林玮
（福建大唐国际宁德发电有限责任公司 福建福安 355006）
摘要：直流系统在发电厂中占据着举足轻重的地位，提供继电保护控制回路、信号以及分合闸操作等的直流电源。直流系统是否能够安全可靠的供电决定着相应设备的正常运行，需要现场检修维护人员格外关注。而就运行经验来看，直流系统接地与交流窜直流故障是继电保护从业者工作中所不可避免，这时就需要依靠绝缘监测装置进行准确定位，提高直流系统故障消除的效率，缩短故障持续时间，提高系统安全运行能力。
关键词：直流、绝缘监测、电源
前言
随着国民经济的迅速发展，对电力的需求日益扩大，发电厂的规模也在逐渐增大，直流系统为发电厂和通信系统中控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及设备操作等提供可靠的电源，其工作状况好坏直接影响发电厂的可靠、安全运行，关系到继电保护及断路器能否正确动作，会影响发电厂乃至整个电网的安全运行。
另一方面，当今对于智能化水平的要求越来越高，厂站多设有长距离电缆，且由于微机装置的不断投入，使直流系统正负极对地电容大幅度增加，直流系统“一点接地”导致继电保护发生误动作或拒动的概率也在不断提升。同时发电厂保护控制系统中，因工作需要，各保护屏和控制柜内都需要直流电源和交流电源，尤其在装机容量大的发电厂中，直流系统覆盖范围更广。当直流电缆与交流电缆布置接近时，直流系统容易发生交流窜入故障。操作的偶然失误，也会导致直流系统窜入交流电源的故障发生。据事故案例统计，由于直流系统中窜入交流电源，导致多起电气二次设备误动作、失灵等重大事件的发生，对电厂安全效益造成较大的影响[1]。交窜直目前成为影响电厂运行稳定的重大隐患。它不但对直流系统设备造成损坏，还会在特殊情况下，容易造成保护装置和信号电路误动作，严重影响电力系统的安全运行。因此实时监测直流系统绝缘情况并能在第一时间对交流窜入故障进行报警的直流系统绝缘监测装置，成为直流系统中必备之物。
1直流系统绝缘监测装置现状
20世纪80年代之前，直流系统绝缘监测装置主要由继电器和电压表组成，主要功能为绝缘测量和警告信号两部分。装置利用电桥原理判断直流系统是否存在绝缘故障并确定接地极，功能较为单一且监测准确度不高；到90年代初期，我国的绝缘监测装置主要由集成电路构成，通过实时监测直流母线电压提高装置功能的实时性和准确性；发展到现在出现了功能更为丰富的微机型绝缘监测装置，除了具有接地警告和母线电压监测功能外，还兼具寻找接地支路、把绝缘接地故障或者装置故障等信息上传至后台监控中心的功能，达到真正的“一体化”[2]。
2直流系统故障危害分析
众所周知，直流系统是不接地系统。直流系统出现一点接地理论上不会有短路电流流过熔断器，系统将继续运行。但是当一点接地没有得到及时的发现和处理，此时若直流系统上出现另外一点也发生接地，发电厂中可能会发生断路器拒动或者误动的现象，或是直流系统熔断器熔断，保护装置失去电源等等。而在某些特殊的情况下，直流系统仅一点接地也会造成断路器拒动或者误动的严重后果。
2.1直流系统一点接地故障分析
理论上来讲，出现一点接地故障时直流系统仍可以继续运行1到2个小时，然而根据现场实际运行的经验，仅一点接地时由于直流系统正极和负极存在对地分布电容，也存在导致断路器误跳的可能。
2.2直流系统多点接地故障分析
直流正极接地有造成保护误动的可能，因为一般跳闸线圈均接负极电源，若这些回路再发生接地或绝缘不良就会引起保护误动作。直流负极接地与正极接地同一道理，如回路中再有一点接地就可能造成保护拒绝动作。因为两点接地将跳闸或合闸回路短路，还可能烧坏继电器触点。直流系统发生一点接地后引起足够的重视，必须要及时进行处理，因为如果此时系统中又有另一点发生接地故障，两个接地点形成回路将会引起十分严重的后果。
2.3交流窜入直流系统危害分析
交流窜入直流本质上就是一种有源接地故障，由于交流电压往往具有高振幅和大功率的特点，也就使得交流电源窜入直流系统成为了最严重也最难解决的接地故障。因此，为保证电力系统运行安全，应合理规划电缆布置以减小二次电缆的分布电容，选用额定功率较高、动作速度较慢的出口继电器，尽可能减少外界因素对直流系统产生干扰。
当交流量进入直流回路中时，在直流回路中基本不起作用的分布电容、杂散电容会代替绝缘电阻形成能够使交流量流过的回路，尤其是当某些直流电缆长度较长时，这种电容效果更明显，从而使得动作时间较短、动作功率较小、动作电压较低的装置的开入光隔或者继电器发生误动[3]。
根据资料显示，某省发生过某500千伏发电厂因错误地将220千伏开关端子箱内交流储能电源空气开关下桩头接到箱内测控电源公共端，造成工频交流窜入直流系统，导致高压侧断路器保护装置开入量误动；某330千伏变电站因110千伏间隔机构箱漏雨进水，将温湿度控制器交、直流端子短路，造成交流窜入直流，引发大面积停电的事件[4]。
当由于各种原因造成交流窜入直流时，对交流回路的影响一般局限在该交流回路内，但却危及到整个直流系统和与之对应的全部直流回路，并可能造成某些重要的保护装置，如远联切、母差、失灵、主变非电量等保护因为开入量错误或者继电器误动作而出口跳闸。常规的出口继电器动作电压55%～70%Ue的反措要求对于防止直流接地时的误动比较有效，但是对于防止交流窜入引起的误动不一定有效，所以这种情况下保护误动的几率比直流接地时更大。除此之外，交流窜入直流回路时还可能造成直流熔丝熔断从而导致全站保护拒动的严重事故[5]。
为此，《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》提出“应加强对直流系统的管理，特别要重点防止交流电混入直流回路，造成电网事故”，明确地将防止交流窜入直流系统作为直流系统管理的重要内容。国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中也提出“新建或改造的变电所，直流电源系统绝缘监测装置，应具备交流窜直流故障的测记和报警功能。原有的直流电源系统绝缘监测装置，应逐步进行改造，使其具备交流窜直流故障的测记和报警功能。
”
3直流系统绝缘监测装置的原理分析
目前，在直流系统绝缘监测装置主要采用以下几种原理：
1）平衡电阻法[6］：此直流系统接地故障监测方法使用较早，使用范围也较广泛。传统的平衡电桥用于监控直流系统的正负母线对地的绝缘，当系统正常运行时，电流几乎不流过继电器线圈，此时继电器不动作；如果发生某些接地，则桥接平衡被破坏，通过继电器的电流增加，继电器工作并发出声音和闪光警报信号。该方法接线简单、成本较低，但是不足之处在于，当正负极母线对地绝缘同时降低时，无法监测出故障，使用范围有一定局限性。
2）直流法[7]：直流法又称为漏电流法，利用磁平衡原理，通过将传感器安装在各直流馈线支路的正、负极导线上，一般情况下，大小一样、方向相反的电流经过传感器的正、负极导线产生抵消使输出的漏电流为零。如果系统绝缘降低，这条分支的正负极电流将不相等，设备监控传感器输出的漏电流值将不为零，此时可以通过外接检测电阻计算接地电阻。此方法最大的优势是不受系统分布电容影响，此时不需要向直流系统注入交流信号，这也使得该方法更安全可靠。但是这方法的缺点就是易受到现场电磁环境干扰，在运行期间发生零点漂移时，需要及时对装置进行调零，以确保装置测量的精度，这就使得维护的工作量大大增加。
3）交流法[8]，也称为低频信号探测方法。直流系统的正、负母线通过两个等值电容同时注入低频交流信号，电流互感器安装在负载支路上。发生绝缘降低故障后，电流互感器监测负载支路对地电阻和等值电容中的二次交流信号。该方法可分为定频法和变频法，使用定频法的监测结果容易受到系统中分布电容的影响；变频法是在定频法的基础上改进得来的，一定程度上减小了系统分布电容的影响，使监测结果的更加准确可靠，但是直流母线混杂交流信号使直流电压纹波系数增大，直流系统变得不安全。
目前，利用低频信号探测法构成的直流绝缘检测装置是发电厂中使用频率较高的一种绝缘监测设备。
低频信号探测法是在直流系统支路上固定安装传感器。传感器为毫安级交流电流互感器（CT），穿过CT的直流分量在二次侧不会引起反应。当往正、负母线平衡注入一个低频交流信号（一般为10Hz左右）后，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，此时在CT的二次侧能够检测到各支路低频电流的幅值和相位。
以某电厂为例，采用使用低频交流信号注入法检测直流系统绝缘状况。当该装置检测到正负母线对地绝缘电阻低于门槛值时，将低频交流信号注入系统正母线和大地之间，通过CT传感器检测出各支路中电流的幅值和相位，依此数据计算出各支路的绝缘接地电阻，该方法支持在线检测，但需要注入低频交流信号，这对安全性要求很高的电力系统来说，注入的交流信号仍存在着极大的安全隐患。同时交流检测法的检测精度受分布电容的影响很大，当发生多点接地时，采用交流信号注入法的微机绝缘监测仪，一次只能检测出其中漏电流最大的支路，不能一次检测出所有的接地支路，排除该支路后，循环使用该方法，继续排除其它接地支路。由于目前的直流电源系统基本都采用高频开关电源模块，电源模块输出端的共模电容会对交流信号注入检测法微机绝缘监测仪产生影响，另外交流信号本身容易受到高频模块的干扰而影响精度。
为此《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中提出“新投入或改造后的直流电源系统绝缘监测装置，不应采用交流注入法测量直流电源系统绝缘状态。在用的采用交流注入法原理的直流电源系统绝缘监测装置，应逐步更换为直流原理的直流电源系统绝缘监测装置。”
故而，目前发电厂采用的绝缘监测装置通常使用直流原理的检测法。直流检测法是比较简单可靠的检测方法，结合平衡桥和不平衡桥电路实现母线对地电阻测量。再结合直流漏电流传感器（CT）实现对各个支路的绝缘故障检测。该测量方法不会对直流系统造成任何干扰，并且系统分布电容对测量值没有影响，监测灵敏度较高。
采用切换桥检测原理，通过控制K1、K2的闭合、断开状态进行测量正、负极对地电压的大小，根据电压的关系即可计算出正负极对地电阻R3、R4的大小。
当K1闭合：
当K2闭合：
4结论
为了给安全自动装置、通信系统、断路器跳合闸等子系统以及继电保护提供工作电源，需要电厂直流系统长期安全运行，当直流系统发生异常变化时将直接影响这些子系统的稳定性和可靠性。在实际情况中，发电厂直流电源供电网络线路繁杂、现场运行环境复杂多变，常常出现交流窜入直流系统、直流系统绝缘性能降低等异常问题，导致系统运行安全受到严重影响。一套满足反措及规程要求，能够快速査找到故障所在，对直流系统的绝缘程度实现实时监测，全面地反映直流系统绝缘状况的微机绝缘监测装置，快速反映直流系统的各种接地故障，缩短了故障查找和排除的时间，为直流系统乃至于发电厂的安全运行起着非常重要的作用。
参考文献
[1] 阳细斌.新型基波在直流系统接地故障检测中的应用[J].黑龙江电力.2010.2,32(1):38-41.
[2] 王洪,周毅,林雄武等.直流绝缘监测装置安全性设计措施[J].华北电力技术.2016.1:35-41.
[3］ 黄晶晶,徐强超.交流串入直流电源系统正极或负极对继电器的动作影响分析[J].南方能源建设,2017(1):70-74．
[4] 毕银锋,方军伟.变电站交流窜入直流引起断路器误跳的事故分析(电子版)[J].城市建设理论研究.2015.22:1232.
[5] 张毅,张泉,李永丽.直流系统接地检测[J].电力系统及其自动化学报,2014:2(1):27-30.
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[7] 王刚峰，黄明亮，刘建.变电站内直流供电系统在线绝缘监测的设计[J].电子技术与软件工程，2014（21）:151-152．
[8] 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.