不平衡电桥法直流系统绝缘电阻检测
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【摘要】变电站或配电室的直流系统中由于设备老化、环境改变、梅雨季节线头受潮等原因，常存在由于绝缘下降造成接地故障或保护装置误动作的安全隐患。本文通过介绍不同测量方法的优点和不足，在现有方法的基础上，提出一种测量精度高且简单易行的绝缘电阻检测方法。该方法不同于现有的平衡电桥法，采用基于校正网络的不平衡电桥原理，通过校正网络对电桥的校准，消除实际运用中由于电阻误差和数模转换误差带来的测量误差，提高绝缘电阻测量精度且测量方法简单易行。
1.引言
直流电源系统在发电厂、配电室中具有重要的作用，直流系统的可靠稳定运行对于发电和配电等电气设备安全运行有着重要的意义。而且在变电站综合自动化监控系统以及二次继电保护装置中，需要直流电源为设备提供控制或操作电源，直流系统的绝缘水平对站内设备的稳定和安全运行有着重要影响。随着运行设备的老化，气候和环境的改变，以及接线端子和触头受潮等原因，会造成绝缘水平下降，严重者甚至造成接地故障，进而会导致自动控制装置和继电保护装置误动或拒动，造成一次设备误跳闸和越级跳闸，进一步扩大事故范围。
通过对直流系统的绝缘电阻检测，能够预防和发现系统中发生或潜在的接地故障，其一般判断方法为：首先通过检测直流系统中±母线的对地绝缘电阻的大小是否符合标准，然后再检测支路的对地绝缘电阻是否正常。如何灵敏迅速可靠地检测出绝缘电阻值是正确判断故障发生点及潜在发生危险的重要依据。
目前直流系统绝缘电阻检测方法可分为交流法和直流法，其中直流法主要是基于电桥平衡的原理；交流法主要包括信号注入法和变频探测法，对于信号注入法，由于注入的为低频载波脉冲信号，会受到系统电容电流的严重干扰。假如支路中纯在大电容元件或等效对地电容较大时，必须对电容电流进行补偿后才能使用该方法，而且测量精度不准，另外，注入的低频载波脉冲信号对于原系统而言相当于人为增加的外部干扰，使得系统的电压纹波变大，影响其他设备的使用。对于近年来发展出来的变频探测法，其基本原理是在直流母线中注入两组幅值一样频率不同的交流信号，然后检测支路上感应出的低频信号，当系统绝缘电阻下降发生接地故障时，检测出的低频信号的幅值会发生明显的变化，但是该方法和信号注入法一样，存在对地电容电流的干扰问题。实际现场中简单易行的方法还是基于电桥原理的直流法。
直流系统绝缘检测示意图如图1所示，主要包括母线绝缘电阻的测量和支路绝缘电阻的测量。
常用的方法是基于平衡电桥的原理，该方法最大缺点是无法辨识支路故障而且只能检测非对称性故障。本文提出一种附带校正网络的不平衡电桥测量方法，通过校正网络的校准，消除实际运用中由于电阻误差和数模转换误差带来的测量误差，提高绝缘电阻测量精度且测量方法简单易行。
图1 直流系统绝缘检测示意图
2.常规检测方法的原理及缺陷
图2所示为常规方法测量支路电阻的原理图，图2中R1、R2、R3分别为1支路和2支路的等效对地电阻，V1、V2为支路出线端的漏电流传感器。当绝缘水平正常时，对地电阻非常大，可视为断路，流过正负极线路上的电流大小相等，方向相反，漏电流传感器的输出电压为0；当线路上某处绝缘下降，对地电阻减小，如2支路中R3所示，此时正负极线路上的电流不相等，漏电流传感器的输出端感应出电压，再通过该信号的大小即可判断出故障程度。此方法简单易行，对于单点接地故障能够准确判断但是复杂故障时难以检测出故障支路。例如图2中1支路所示，该支路正负极均有接地电阻，且R1=R2时，该方法不能确定故障支路，造成漏报和误报。
图2 支路电阻常规方法原理图
平衡电桥法的测量原理如图3所示。虚线部分的R+和R-分别表示正母线和负母线的等效对地电阻，R3=R4+R5，构成平衡电桥。其工作原理如下：u1检测直流母线电压，当正负母线间电压保持不变时，u1的输出值不变，绝缘正常时，R+和R-支路相当于断路，u2检测值不变。一旦出现接地故障时，由于R+和R-支路的作用，原有平衡被打破，u2的检测值会发生很大变化，通过该值即可测量出接地电阻的大小。该方法原理简单易于实现，但是存在和支路绝缘检测类似的不足即无法测量出复杂接地故障，例如当正负母线均产生接地故障且等效接地电阻大小相等时，依然会保持原有的电桥平衡，无法检测出故障造成漏报和误报。
图3 平衡电桥法测量原理
图4 不平衡电桥母线绝缘检测原理图
3.带校正网络的不平衡电桥法测量原理
3.1 不平衡电桥法原理
通过上述分析可知，基于平衡电桥的传统检测方法难以判断出多点接地等复杂接地故障，采用不平衡电桥法则可以有效弥补此缺陷。
不平衡电桥法的测量原理如图4所示，不平衡电桥则是通过继电器K1、K2的开关动作将电阻R投切进测量网络实现。
具体工作原理如下：
继电器K1处于闭合状态，继电器K2处于断开状态时，测量u1、u2的输出，得到一组输出电压值；继电器K1处于断开状态，继电器K2处于闭合状态时，测量u1、u2的输出，得到另一组输出电压值。通过两组电压值计算出等效对地电阻。
具体计算过程为，令U为母线电压，U+为正母线对地电压，U-为负母线对地电压，则U=U-+U+。母线电压与测量电压的关系式可由式（1）表示。
当图4中继电器K1处于闭合状态，继电器K2处于断开状态时，此时得到一组母线电压与测量电压的关系：
在A点列基尔霍夫电流方程可得：
当图4中继电器K1处于断开状态，继电器K2处于闭合状态时，此时得到另一组母线电压与测量电压的关系：
同理，在A点列基尔霍夫电流方程可得：
联立上述方程，可得接地电阻的表达式：
3.2 带校正网络的不平衡电桥
上述不平衡电桥法用于实际系统中必须要考虑由于取样电阻本身的误差以及模数转换误差造成的母线电压测量误差，进而会导致对地电阻测量精度的影响。本文提出一种带校正网络的不平衡电桥，通过校正网络和标准电压对测量值进行校准，提高对地电阻的测量精度，原理图如图5所示。
图5 基于校正网络的不平衡电桥
理想状态下，令Us、Uc、Vs、Vc分别为母线电压实际值、母线电压测量值、测量点电压实际值和测量点电压测量值，则存在如下关系：
由于取样电阻R1、R2存在误差，导致k1≠k2；由于数模转换的误差，导致Vs≠Vc。本文采用的校准方法首先将继电器K3闭合，继电器k1、k2断开，然后在母线输入端施加220V标准电压，采集测量点电压Vc。则，母线电压实际值与测量点的测量值之间的关系为：
误差校正系数K3中包含了取样电阻和模数转换带来的测量误差，而且该系数不受外界因素干扰，因此能够提高母线对地电压的测量精度，进而提高母线对地电阻的测量精度。
同理，在测量支路对地电阻时，将K3断开，依次闭合K1、断开k2，再闭合K2、断开K1，得到两组测量点的电压值以及漏电流值，进而可通过上述不平衡电桥的计算原理，分别得到支路正极线和负极线的对地电阻。
4.测量结果分析
实验过程中，直流母线电压取220V，用几组大小不同的电阻并联在正、负母线与地线之间，模拟正、负接地绝缘电阻。测量结果如表1所示。
由表1可知，测量的母线对地电阻值精度较高，而且当正负母线对地电阻值不同时，依然能够得到精确的测量值，相比常规的平衡电桥法有着更广泛的应用范围，测量结果更加准确。
5.结束语
本文根据变电站直流系统绝缘检测工作中存在的实际问题，介绍了几种绝缘电阻检测的原理，并且详细分析了各种方法的使用范围和优缺点，着重分析了常规平衡电桥法检测原理及不足，在此基础之上对原有方法进行改进，采用一种带校正网络的不平衡电桥法进行绝缘检测，并且详细推导了母线对地电阻的计算公式。通过校正网络对电桥的校准，消除实际运用中由于电阻误差和数模转换误差带来的测量误差。该方法与常规方法相比，能够检测出复杂接地故障下的对地电阻且通过校正取样电阻和模数转换误差，提高了测量精度，有着广泛的实际应用意义。
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作者简介：
王爱玲（1976—），女，山东汶上人，工学硕士，济宁职业技术学院讲师，研究方向：电气控制及其自动化。
冯晶（1978—），女，山东邹城人，工学硕士，济宁职业技术学院讲师，研究方向：电力电子及自动化。