直流绝缘系统原理
直流绝缘监察装置原理分析及直流系统接地异常处理的技术工作报告
撰稿人：蓉
盐都供电公司
直流绝缘监察装置原理分析及直流系统接地异常处理的技术工作报告盐都供电公司蓉
发电厂和变电所的直流系统比较复杂，而且通过电缆线路与屋外配电装置的端子箱、操作机构等相连接，发生接地的机会较多。直流系统发生一点接地时，由于没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。但是这种接地故障必须及早发现，否则当发生另一点接地时，有可能引起信号回路、控制回路、继电保护回路和自动装置回路的不正确动作。例如在图1所示的控制回路图中，当A点存在一点接地故障，而后又在B点发生一点接地时，断路器的跳闸线圈中就会有电流流过，而引起误跳闸。可见装设经常性的直流系统绝缘监察装置是十分必要的。
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图1 两点接地所引起的误跳闸情况
目前在发电厂和变电所中广泛采用的直流系统绝缘监察装置的原理图如2(C)所示，这种装置能在绝缘电阻低于规定值时，自动的发出灯光和音响信号，并且可以利用它分辨出哪一极的绝缘电阻降低，还可以测出对地的总的绝缘电阻值，然后通过换算可以确定出正负极的绝缘电阻值。
+ XJJ 发信号
图2（a）信号部分
图2（b）测量部分
+
图2（c）整组原理接线图
图2 绝缘监察装置原理图
整个装置可分为信号和测量两部分，都是根据直流电桥的工作原理构成的。图2（a）为信号部分的原理图，其主要组成元件为电阻R1、R2和信号继电器XJJ。电阻R1与R2数值相等，并与直流系统正、负极对地绝缘电阻R+和R-组成电桥的四个臂，继电器XJJ则接于电桥的对角线上，相当于直流电桥中检流计的位置。正常状态下直流母线正、负极的对地绝缘电阻R+与R-相等，继电器XJJ线圈中只有微小
的不平衡电流流过，继电器不动作。当某一极的绝缘电阻下降时，电桥失去平衡，继电器的线圈中即有电流通过，当此电流足够大时，继电器XJJ动作，其常开触点闭合，发出预告信号。下面用具体计算说明：
当电桥失去平衡时，加在继电器XJJ上的电压可利用电桥对角线上电压的计算公式求得。即
Uj= U[R+/（R++R-）-R1/（R1+R2）]Rj/
[R+R-/（R++R-）+Rj+R1R2/（R1+R2）] （1）式中U—直流母线电压
Rj—继电器线圈的电阻
由于R1=R2=R，所以上式可化简为
Uj= U[R+/（R++R-）-0.5]Rj/
[R+R-/（R++R-）+Rj+0.5R] （2）于是，流过继电器XJJ线圈中的电流为
Ij= U[R+/（R++R-）-0.5] /
[R+R-/(R++R-)+Rj+0.5R]
（3）
或改写成
Ij= U(R+－R-)/[2R+R-+(R++R-)(2Rj+R)]
（4）可见，当R+=R-时，Ij=0。
由于在这种绝缘监察装置中有一个人工的接地点，这样
当直流网络中其它任何地方发生一点接地时，将形成电流通路，如图3所示。为了防止电流足以引起其它继电器误动作，要求绝缘监察继电器XJJ的线圈具有足够大的电阻值，对220kV直流系统一般选用Rj=30千欧，其启动电流为1.4毫安。于是为了安全起见，其它继电器的起动电流都应选择大于1.4毫安的数值，在220V直流系统中当任一极的绝缘电阻下降到15-20千欧时，这种绝缘监察装置可立即发出信号。
绝缘监察装置形成的电流通路
测量部分由三个数值相等的电阻、一个电压表和一个切换开关所组成，见图2（b），三个电阻中有一个是带有滑动触头的电位计，平时切换开关ZK是断开的，电位计的滑动触头放在中间位置上。如果直流系统两极对地的绝缘电阻相
等，则电桥处于平衡状态，电压表V上的指示为零。当某一极的绝缘遭到破坏，信号部分发出预告后，值班人员可根据发生故障部分的极性，将转换开关投至1或2的位置，假设负极绝缘电阻R-降低，则在测量之前，应先将切换开关ZK 放在2 的位置上，使与负极连接的电阻R短路，然后调节电位计的滑动触头，使电压表的指示为零。此时电桥处于一个新的平衡状态，即
(R+xR)/R+ =（1-x）R/R- （5）于是得
R+/(R++R-) =(R+xR)/[(R+xR)+(1-x)R]=(1+x)/2 （6）
式中x----电位计电阻刻度的百分值
如何保持电位计滑动触头的位置不变，而将ZK切换至1的位置，则加在电压表上的电压可利用式（1）求出。此时Rj应该用电压表的阻Rv代替，并且R1=xR，R2=(2-x)R，R1+R2=2R,可得
Uv= U[R+/（R++R-）-xR/2R]Rv/
[R+R-/（R++R-）+Rv+xR(2-x)R/2R] （7）考虑到，R+R-/（R++R-）为直流系统对地的总绝缘电阻，并用RΣ表示。将式（6）代入，则得
Uv= 0.5URv/[ R∑+Rv+ (1-0.5x)xR] （8）
R数值比R∑及Rv小得多，可以略去不计。故可简化为Uv= 0.5URv/(R∑+Rv) （9）因为U和Rv都是长常数，所以Uv的数值与R∑成反比关系，在电压表上可直接按下式
Rv= 0.5Rv/(U/Uv－2) （10）刻成欧姆数。通常在绝缘监察电压表盘面上画有电压和电阻两种刻度，其中电阻刻度应与直流母线的额定电压相对应。
由于电压表V测量的是直流系统正负母线对的总绝缘电阻R∑，为了知道每极的对地电阻需要进行换算：
当负极绝缘电阻降低时（ZK先投在2的位置），根据式（5）得
R+=(1+x)R-/(1-x)
（11）
将其代入式R∑= R+R-/（R++R-）中，可得
R+=[2/(1－x) ]R∑R-=[2/(1+x)] R∑
（12）
同理，当正极绝缘电阻降低时（ZK先投在1的位置），可得
R+=[2/(2－x)] R∑R-=（2/x）R∑（13）
目前许多变电所都新装设了直流系统接地监测仪，其根本原理基本同上述相同，它更适用于变电所直流系统的监
察，能够较准确地判别哪一条线路接地。
处理直流系统接地事例
2009年6月6日12点40分，监控中心值班员报告kV 秦南变直流系统接地，值班员测得直流正极对地电压为+160V，负极对地电压为-59V。
经过对值班员报告的上述信息的分析，认为直流系统负极不完全接地，但具体是直流母线接地还是线路直流接地还不清楚。为了弄清直流系统接地的现象及原因以便进行处理，我们到秦南变电所现场进行检查。
到达秦南变电所后，我们在主控室直流馈线屏的直流接地监测仪上看到直流正极对地电压为+160V，负极对地电压为-59V，接地监测仪显示母线接地。为了进一步确认，我们又用万用表在各个线路及直流充电屏、直流馈线屏测得直流正、负极对地电压均为上述数值，说明直流母线确实有接地。
经过现场认真、仔细的分析，我们认为主控室直流母线接地的可能性很小，35kV开关场地及10kV高压室直流系统接地的可能性较大。因为近几天连续下雨，35kV开关场地及10kV高压室比较潮湿，可能有某一部位对地绝缘不良而造成直流系统接地。
而后，又对35kV开关场及10kV高压室进一步分析认为10kV高压室直流系统接地的机会更大，由于10kV高压室地势比较低，当时积存的水位比较高，这对主合闸电缆的
绝缘一定有很大影响。
基于上述原因，我们初步认为10kV高压室主合闸电缆对地绝缘不良是造成直流系统接地的原因。
经过调度批准，将主控室直流馈线屏上的10kV主合闸I段直流控制开关及10kV主合闸II段直流控制开关断开后，直流系统接地信号消除，正、负极对地电压逐渐恢复正常，这说明直流系统接地是由10kV主合闸直流回路接地造成的。
此情况向调度汇报后，申请将主控室直流馈线屏上的10kV主合闸I段直流控制开关及10kV主合闸II段直流控制开关断开，以便对异常进行处理。
造成直流系统异常的原因弄清楚后，我们进入10kV高压室进行处理。
由于10kV主合闸直流回路是由两侧环网的，为了缩小工作量，我们采用“二分法”进行查找，首先拆开中间位置开关柜的主合闸电缆，然后用摇表分别对环网的两侧测量绝缘，对绝缘不良的一侧再采用“二分法”，最后查出10kV砖瓦线与10kV线之间的主合闸电缆绝缘均不良，开关柜位置如图4所示。
图4 开关柜位置图
经过研究，决定更换10kV秦北线开关柜与10kV秦义线开关柜之间的主合闸电缆。
由于10kV秦轧线开关、2号主变10kV开关、10kV2号电容器开关原处于冷备用与停用状态，因此处理此异常时只要10kV秦北线与10kV秦义线用10kV秦东线开关带出就可以了。
根据工作需要做好各项安全措施，工作前将主控室直流馈线屏上的10kV主合闸I段直流控制开关及10kV主合闸II段直流控制开关断开，使工作地点主合闸电缆接线端子失去电压，以确保工作人员的人身安全。
原来绝缘不良的电缆更换为绝缘良好的新电缆，将各个开关柜主合闸电缆接好联网后，用摇表测量正极对地、负极对地及正、负极之间的绝缘。
绝缘良好后，投入主控室直流馈线屏上的10kV主合闸I段直流控制开关，10kV主合闸II段直流控制开关在断开位置，用万用表在10kV主合闸II段直流控制开关输入及输出端子测量直流电压，进一步确证接线的正确性。
直流系统接地异常处理完毕后，投入10kV主合闸I段直流控制开关及10kV主合闸II段直流控制开关。
10kV秦义线与10kV秦北线恢复正常运行方式。
直流系统接地是各个变电所出现较多的异常现象，它严重地影响系统的正常运行，可能造成保护拒动或误动。直流系统接地的查找和处理是一项比较烦琐的工作，需要仔细的分析，不能盲目处理，应根据运行方式、操作情况、气候影响进行判断可能接地的处所，采取拉路寻找、分段处理的方法，以先信号和照明部分后操作部分，先室外部分后室部分为原则进行处理。
总结
直流系统是电网正常运行的根本，它的好坏直接影响到电网能否稳定运行。为了使控制回路、信号回路、继电保护和自动装置回路能够有可靠的操作电源，各发电厂和变电所一般都装有电压稳定、容量足够大的直流电源，以保证在电力系统发生事故时，甚至在全所交流电源全部停电的情况下，仍能保证控制、信号、继电保护和自动装置能够连续可靠的工作。因此，直流系统的检修和维护是非常必要的，当
直流系统发生故障时，应尽快地进行排查和处理，以免酿成电网事故。