直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：針對(duì)目前常用絕緣檢測(cè)裝置采用的檢測(cè)原理存在的不足，提出一種改進(jìn)的絕緣檢測(cè)方法。檢測(cè)電路由主回路和支路2個(gè)部分組成。利用MSP430單片機(jī)采集、處理霍爾電流傳感器信號(hào)，判斷電路的絕緣情況并計(jì)算絕緣電阻大小。檢測(cè)結(jié)果表明該方法有效、實(shí)用。
關(guān)鍵詞：絕緣監(jiān)測(cè)；接地故障；故障定位；單片機(jī)應(yīng)用

    電力系統(tǒng)中，直流電源系統(tǒng)是為變電站中的保護(hù)、監(jiān)控、監(jiān)視、記錄等自動(dòng)化裝置提供電源的多分支網(wǎng)絡(luò)。它的安全運(yùn)行，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。直流接地是直流操作系統(tǒng)常見故障之一，一般情況下，單點(diǎn)接地并不影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行，但如果不能迅速找到故障點(diǎn)并修復(fù)而發(fā)生另一點(diǎn)接地故障時(shí)，就可能引起重大故障。
    目前，絕緣檢測(cè)裝置采用的檢測(cè)原理主要有電橋平衡原理和變頻探測(cè)原理，兩種檢測(cè)原理的裝置都能在一定程度上解決直流接地問題，但也存在著不足，基于電橋平衡原理的絕緣檢測(cè)裝置無法檢測(cè)正、負(fù)母線絕緣同等下降的情況，也不能區(qū)分多支路故障。而后者則易受直流系統(tǒng)對(duì)地分布電容的影響，并且注入的低頻交流信號(hào)增大了直流系統(tǒng)的電壓紋波系數(shù)，影響電源的質(zhì)量。文中旨在介紹一種在線絕緣檢測(cè)方法，并基于msp430單片機(jī)予以實(shí)現(xiàn)。

1 原理介紹
    原理圖如圖1所示。圖中CM+、CM-為正負(fù)母線。U+、U-為正、負(fù)母線電壓。Jk1、Jk2為繼電開關(guān)，R為精密電阻。R+、R-為正、負(fù)母線發(fā)生絕緣故障時(shí)的對(duì)地電阻。Dt1、Dt2為高精度霍爾電流傳感器，其輸出電壓與通過環(huán)孔的電流差成正比，并且成線性關(guān)系。所以，利用采樣電流傳感器輸出的電壓，經(jīng)過換算成電流，再利用歐姆定律獲得正、負(fù)母線電壓U+、U-，則電源電壓U=U+ - U-。

    在直流系統(tǒng)正常工作情況下，電子繼電開關(guān)Jk1、Jk2保持閉合。R+、R- 一般趨近無窮大，此時(shí)，U+=-U-。當(dāng)發(fā)生絕緣接地故障時(shí)，則R+或R-為有限值，此時(shí)U+≠-U-，當(dāng)R+≤R-時(shí)，則有U+≤-U-，反之亦然。如果發(fā)生R+=R-都為有限值時(shí)，即正負(fù)母線絕緣電阻同等下降，此時(shí)U+=-U-，則需要進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)步驟如下：
    1)斷開繼電開關(guān)Jk2，保持Jk1閉合，測(cè)得正、負(fù)母線電壓對(duì)地分別記為：U+1，U-1；
    2)斷開繼電開關(guān)Jk1，保持Jk2閉合，測(cè)得正、負(fù)母線電壓對(duì)地分別記為：U+2，U-2；
   
   
    這里需要說明下，這里用到的霍爾電流傳感器的電流量程為0～10 mA，所以對(duì)于一般直流220 V電源，結(jié)合電流傳感器的精度，精密電阻R一般的選擇為20～100 kΩ。

2 硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 絕緣主回路
    具體實(shí)現(xiàn)電路圖如圖2所示。

    對(duì)電子繼電器AQW214的用法作簡(jiǎn)單說明：當(dāng)AQW214的1、2腳導(dǎo)通時(shí)，7、8腳也導(dǎo)通，并且導(dǎo)通的內(nèi)阻很??；同理3、4腳導(dǎo)通時(shí)，5、6腳也導(dǎo)通。AQW214的耐壓值可以達(dá)到400 V，即當(dāng)7、8腳或5、6腳步導(dǎo)通時(shí)其兩端可承受400 V的電壓，所以可以通過單片機(jī)的P10和P11引腳來控制電子繼電器的導(dǎo)通與否從而達(dá)到控制Jk1和Jk2的通斷。具體控制和實(shí)現(xiàn)過程在前文中已做過闡述，這里不再贅述。
    需要說明的是，圖中所標(biāo)定的數(shù)值只適用于一定的電源電壓范圍(24～300 V)，電源電壓過低則易受霍爾電流傳感器的精度的影響而測(cè)量不準(zhǔn)確，過高則會(huì)超越霍爾傳感器的電流量程以及電子繼電器的耐壓值，所以可以根據(jù)實(shí)際情況，更換適當(dāng)?shù)钠骷赃_(dá)到要求。
2．2 絕緣支路
    由式(1)通過計(jì)算得知直流系統(tǒng)是否發(fā)生了絕緣降低故障，但還需要確定是配電母線還是某個(gè)或者某些饋電支路發(fā)生了接地故障。

    如圖3所示，當(dāng)支路沒有發(fā)生接地故障時(shí)，支路饋線電流I0=I1，通過電流傳感器的電流差為0，其輸出電壓也為0；當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，I3=I0-I1不為0，電流傳感器輸出電壓不為0。設(shè)此時(shí)正、負(fù)母線電壓為U+、U-。則第n條支路的對(duì)地
   
    對(duì)于多支路，可以采用多路開關(guān)如CD4051進(jìn)行選通控制，如圖4所示，當(dāng)發(fā)生支路絕緣接地故障，檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)支路絕緣電阻巡檢程序，通過單片機(jī)向CD4051芯片的A、B、C引腳發(fā)送信號(hào)，依次選通支路，查看發(fā)生故障的支路數(shù)并進(jìn)行接地電阻的計(jì)算。(圖中COM端連接一模擬電路接入單片機(jī)AD采樣端口，此處略去)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹的絕緣檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果，不僅能夠解決正負(fù)母線同等下降的問題，而且不影響電源質(zhì)量，達(dá)到了初始設(shè)計(jì)的要求。但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)了不足，比較突出的是電流傳感器在使用較長(zhǎng)時(shí)間，并且受到周圍環(huán)境電磁影響下，易發(fā)生漏電流零點(diǎn)漂移的情況。需要在軟件中加以矯正或者進(jìn)行支路斷電后的零點(diǎn)校準(zhǔn)，否則，易出現(xiàn)漏報(bào)或誤報(bào)的情況。但考慮兩者在實(shí)際應(yīng)用中都存在著一定的弊端，筆者在做進(jìn)一步研究，以期得到改善。