直流绝缘检测的研究与应用
日期：2008-9-23 0:37:36 来源：中国自动化网
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1．引言
发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障，就可能引起重大故障的发生。
现有检测直流系统绝缘的方法主要有电桥平衡原理和低频探测原理。根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小。用低频探测原理检测接地故障是近几年采用的一种新方法，但它所能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。可见，电桥平衡原理和低频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。本文提出一种新的检测方法，即主回路用不平衡电桥检测总的绝缘电阻，而支路用直流互感器来检测到底是哪一路出现了绝缘降低。同时用单片机来实现这种检测方法。
2．主回路的绝缘电阻的测量
传统的平衡电桥检测原理如下图-1，通过检测电压Uj和Um，再加上给定的电阻R来算出R+、R-，但当正负绝缘都出现降低的情况下，检测的结果将与实际情况不符合。
图-1
为了能检测正负都绝缘降低的情况，下文设计一种不平衡电桥测量法。并用MCS 80C196KC单片机来实现，如图-2所示。首先我们先说明一下电子继电器AQW214的用法,当AQW214的1、2脚导通时，7、8脚也导通；而且导通的内阻很小。同理，3，4脚导通时，5、6脚也导通。而且，AQW214的耐压值可以达到400V，即当7、8，或5、6不导通时，它们两端可以承受400V的电压。所以我们可以通过控制P10的电平，来控制1、2脚的导通而达到控制JK1的导通与关断。同理，通过控制P11的电平来控制JK2的导通与关断。第一步，JK1、JK2都断开，我们通过80C196单片机的A/D口的AC4通道采集C4两端的电压，从而测得Um。第二步，JK1断开、JK2闭合，通过A/D口的AC5通道采集C2两端的电压，从而测算得Uj，记此时测得的电压Uj为Uj1。第三步，JK1闭合、JK2断开，记此时测得的电压Uj为Uj2。很明显的Uj1与R+，R-有关系，Uj2也与R+，R-有关系。从而可以得到一个二元方程。在此，因为R与R3之和等于R与RW2之和，故将R与R3之和称为R，将R与RW2之和也称为R。从而可以得到公式1-1和1-2。
公式 1?1
公式1-2
联立公式1-1，1-2 可解出：
公式 1?2
公式1-3
图-2
以上的分析，我们得到理论上的实现，但真正用到实际应用当中去，我们需要注意几个问题。首先，就电路中所给的参数只适合100V-300V的直流电压，低于100V，则测量精度下降；高于300V，则电子继电器的耐压不够。对于直流电压比较低的情况，我们可以通过改变相关电阻值而使测量精度提高。但对于直流电压高于300V的情况，我们要重新选择电子继电器或者别的继电器。其次，实际测量时，应先判断|Uj1-Uj2|的大小，如果其值太小，由于AD转换器的精度造成的影响将比较大，上述公式计算结果偏差较大。这种情况发生在正负绝缘均匀下降且绝缘阻值较小时，比如R+＝R-＝1K，Um＝220V时，由公式1-1、公式1-2可得：Uj1＝110.55V，Uj2＝109.95V，|Uj1-Uj2|＝0.6V，设AD转换器的量程为0~300V，精度为千分之一（10位AD），则其最小测量精度为0.3V，因此|Uj1-Uj2|可能等于零，所以R+＝R-＝0，与实际相差很大。根据我们的实测，绝缘电阻在5K～到50K之间时，测量精度可达到5%。当发生2K以内正负绝缘均匀下降时，测量精度较差。对于实际中的一般情况，我们最关心的就是当绝缘电阻在15K—25K之间波动。所以可以达到要求。但如果在特殊的场合，要求精度更高一些，我们可以选择精度更高的A/D转换器。
3．支路绝缘降低的判断
在引言里，我们已经提到，用低频探测原理检测容易受直流系统对地分布电容的制约，容易受外界的干扰，而且注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。在这里，我们用电流互感器来检测漏电流的大小。我们先根据图-3来说明一下电流互感器的用法。在这里我们选择DC10EA型的电流互感器，额定输入电流为10mA，输出电压为0—+/-2.5V。当出现正绝缘降低时，正母线和负母线上的电流差值为I2(单位为mA)，则此时电流互感器的输出U=（I2/10）*2.5 (v),当出现负绝缘降低,此时电流互感器的输出 U=-（I2/10）*2.5 (v)。我们通过采集电流互感器的输出电压，便可以计算漏电流I2的大小，从而得到绝缘降低的的程度。
图-3
因为当出现正负绝缘都降低的时候，绝缘降低的程度与漏电流不成正比。所以我们采用前面讲到的不平衡电桥来计算主回路的绝缘电阻的具体大小。如果到了报警线，便通过通讯向支路绝缘检测模块获取各个支路绝缘降低的程度。下面图-4给出了支路绝缘检测模块的大致原理图。单片机通过多路开关将不同支路的电流互感器的输出电压采集进来。在绝缘主模块需要的时候将采集的数据发给主模块。
图-4
4．结束语
本文利用不平衡电桥法给出了一个较为精确的计算正负绝缘都出现降低的情况下的正、负绝缘电阻。同时提出了一种主—从式的绝缘监测小系统。在实际应用中取得了良好的效果。但依然存在不足，即当某个支路的绝缘均匀下降时，主模块虽然能给出异常情况，但不能确定到底是哪一路出现了异常。待进一步研究。
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发电厂和变电站的直流电源作为主要电气设备的保安电源及控制信号电源，是一个十分庞大的多分支供电网络。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障，就可能引起重大故障的发生。
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现有检测直流系统绝缘的方法主要有电桥平衡原理和低频探测原理。根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广泛使用，但它不能检测直流系统正、负极绝缘同等下降时的情况；绝缘监测装置即使报警，也不能直接得到系统对地的绝缘电阻大小。用低频探测原理检测接地故障是近几年采用的一种新方法，但它所能检测的接地电阻受直流系统对地分布电容的制约，而且低频交流信号容易受外界的干扰，另外注入的低频交流信号增大直流系统的电压纹波系数。可见，电桥平衡原理和低频探测原理均存在若干难以克服的缺陷。本文提出一种新的检测方法，即主回路用不平衡电桥检测总的绝缘电阻，而支路用直流互感器来检测到底是哪一路出现了绝缘降低。同时用单片机来实现这种检测方法。
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2．主回路的绝缘电阻的测量
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传统的平衡电桥检测原理如下图-1，通过检测电压Uj和Um，再加上给定的电阻R来算出R+、R-，但当正负绝缘都出现降低的情况下，检测的结果将与实际情况不符合。
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图-1
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为了能检测正负都绝缘降低的情况，下文设计一种不平衡电桥测量法。并用MCS 80C196KC单片机来实现，如图-2所示。首先我们先说明一下电子继电器AQW214的用法,当AQW214的1、2脚导通时，7、8脚也导通；而且导通的内阻很小。同理，3，4脚导通时，5、6脚也导通。而且，AQW214的耐压值可以达到400V，即当7、8，或5、6不导通时，它们两端可以承受400V的电压。所以我们可以通过控制P10的电平，来控制1、2脚的导通而达到控制JK1的导通与关断。同理，通过控制P11的电平来控制JK2的导通与关断。第一步，JK1、JK2都断开，我们通过80C196单片机的A/D口的AC4通道采集C4两端的电压，从而测得Um。第二步，JK1断开、JK2闭合，通过A/D口的AC5通道采集C2两端的电压，从而测算得Uj，记此时测得的电压Uj为Uj1。第三步，JK1闭合、JK2断开，记此时测得的电压Uj为Uj2。很明显的Uj1与R+，R-有关系，Uj2也与R+，R-有关系。从而可以得到一个二元方程。在此，因为R与R3之和等于R与RW2之和，故将R与R3之和称为R，将R与RW2之和也称为R。从而可以得到公式1-1和1-2。
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公式 1?1
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公式1-2
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联立公式1-1，1-2 可解出：
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公式 1?2
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
公式1-3
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图-2
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以上的分析，我们得到理论上的实现，但真正用到实际应用当中去，我们需要注意几个问题。首先，就电路中所给的参数只适合100V-300V的直流电压，低于100V，则测量精度下降；高于300V，则电子继电器的耐压不够。对于直流电压比较低的情况，我们可以通过改变相关电阻值而使测量精度提高。但对于直流电压高于300V的情况，我们要重新选择电子继电器或者别的继电器。其次，实际测量时，应先判断|Uj1-Uj2|的大小，如果其值太小，由于AD转换器的精度造成的影响将比较大，上述公式计算结果偏差较大。这种情况发生在正负绝缘均匀下降且绝缘阻值较小时，比如R+＝R-＝1K，Um＝220V时，由公式1-1、公式1-2可得：Uj1＝110.55V，Uj2＝109.95V，|Uj1-Uj2|＝0.6V，设AD转换器的量程为0~300V，精度为千分之一（10位AD），则其最小测量精度为0.3V，因此|Uj1-Uj2|可能等于零，所以R+＝R-＝0，与实际相差很大。根据我们的实测，绝缘电阻在5K～到50K之间时，测量精度可达到5%。当发生2K以内正负绝缘均匀下降时，测量精度较差。对于实际中的一般情况，我们最关心的就是当绝缘电阻在15K—25K之间波动。所以可以达到要求。但如果在特殊的场合，要求精度更高一些，我们可以选择精度更高的A/D转换器。
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3．支路绝缘降低的判断
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图-3
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因为当出现正负绝缘都降低的时候，绝缘降低的程度与漏电流不成正比。所以我们采用前面讲到的不平衡电桥来计算主回路的绝缘电阻的具体大小。如果到了报警线，便通过通讯向支路绝缘检测模块获取各个支路绝缘降低的程度。下面图-4给出了支路绝缘检测模块的大致原理图。单片机通过多路开关将不同支路的电流互感器的输出电压采集进来。在绝缘主模块需要的时候将采集的数据发给主模块。
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