测原理进行现状分析和系统总结，并在此基础上进行创新，提出新的检测方法具有重大的意义。
1 直流系统母线绝缘监测现状分析
1.1 平衡法检测原理
传统的应用最广泛的母线绝缘检测方法是平衡电桥原理，参考图1。
图1 平衡法检测原理图
由平衡电阻RP+和RP-组成平衡电桥，分别直接连接在正极U+和大地、负极U-和大地之间，R+和R-是正极和负极对地绝缘，U+是正极对地电压，U-是负极对地电压，通过平衡电桥可测量出U+、U-大小，进一步计算正负极对地绝缘R+和R-，其方法如下：
（1）当系统正负极对地电压相等，即U+=U-时，判断系统绝缘正常（无接地）。
（2）当系统正负极对地电压不再相等时，系统发生一点接地（正极一点接地或负极一点接地），若正极一点接地，根据公式（1）：
（1），可以算出正极对地绝缘电阻R+。
负极一点接地，根据公式（2）：
（2），可以算出负极对地绝缘电阻R-。
(3)当系统发生两极不均等接地时，则有R+≠R-，U+≠U-，根据公式（3）：
（3）
此时，将R+与R-中较大的一个看作∞（无穷大），按一点接地情况求解，但是求得的绝缘电阻值误差大。
（4）当系统发生两极均等接地时，R+=R-。
此时，系统电压U+=U-，误报绝缘正常，存在检测死区。
由此，可以总结出平衡法优缺点，其优点在于检测速度快，静态检测对地电压无波动；其缺点在于不具备同一支路多点接地同时检测出的功能，存在检测盲区等诸多不足[4]，更不能检测正、负极均等绝缘下降或接地故障。
1.2 乒乓法检测原理
乒乓切换法检测原理，参考图2，以解决原有绝缘监测装置“电压平衡原理”带来的均等接地动作死区的关键技术问题，它是直接利用对地绝缘电阻值而不是相对利用电压平衡、直流泄露来判断绝缘状态，没有动作死区[5]。
图2 乒乓法检测原理图
由采样电阻Rc和电子开关S1、S2组成乒乓切换检测电路，R+和R-是正极负极对地绝缘，U是直流母线电压，U+是正极对地电压，U-是负极对地电压，通过电子开关S1、S2按一定的规律交替接通与断开，测量采样电阻Rc两端对地电压大小，根据电路原理列解方程组，就可算出正极、负极对地绝缘R+和R-。
当S1闭合，S2断开时，测Rc两端负对地电压U-；
当S1断开，S2闭合时，测Rc两端正对地电压U+；
测出母线电压U、正负极对地电压U+，负极对地电压U-，根据计算公式（4）、（5）计算正极、负极对地绝缘R+和R-。
（4）
（5）
可以看出，在切换过程中只要测出直流正、负极对地电压和直流母线电压就能计算出正、负极对地电阻，结果与接地位置、接地方式、对地电压是否平衡无关，消除了动作死区[6]。
乒乓切换法的优点在于能准确检测任何形式绝缘下降或接地故障；缺点在于导致直流系统正负极对地电压长期波动，对地电压波动会给直流系统的运行带来安全隐患。
1.3 交流注入法检测原理
交流注入法检测原理，参考图3，信号源G经隔离电容C向母线正、负极对大地注入一特定频率的交变信号，该交变信号通过绝缘电阻形成电流通路，并流入大地。
通过检测注入的交变信号的电压、电流和相位，按欧姆定律就可以算出绝缘电阻值。交流注入法的优点在于能检测任何形式的绝缘故障，其缺点在于引起对地电压波动，极易受系统分布电容干扰的影响。
按照DL/T1392-2014标准规定：直流系统绝缘检测装置应采用直流电压法原理，直流系统支路绝缘监测装置宜采用直流漏电流检测法原理，也可采用低频信号注入法原理[7]。按文献7要求，直流系统母线绝缘检测只能采用基于直流电压测量原理的平衡法和乒乓法，支路绝缘检测可以采用交流注入法，在实际工程应用中，采用交流注入法来检测支路绝缘能克服泄露电流检测原理不能检测支路均等接地的检测盲区。
图3 交流注入法检测原理图
2 改进型直流母线绝缘监测方法
本文提出了一种平衡检测法+乒乓检测法的双重判据作为直流母线绝缘监测和预判的新型绝缘检测原理，其检测原理如图4所示。
图4 新型绝缘检测原理图
如图4是改进的新型绝缘检测原理图，电阻R1、R2和电子开关S1、S2组成改进的平衡检测法电路；电阻R3、R3、Rc和电子开关S3、S4组成改进的乒乓检测法电路，R+是正极对地绝缘，R-是负极对地绝缘，U是直流母线电压，U+是正极对地电压，U-是负极对地电压。电子开关S1、S2为常闭触点开关，电子开关S3、S4为常开触点开关。
优化改进的平衡检测法其检测原理同上所述，不再赘述。
优化改进的乒乓检测法原理是：
当S3闭合，S4断开时，测Rc两端负对地电压URc-；
当S3断开，S4闭合时，测Rc两端正对地电压URc+；
通过测出母线电压U，测量电阻Rc两端正负极对地电压URc-、URc+，根据电路原理列解方程组，按公式（6）、（7）就可算出正极对地绝缘R+和负极对地绝缘R-。
（6）
（7）
当系统绝缘正常（无接地）时，电子开关S1、S2闭合，改进的平衡检测法处于投入状态，由平衡检测法来检测系统母线绝缘，改进的乒乓检测电路处于断开状态，系统对地电压无波动。
当系统绝缘下降或接地时，先由改进的平衡检测法检测系统母线绝缘，检测到绝缘下降或接地时，自动断开电子开关S1、S2退出平衡电桥，投入改进的乒乓检测电路，电子开关S3、S4按一定规律交替接通与断开，由改进的乒乓检测电路检测系统母线绝缘，当检测到绝缘下降或接地时，发出告警信号，检测完又自动关闭改进的乒乓检测电路，自动接通电子开关S1、S2投入改进的平衡法电桥，继续循环检测系统母线绝缘。
改进的新型绝缘检测原理采用自适应自动投切方式进行投切，其原理如图5所示。
初始化优先选择平衡电桥法检测母线绝缘，当平衡电桥法检测母线绝缘下降条件成立后，自动退出平衡电桥，投入乒乓检测法，当乒乓检测法检测系统母线绝缘下降条件成立后，发出接地告警信号完成检测，自动退出乒乓检测法，返回初始化状态投入平衡电桥法。
当平衡电桥法检测绝缘下降条件不成立（无接地）时，返回初始化状态。
当乒乓检测法检测系统绝缘下降条件不成立（无接地）时，退出乒乓检测法返回初始化状态。
图5 新型绝缘检测原理自动投切逻辑图
3 结论
本文通过对平衡法和乒乓法检测原理的分析，结合两种检测原理的优缺点，取长补短，进行优化改进，形成一种新型的母线绝缘检测方法（平衡+乒乓检测法），既能检测任何形式的接地故障，又最大限度地避免了系统对地电压波动。
采用该技术原理的ZGT-15型直流系统绝缘在线监测装置和YNR-15S型直流系统交流窜入及接地故障定位仪已在多座发电厂和500Kv变电站得到广泛的应用，多次检测到接地故障并准确发告警信息，接地故障点查找定位准确率达到100%，获得使用单位的高度认可和评价。目前，该技术已申报国家专利。
参考文献
[1]毛举，卢波，石建辉.直流接地和合环巡检及查找的关键技术[C].抽水蓄能电站自动化控制技术研究与应用，北京：中国水利水电出版社，2016-03：327-332.
[2]毛举，石建辉，卢波.一种用于直流系统母线绝缘检测的电路及检测方法：中国专利，CN109541368，2019[A].2019-03-29.
[3]途进，廖勇熙，艾程柳，杨文.一种新型直流绝缘监测方法[J].自动化技术与应用，2016：35（10）,141-144.
[4]邓效荣.直流系统微机绝缘监测仪缺陷分析[J].高电压技术，2015.09：41（S1），20-23.
[5]杨绍勇.直流系统绝缘监测装置改进措施的研究[C].四川、贵州、云南三省水电厂（站）机电设备运行技术研讨会论文集，2015-0--15：93-101.
[6]甘宗跃.一种变电站直流系统绝缘监测新型技术研究与实践[J].电力电子，2015：247-248.
[7]国家能源局.DL/T1392-2014直流电源系统绝缘监测装置技术条件[S].北京:中国电力出版社，2015.
作者简介
刘跃川（1972--），福建三明，本科，主要从事电力安全管理。
邱宗胜（1971--），福建三明，本科，主要从事电气一次设备维护。
姚 燕（1977--），福建三明，本科，主要从事电气二次设备维护。
毛举（1985-- ），男，贵州贵阳，工程师，主要从事直流系统故障监测设备研究、开发、维护和管理工作，E-mail：13984304181@139.com。
论文作者:刘跃川1,邱宗胜1,姚燕1,毛举2,石建辉2,庄湧
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/12
标签：母线论文; 电压论文; 负极论文; 原理论文; 系统论文; 乒乓论文; 正极论文; 《电力设备》2019年第14期论文;