摘要：直流系统绝缘监测装置对电力系统的安全稳定运行起着十分重要的作用。通过对直流系统绝缘监测原理优缺点的分析，提出了一种平衡电桥与开关电阻相结合的新型直流系统绝缘监测装置设计方案，设计母线电压检测电路和支路漏电流采集模块分别监测母线和支路的绝缘状态。同时对直流系统绝缘监测装置的软硬件部分进行了详细的设计，并研制成样机,在多种接地状态下验证了装置接地电阻测量、支路定位和故障报警的准确性。
关键词：直流系统；绝缘监测;平衡电桥；开关电阻；实时监测
0引言
直流系统作为电力系统和通信系统中自动控制、继电保护和信号装置的供电电源,其工作状况的好坏直接影响到电力和通信系统的安全稳定运行。由于绝缘破损等造成的直流接地是直流系统常见的故障，立即查找出故障点予以排除，否则容易造成负载装置的误动作，引发重大事故,造成重大的经济损失。因此,对直流系统的绝缘状态进行在线监测具有重要的意义。
至此直流系统绝缘监测装置便应运而生，由于直流系统是一个多段多级母线联合供电的多分支网络，因此装置一般采用母线绝缘监测与支路绝缘监测相结合方式。母线绝缘监测有平衡电桥和开关电阻两种方法旳，通过电桥的失衡来反映母线的绝缘状况。但是当两极母线同时等值接地时，电桥的平衡未被打破,平衡电桥法失效,装置漏报接地故障，由于该方法存在监测死区,致使其只能应用在一些小型变电站中,起接地预警的作用。虽然开关电阻法能够完成这一死区的监测，但是开关电阻法不断的切换电桥，母线对地电压被人为拉偏，容易造成继电保护装置的误动作。交流小信号注入法和宜流漏电流测量法是支路绝缘监测常用的两种方法，交流小信号注入法通过向直流母线中注入低频小信号，监测该信号的流向来定位故障支路，但是该方法无法排除母线对地电容的影响，同时注入的低频小信号增加了系统纹波，影响了系统的安全运行。目前虽然提出了变频探测法，电容补偿法和小波分析法力等一系列方法进行改进，但是结果都不甚理想。而直流漏电流测量法通过测量故障支路的漏电流来计算接地电阻，不需要注入交流信号,不受对地电容的影响，因此受到广泛应用。但是其使用的直流漏电流传感器容易受到电磁干扰和温度的影响而发生零点漂移，在现场应用中常常发生误报接地故障。
针对以上方法出现的问题，本文对直流系统绝缘监测装置提出了一系列改进措施，首先对母线绝缘监测采用平衡电桥和不平衡电桥相结合的方式，兼顾两种方法的优点。支路绝缘监测采用直流漏电流测量法，利用软件消去法避免了直流漏电流传感器的零点漂移的影响,有效地消除了接地故障的漏报和误报问题，完善了直流系统绝缘监测装置的功能。
1.装置的工作原理
直流系统绝缘监测装置主要由母线电压检测电路、主控MCU.LCD显示模块,声光报警模块、通讯接口、实时时钟、直流漏电流釆集模块和直流漏电流传感器组成，其结构框图如图1所示。首先由母线电压检测电路监测母线的工作状态,LCD显示模块对绝缘信息进行显示，主控MCU判断当前绝缘状况，如果母线出现接地故障,声光报警模块红灯点亮，并发出报警铃声。与此同时，主控MCU通过RS485向各漏电流釆集模块发出釆集命令，进行支路绝缘状况巡检。漏电流釆集模块采集各传感器测量的漏电流信号，并进行预处理分析,将故障支路信息上传给主控MCU,由主控MCU定位接地故障点，计算接地电阻值，并将所有故障信息进行显示报警,通知现场运行人员及时处理。
2.装置的硬件实现
2.1电压检测电路的设计
母线电压检测电路，R+、R-分别是正、负母线接地电阻,+KM,-KM是直流系统正负母线。母线电压检测电路采用独特的三电桥结构，其中桥臂1是平衡电桥，桥臂2、3是切换电桥。桥臂的切换判据是当母线未报接地故障，而支路报接地故障时，启动切换电桥。检测到接地支路报出后，保持显示状态,然后切换回平衡电桥检测状态，以免直流母线电压由于切换电阻的接入而拉偏，影响直流系统的安全。
(1)电桥电路的设计
由于平衡桥臂电阻值越大，母线对地电压偏移越大,接地电阻检测灵敏度越高。同时对地电压偏移越大，越容易造成一点接地保护引起误动。因此并不是桥臂电阻越大越好，桥臂电阻的合理取值直接影响到系统的检测灵敏度和安全稳定运行。
(2)电压采样电路的设计
根据直流绝缘监测装置的要求,为了判断母线的绝缘状况和计算接地电阻的大小，需要对正、负母线对地电压和母线间电压进行釆样测量，每一路电压采样电路由电压处理单元、滤波单元、隔离单元组成。电压处理单元将0~±125V、0-250V的电压转换到0~3V,电压跟随器实现采样电压的阻抗匹配。用RC滤波器滤除谐波干扰，隔离单元釆用ISO124隔离强电与弱电之间的干扰。
2.2主控板的设计
（1）主控MCU的选型
主控MCU是整个直流系统绝缘监测装置的核心控制部件，它负责母线电压的釆集与处理,与直流漏电流釆集模块的通讯,漏电流信号的接收与处理，LCD显示模块的数据传递，声光报警模块的报警控制,与上位机的数据通讯，多机互联，同时又是系统内部软件的运行平台。主控MCU需要控制处理的任务多，与外部数据交流的信息量大,完成的功能种类复杂。为了满足系统对主控MCU的要求，节约成本,提高系统的集成度与开发效率。
（2）通讯接口
直流系统的母线是分段分屏布置的，每段每屏分布在变电站的不同地方，每段每屏都需要一个直流系统绝缘监测装置进行监控，当直流系统改变运行方式时，绝缘监测装置需要进行互联通讯，改变监控策略。同时每一个装置还需要将监测数据上传给中央控制室的上位机，这些数据的传输都需要通讯接口的互联。考虑绝缘监测装置多种互联方式的需求与各互联设备的距离，以及用户互联操作的简易性，系统设置了CAN总线,RS485和RS232三种通讯接口。
（3）LCD显示
装置在监测直流系统绝缘状况时，需要显示当前绝缘信息以便现场工作人员能够迅速确定故障类型，定位故障支路。为方便用户使用，选择4.3寸TFT触摸液晶屏对这些数据进行显示：当前时间、直流母线间电压、正负母线对地电压、母线绝缘状态、支路绝缘状态、各馈线支路的接地电阻、故障支路号以及参数设置情况。
（4）声光报警模块
声光报警模块主要是对直流系统的以下故障进行。报警提示：超压报警如果母线间电压超过250V,进行超压报警提示；欠压报警;如果母线间电压低于190V,进行欠压报警提示;偏压报警:在装置工作在平衡电桥模式下,如果母线对地电压偏移110V达15V,即报偏压故障提示;绝缘报警:如果直流系统接地电阻阻值小于或等于25kfl,进行绝缘报警提示;支路报警:如果直流馈线任一支路的接地电阻小于或等于25kQ,进行支路报警提示;瞬时接地报警:如果直流系统接地故障是在瞬间发生的，短时间内该故障自动消失,即判瞬时接地故障。
2.3直流漏电流釆集模块
直流系统是一个多分支供电网络，一个500kV变电站里的直流系统馈线支路就可能多达上百条，如果这上百条支路的绝缘状况信息都由主控MCU来进行处理，那必定会占用主控MCU很多资源，消耗费时间，使装置不能及时有效的处理各支路的接地故障，因此需要建立一种多MCU、分散式、模块化的结构以适应现场直流系统绝缘监测的要求。因此，设计直流漏电流釆集模块监测各支路的绝缘状况，每一个采集模块可以釆集处理16条馈线支路的漏电流信息。一个装置中可以扩展多个采集模块，每个采集模块将釆集的漏电流信号经过预处理之后再上传给主控MCU,这样大大节约了主控MCU的处理时间与资源，使得装置可以快速响应支路接地故障。
直流漏电流采集模块由选择输入开关、信号调理电路、采集MCU、光耦隔离、RS485通讯接口构成。当釆集MCU接收到主控MCU的釆集命令时，采集MCU发送选通信号给选择输入电路，对不同的支路漏电流进行A/D采样，并将采集的信息由采集MCU预处理后上传给主控MCU处理。
3.装置的软件设计
3.1母线绝缘监测
在平衡桥的条件下，需要利用母线的电压值进行计算母线的接地电阻值，并判断母线是否发现接地故障。如果得到的接地电阻计算值小于设定的阈值，则利用通讯程序判断出故障的支路，并对此次故障进行记录;如果母线电压检测并未发出故障判断，但支路报告接地故障时，则切换到不平衡桥对母线电压进行测量。若在电桥不平衡状态下，接地电阻的计算值小于阈值，则确认发生了接地故障,并利用通信程序判断出故障支路,同时将此次故障记录。
3.2故障支路接地电阻的计算
在直流系统现场,漏电流传感器易受周围复杂电磁环境和电流冲击的影响而产生零点漂移，进而变大装置的接地电阻测量误差，造成装置的误报或漏报接地故障。为了准确测量接地电阻值,需要消除漏电流传感器零点漂移的影响，对支路接地电阻的测量值进行校正。
4.装置的测试及分析
搭建完装置的软硬件平台后，模拟直流系统单极接地,双极差值接地和双极等值接地的状态,测试装置接地电阻的测量精度和声光报警输出的正确性。其中母线电压由充电模块提供,其值为234.3V。在不同支路上分别接入接地电阻。在测量小于50kQ的接地电阻时，测量误差小于1kQ,在变电站内，直流系统接地电阻的测量阈值为25kQ,现场工作人员更关心直流系统是否接地，是否需要进行接地处理，也就是说更注重50kft以内的接地情况,在这个接地电阻范围内,要求尽量提高接地电阻测量精度，以防止接地误报警、漏报警，而装置对接地电阻的测量精度恰好能够满足现场需求。
5.安科瑞直流绝缘监测仪应用与选型
5.1概述
直流系统作为电力系统和通讯系统中自动控制、继电保护和信号装置的供电电源，其工作状况的好坏直接影响到电力和通讯系统的安全稳定运行。另外，随着国家“双碳”目标的确立，新能源汽车充电装置、储能系统等产品被广泛推广和应用。其内部的直流系统的安全可靠运行，是保障产品可靠运行的关键。
AIM-D系列直流绝缘监测仪主要用于各类直流不接地系统，监测直流系统正负极对地绝缘电阻，当绝缘电阻低于设定值时，能发出预警和报警信号。提醒工作人员及时排查故障，消除安全隐患。
5.2应用场所
AIM-D系列绝缘监测仪可广泛应用于发电厂、变压站的直流屏、电动汽车充电装置、储能直流系统、UPS供电系统、光伏直流系统、直流电网等直流系统。
5.3应用示意图
5.4产品选型
6.结语
应用于电力和通信系统的直流系统绝缘监测装置，采用的传统方案疏漏较多，经常出现误报和漏报接地故障，不能帮助现场人员准确定位故障范围，急需进一步完善。本文提出了一套母线和支路绝缘监测相结合,平衡电桥与开关电阻相补充的改进方案,缩小了装置的监测死区，利用软件消去法避免了直流漏电流传感器的零点漂移问题。经过模拟实验验证,装置对50kn内的接地电阻的测量精度小于1kfl,并准确定位出接地支路和判断故障类型，装置运行可靠稳定，符合现场要求。
