直流系统绝缘降低的危害及解决的方法

一、直流系统构成

发电厂和变电所中，为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构供电的电源系统，通常称为控制电源，如系统直流电源，则称为直流控制电源。

根据构成方式的不同，在发电厂和变电所中应用的有以下几种直流控制电源。

1. 蓄电池组构成的直流控制电源

由蓄电池组、充电装置及直流屏等设备构成，应用于各种类型的发电厂和变电所中，是一种在各种正常和事故情况下都能保持可靠供电的电源系统或者说是一种直流不停电电源系统。通常简称为直流控制电源系统或直流系统。

2. 电容储能式直流控制电源

这是直流控制电源的一种。正常运行时，它给电容量足够大的电容器组充电；当发生事故时，电容器组向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。这是一种简易的直流控制电源。

在我国110KV、35KV、10KV终端变电站，以及厂用6KV配电系统在有些采用了蓄电池直流屏和硅整流电容储能直流屏作为操作、控制以及保护的电源。

二、直流系统的额定电压

电力工程中,直流系统电压等级分为:

?220V

?110V

?48V

?24V

常用的电压等级为220V和110V。

三、直流系统接地

1. 直流系统接地的定义：当直流系统的正极或负极与大地之间的绝缘水平降到某一整定

值或低于某一规定值时，统称为直流系统接地；

正接地：当正极绝缘水平低于某一规定值时称为正接地；

负接地：当负极绝缘水平低于某一规定值时称为负接地。

2. 接地告警门限值标准设定值

根据《中华人民共和国电力行业标准DL /T856－2004》设定了本设备接地告警门限值：

系统电压为220V时，告警门限：50KΩ

系统电压为110V时，告警门限：15KΩ

系统电压为48V时，告警门限：5KΩ

系统电压为24V时，告警门限：3KΩ

3. 直流系统接地故障分类

直接接地（金属接地）

直接接地是指直流系统电源正极或负极对地的电阻等于或接近于零的情况。这种接地情况在直流系统中如果同时出现两点时，就很可能造成断路器误动或拒动，或熔断丝烧断等现象。

间接接地（非金属接地）

间接接地是指直流系统电源正极或负极对地绝缘电阻低至某一允许值之下。这时的接地电阻是否会对系统造成危害，就要看各个单位的具体情况，它与系统接地的位置和继电器的灵敏度有关．比如当前发电厂和变电站中最灵敏的中间继电器的内阻，对于220V 为200K，对110V为6K，对48V为1.5K。

绝缘降低

绝缘降低是指直流系统所采用的电缆、设备的绝缘电阻由于某种原因低于出厂数值。这些电缆，设备构成的直流系统的直流电源的正，负极对地绝缘电阻总体上低于充许值。

四、直流绝缘异常常见情况

1. 电缆引起

故障主要是由于电缆绝缘层的老化或电缆加工、敷设过程中的工作不慎损伤电缆绝缘层造成。

2. 设备引起

设备在制造过程中绝缘部分受损或者绝缘材料质量低，经过一段时间之后，薄弱部位就会裸露出来，如果空气潮湿就可能产生直流接地故障。

3. 其他外来物引起

外来物包括外来金属碎片、设备的紧固件及小动物躯体等。

五、直流接地故障的危害

?当直流系统正极接地时，将会有造成保护误动的可能；

?当直流系统负极接地时，将会有造成保护拒动的可能。

直流系统中有一点接地是不会对直流系统造成直接危害的，但是必须及时消除故障，否则在直流系统中再有一点接地就可能造成对整个电力系统的严重危害。

◆两点接地可能造成断路器误跳

A、B两点，A、C两点，A、D两点，D、F两点接地都可能造成断路器误跳。

◆两点接地可能造成断路器拒动

B、E两点，D、E两点或

C、E两点接地都可能造成断路器拒动。

◆两点接地可能引起熔断器熔断

A、E两点接地可能引起熔断器熔断。

当接地点发生在B、E和C、E两点，保护动作时，不但断路器拒动，熔断器熔断，而且还有烧坏断电器触点的可能。

六、直流系统接地故障分析

?直流系统无论是采用旧式还是新式的绝缘监测装置，都是根据电桥原理，即绝缘监测装置中的Ｔ型网络和直流系统正、负极绝缘电阻构成电桥。

◆E为直流系统正负极之间电压，R1，R2是桥臂外接电阻，R1=R2有1K，也有6.8K,R3是电

流继电器的线包直流电阻，有30K，13.2K。

◆将R1、R2、R3、R4、R5采用星形与三角形等效变换后进行接地电阻与正负电压之间的

关系分析。

1. 接地阻值与电压偏差关系分析

电压偏差越大，接地越严重？它们之间有何种关系？

图3 电桥等效原理图图4 正接地等效原理图

R正与R负为R1—R5的等效电阻，系统正常时，R正=R负，V+=V-=110V，当系统正级或负级发生接地或绝缘异常时，其正对地与负对地电压即会发生变化。

如果正极接地电阻为RX，如图4,得：

分别以R正=R负=1MΩ，以及R正=R负=50KΩ时正接地电阻为50K时考察电压的变化情况。

平衡电阻为1MΩ时，V+=10.5V,V-=209.5V

平衡电阻为50K Ω时，V+=73V, V-=147V

由此可见系统正负极电压偏差程度与接地程度的直接联系是建立在平衡桥处于正常范围之内.

当我们分析不同的系统时，不能简单的以电压偏差程度来判断绝缘异常严重程度，在没有确定平衡电阻大小时，它们之间无法一一对应．

但对于同一系统，由于其平衡电阻大小是固定的，我们可以定性得出，电压偏差越大，绝缘相对会差．

2. 平衡桥的概念

正常情况下，直流系统中正负对地是绝缘的，平衡桥即是为了查找直流系统中存在的绝缘降低或接地故障而人为在系统的正对地与负对地加入的两个大小相等的平衡电阻．

3. 平衡桥的意义

从前面分析可知，对于一个没有平衡电桥，或平衡电桥取值不当的系统，系统电压是无法准确反应出系统对地绝缘状态的，因此，平衡桥在直流系统中将系统对地绝缘阻抗与正负对地电压进行了对应．

4. 平衡桥的选取

?２２０Ｖ：３０Ｋ－６０Ｋ

?１１０Ｖ：１０Ｋ－１５Ｋ

?４８Ｖ：５Ｋ－１０Ｋ

5. 系统平衡桥的推导

对于一个绝缘正常的系统，往直流屏厂家并没给出确定的平衡桥电阻大小，因此我

们并不知道其平衡桥电阻是否处于一个合理范围之内，通常我们可以用如下方法来对平衡电桥进行计算：

（1）测量该系统电压为： （2）在该系统正极接入１００Ｋ电阻，测量其正极对地电压为 （3）在该系统负极接入１００Ｋ电阻，测量其负极对地电压为 则该系统正极对地绝缘阻值与负极对地绝缘阻值分别为：

如果该系统没有绝缘异常或接地故障，那么： ＝ 即为该系统的平衡桥电阻。

6. 系统接地阻抗的推导

?

如果我们已经知道该系统平衡桥的大小，当该系统出现绝缘异常之后，我们可以通过正负极对地电压来计算该系统的对地绝缘阻值，以图４为例进行计算：

图4 正接地等效原理图

解得：

例如：平衡电阻为５０Ｋ时，正极对是电压为８０Ｖ，负极对地电压为１４０Ｖ时，正极接地电阻为：６６Ｋ

七、绝缘异常人工故障排除方法

变电站的直流接地虽然是复杂的，无论是常规保护还是微机保护，其故障的排除法是一致的。方法如下:

1. 首先确定是正极接地还是负极接地，测量正负极对地电压，有效区分是正极接地

还是负极接地。

2. 两段母线之间的区分，使查找的接地不会大范围扩大，确定发生直流接地在哪一

段。

3. 如果有直流接地选线的装置，不能准确确定，有误报的现象，请退出运行中的直

流接地检测仪。

4. 如果站内二次回路有在施工的或有检修试验的应立即停止，拉开其工作电源，看

信号是否消除。

5. 采用分段分部位拉路法，操作电源一定要由蓄电池供电，先停不重要的回路，如

信号回路和照明回路等。

总

V +V -

V +R -R

拉路法的概念

?直流接地回路一旦从直流系统中脱离运行，直流母线的正负极对地电压就会出现平衡。所以人们通常从直流接地回路瞬间停电，确定直流接地点是否发生在该回路，这就是所谓的“拉路法”。

?直流系统是个不间断电源，基于它的特殊性，人们不能随意停电。近年来随计算机的大量使用，微机保护同样也不允许人们随意断开直流电源。

?现场排除故障中，经常发生非正常的闭环回路，采用双电源供电回路，以及变电站在现场施工、扩建、修试过程中遗留了直流负载的信号回路、控制回路和保护回路之间没有区分等等，使直流接地故障查找难度更加困难。

?“拉路法”往往造成了控制回路或保护回路跳闸等事故。

拉路法的正确顺序

?采用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；先室外部分后室内的原则，应按照下列顺序进行：

?①断合现场临时工作电源

?②断合故障照明回路

?③断合信号回路

?④断合合闸回路

?⑤断合附助设备

?⑥断合蓄电池回路

八、电力用直流电源监控装置

1. 电力行业标准电力用直流电源监控装置技术要求

电力行业标准DL/T856-2004”<<电力用直流电源监控装置>>对直流绝缘检测装置技术要求如下:

（1）直流系统发生接地故障或绝缘电阻低于整定值时,直流绝缘检测装置应可靠动作;

（2）装置应能测量出直流系统一极或二极绝缘下降和绝缘电阻数值,当低于整定值时应能发出报警信号;

（3）检测直流系统支路绝缘的绝缘监测装置应具有以下功能:

a) 在线巡检直流支路绝缘状况;

b) 显示并记录接地支路编号,极性,绝缘电阻值(测量误差不大于整定值的10%)及发生时间;

c) 分别或同时检测直流母线正极,负极绝缘状况,显示并记录接地母线的极性,电阻值及发生时间;

d) 具备直流母线的电压监察功能,显示并记录母线电压数值(测量误差不大于整定值的

0.5%),具有母线电压越限报警功能;

e) 具有直流系统绝缘电阻,母线电压越限定值的设定功能;

f) 具有报警延时,信号解除功能和延时断开支路功能(选择项);

g) 检测馈线支路数应大于32路,采用传感器,应减少支路电容影响,安装方便;

h) 满足与电源监控装置或上位机的通信要求,具有标准的通信接口和通信规约,具有无源输出触点.

检测范围

a) 绝缘电阻:0-999K;

c) 电压: DC 0V-400V.

监测精度

a) 绝缘电阻:母线测量充许偏差为绝缘报警整定值的+-5%,支路为+-10%;

c) 直流电压:在额定电压的90%-130%范围内,测量误差为+-0.5%.

报警精度:为整定值的+-2%.

A/D转换误差:不大于0.5%.遥信正确率:不小于99%。

平均无故障时间(MTBF):正常运行环境下,不小于50000h。

显示功能

监控装置应显示下列信息:

a) 直流系统母线电压；

d) 直流母线电压过高,过低；

e) 直流系统接地及位置；

数据显示应实时,准确,可靠,清晰,并具备各种信息传输手段,提供打印接口。

2. 直流电源监控装置监测原理及方框图

监测原理

根据监测原理的不同，直流系统接地监测装置可分为主动式和被动式两种。

主动式需要向系统注入特定的信号，然后通过传感器探测该信号来判统注断接地回路。

被动式不向系入任何信号，直接检测各回路的漏电流来判断接地与否。

被动式监测不发送任何特定信号作为判断基准，而直流系统中又含有各种干扰信号，因此监测难度远大于主动式。然而被动式监测以其安全性，代表了直流系统监测装置的发展方向，随着现代微电子技术的不断进步，将成为市场的主流。

监测原理框图

3. 便携式仪器查找定位方法

使用便携式的直流接地故障查找仪，查找直流接地不失为一种好方法，对接地故障的排除在时间上和安全上都是好帮手。不需断开直流回路电源，移动式的采集互感器在各分布回路上测量。如果出现接地回路就报警。

4. 便携式仪器查找原理

本装置由信号发生器、故障检测器和信号采集器（钳表）三部分组成。

故障检测器原理图

5. 普通支路接地检测方法与原理

如果直流系统中某一支路有接地点，接地示意图如图7，

对于接地支路各路径电流流向与大小分别用I1，I2，I3，I4表示，则有下列关系式： I1=I2=I3+I4

两式相减得I3=I1-I4对于A点，钳表检测到的漏电流为I3=V-/Rx如果接地电阻越小，则越大，接地越明显；反之亦然。

对于B点，钳表检测到的电流为I1-I2=0（没漏电流）

所以钳表显示没接地。

因此，通过A，B两点的检测可以定位出接地点的具体位置。

6. 环路支路接地检测方法与原理

支路1和支路2形成一条环路，而支路3是环路上的一条分支并有接地故障。用故障检测器分别在A，B，C，D，E五个点检测，其箭头指的方向是故障检测器所检测的接地点方向，根据A，B，C，D，E点所检测接地点的箭头方向可知E点所在的支路是环路的分支，有接地故障并能故障定位

意义：⑴在系统走线比较复杂时，有利判断系统有接地支路的走线方向，使操作人员更快、更有效的查找出接地点。

⑵在环路有接地时，不需要退环的情况下，根据检测所显方向，能够更好的判断

出接地点。

判断：接地点方向判定由卡线时钳表箭头指向与检测器上箭头显示方向共同决定。开启信号发生器，待信号发器稳定后(信号指示灯闪烁)，在信号发生器附近（2m内）开启检测器，使其同步，将钳表卡入待检测支路开始检测，如果该检测支路上有接地，检测器上会显示一个向上或向下的箭头

九、绝缘降低预警方案

针对不同的直流系统或者同一直流系统在不同的时期可能对绝缘等级有着不同的要

求, 可以使用直流系统对地绝缘分级管理概念。基于极高的接地阻抗检测精度（大于500K）（国家标准接地告警阻抗值25K），建议使用分级管理。

接地故障设置建议 0-50K

一级绝缘设置建议 51-100K

二级绝缘设置建议 101-200K

三级绝缘设置建议 201-500K

绝缘分级管理为绝缘降低预警方案提供了解决方法,从而将绝缘异常给直流系统带来的安全隐患降到最低.

十、直流系统的诊断与评估

由于直流系统绝缘告警，按电力行业标准“标准编号”，当系统告警时，系统已经可能处于一种危险故障状态，解决不及时可能引发更大的整个电力系统的事故。从系统分析角度，我们知道，直流系统的绝缘发展为严重的接地故障，更多情况是一个渐变的动态过程，所以要更好的解决直流系统的绝缘问题，必然引出直流系统的诊断与评估的概念。

当然,直流系统的诊断与评估是需要有高精度的检测结果与大量数据的存储做为分析基础的,因此,也对直流系统在线监测设备提出了新的要求。