直流电源系统绝.docx
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直流电源系统绝
直流电源系统绝缘监测装置技术条件—主要条款的解读
一、直流电源系统接地方式：
在发电厂和变电站中，为了供给控制、保护、自动装置、事故照明和汽机直流油泵等设备的用电，要求有可靠的直流电源，为此，在发电厂和变电站中一般均设有独立的直流电源—蓄电池组。
直流系统整个供电网络是通过电缆、导线、汇流排等导体与户外、户内高、低压电气设备或装置的端子箱、操作箱、自动装置、保护装置、断路器操作机构等用电装置相连接，是一个涉及点多、面广、线长、十分庞大的多分支供电网络，发生接地的机率很高。
即使在发电厂和变电站交流电源完全中断的情况下仍能保证上述装置及设备的可靠供电。
为提高直流电源系统的供电可靠性，目前在运直流电源系统均采用不直接接地方式。
若采用直接接地方式：
当另外一极一旦发生接地，就会造成系统短路中断供电，若此时电网发生故障，由于保护装置和自动装置等用电设备失去直流电源而无法可靠动作，其后果不堪设想。
若采用不直接接地方式：
当直流系统任何一极绝缘降低或接地时，由于没有造成回路短路，不会造成系统保护电器动作，系统仍能继续运行；若一旦再发生一点接地就可能会造成系统短路中断供电。
为进一步说明直流系统两点接地的危害，请看下图：
1、A点与B点同时接地，继电器加全压可能引起保护误动。
2、A点与C点同时接地，继电器加全压可能引起保护误动。
3、A点与D点同时接地，继电器加全压可能引起保护误动。
4、A点与E点同时接地，直接引起直流母线短路。
5、A点与F点同时接地，有可能引起保护误动。
6、B点与E点同时接地，引起保护拒动和短路。
7、D点与E点同时接地，引起保护拒动和短路。
结论：
为了提高直流电源系统供电可靠性，应采用不接地运行方式。
二、直流绝缘监察装置的目的和作用：
目的：
为了防止由于直流系统两点接地可能引起特别严重后果，如断路器跳闸线圈或保护装置出口继电器接地再伴随其他一点接地，断路器将发生误跳闸。
必须装设连续工作且足够灵敏的绝缘状态监察装置。
作用：
当直流系统中任何一极对地绝缘降低至规定值或接地时，绝缘监察装置应发出灯光和音响报警信息。
三、典型直流绝缘监察装置：
长期以来电力系统所属发电厂、变电站直流系统绝缘监察装置一直沿用的是1973年由上海人民出版社出版的，由西北电力设计院、东北电力设计院编制的部颁《电力工程设计手册第二册》第十五章直流系统二次回路所设计的典型绝缘监察装置。
典型直流绝缘监察装置的工作原理结构图：
《电力工程设计手册第二册》对直流绝缘监察装置提出了下列要求：
1、直流系统中任何一极对地绝缘电阻小于系统中最灵敏的中间继电器内阻（对220V系统为20K、110V系统为6K、48V系统为1.5K）时，信号继电器应可靠动作。
2、信号继电器的内阻应保证系统中最灵敏的中间继电器一端接地时，信号继电器可靠动作，中间继电器不动作。
3、不同电压等级的直流电源绝缘监察装置继电器相关参
继电器型号DL-11、起动电流
灵敏元件线圈
阻值±10%Ω
R1、R2平衡电阻阻值±5%KΩ
动作绝缘电阻值KΩ
额定绝缘
电阻值KΩ
220V、1.4mA
30000（30K）、50W
2×1
15～25
100
110V、2.2mA
15000（15K）、25W
2×1
3.7～7.0
25
4、设计手册指出：
这种接线的基本缺点是两极绝缘均等下降时不能发出接地告警信号（拒报），因此原理上更完善的绝缘监察装置有待进一步研究。
5、设计手册指出：
同一母线上只需有一套绝缘监察装置即可满足运行要求，ХХ直流网络的工作可靠性。
6、运行经验表明：
当直流系统正负两极绝缘差值达到一定数值时、其中一极对地绝缘电阻已不满足规程要求，但不发出接地告警信号（拒报）。
（30.5/12.2、100/25）
当直流系统正负两极对地绝缘电阻均满足规程要求，但两者数值差值达到一定数值时、仍发出接地告警信号（误报）。
（190/30）
7、2004版国家电网公司直流电源系统运行规范规范第二十八条直流系统故障处理预案
（1）220V直流系统两极对地电压绝对值超过40V或绝缘降低到24kΩ以下，48V直流系统任一极对地电压有明显变化时，应视为直流系统接地（30Х1.4＝42V）。
四、微机直流绝缘监测装置的出现与发展：
上个世纪九十年代中期我国电力事业得到快速发展，大机组、高电压、相继出现，跨区域大电网相继形成，90年代后期电网内变电站全面进入无人值班实施改造阶段，进入21世纪提出了建设智能电网的奋斗目标，为此对电网变电站直流电源系统提出了更高的技术要求和运行指标。
直流系统绝缘检测技术由最初的单一系统接地报警功能和人工拉路寻找接地点的技术。
发展到目前，直流系统绝缘检测技术已具有系统接地或绝缘降低等各种运行工况的绝缘检测和支路选线及系统绝缘信息显示U、U＋、U-、R＋、R-，以及交流窜电、直流互窜等功能的测记和报警及预警功能。
1、微机直流绝缘监测装置原理结构图：
2、目前微机直流绝缘监测装置存在的主要问题
电力系统长期的运行经验和认知的理念，发电厂、变电站直流系统发生一点接地系统仍能继续维持运行，但应立即报警、尽快消除，否则再发生一点接地就会形成两点接地，很有可能造成保护装置误动、拒动，或直流系统短路等故障。
随着变电站规模的扩大、变电容量的增加、站内电子设备的大量使用等因素，使得变发电厂和电站直流系统正负母线对地电容量的大量增加，随之给电网带来“直流系统一点接地引起保护装置误动”的频繁发生。
研究进一步表明：
“直流系统一点接地引起保护装置误动”频繁发生与直流绝缘监测装置有着密不可分的关系。
究其原因：
一是直流设备成套厂和直流绝缘监测装置专业生产厂家对系统绝缘监测装置的需求和目的认知不是十分清楚，对电力系统二次回路接线及《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》精神不是十分了解，一味追求系统对地绝缘电阻的测量精度、而忽视了装置在各种运行工况下检测正负极母线对地绝缘电阻时，引起系统正负母线对地位移电压、波动电压的变化范围。
为了能精确检测出系统正负母线对地绝缘电阻，人为随意加大或减小平衡桥和检测桥电阻的阻值。
最终导致装置在检测直流系统正负极对地绝缘电阻时，造成直流系统正极对地电压只有几伏、负极对地电压几乎是全电压，严重地威胁着系统安全稳定可靠运行。
二是直流绝缘监测装置至今没有其相关技术标准，成套厂及专业生产厂家无标准可依。
所生产的产品从检测原理、装置的结构、平衡桥和监测桥电阻阻值的选择、以及检测桥启动方式等存在着较大的差异，甚至有的绝缘监测装置对直流系统安全运行构成一定的威胁。
五、直流一点接地引起保护误动的机理分析
为搞清直流系统一点接地引起保护装置误动的机理，编写组首先对系统多起保护装置出口继电器误动案例进行了调查统计。
通过理论分析、模拟试验验证，最终得出令人信服满意的结论，造成保护装置出口继电器误动的原因应同时具备以下三个条件：
直流一点接地引起保护出口继电器误动原理图
1.保护出口继电器线圈正电源侧发生接地；
2.当直流系统正负母线对地电容达到一定数量级时（由于不同保护厂家、不同继电器、其内阻不同、所需要的能量也不同；继电器误动模拟试验表明：
直流系统正负极对地电容均起作用；同时电容器存储的能量与电容器容量成正比，与电容器所充电的电压平方成正比；因此在这里只定性而不定量。
电容器所储电能为AC＝（1/2）CUC2×10-6（W.S）
3.在保护出口继电器线圈正电源侧未发生接地之前，直流系统正极对地绝缘电阻降低，负极对地电压已达到保护出口继电器动作电压。
保护误动机理分析
本来出口保护继电器正电源侧一点接地相当于系统负极高阻接地，本应按照回路电阻分压的规律重新分配电压。
但由于直流系统对地存有大量的电容。
对含有电容或电感的电路在电路电源的突然接通或切断、电源瞬时值的突然跳变和某元件接入或被移去统称为换路。
在电路换路的瞬间，电容器两端的电压UC是不能突变的。
此时电容器上的电压一定会对继电器线圈放电，电容器上的电压UC随时间而降低的速度决定于放电电路的时间常数T＝RC。
每经过一个时间常数的放电时间就会降低初始值的37%，一般经历3―5个时间常数可认为过度过程基本结束。
只要电容器上的电压在t1放电时间内，大于继电器动作电压，就有可能引起保护误动。
六、防止保护出口继电器线圈正电源侧一点接地引起保护误动的技术措施
防止或杜绝直流系统一点接地引起保护误动的措施，就是使其三个条件中只要不具备其中任何一个条件，均可防止一点接地引起保护出口继电器的误动。
三个条件当中的直流系统对地电容，从目前的技术和管理手段暂时是无法避免和消除的；直流系统保护出口继电器线圈正电源侧一端接地，也是无法避免和消除的；
三个条件当中两个条件是无法避免和消除的，剩下的只有直流系统负母线对地电压不超过保护出口继电器动作电压这唯一的因素。
如何规范直流绝缘监测装置检测原理，电路结构，平衡桥检测桥及元器件相关参数的选择与配合，使直流绝缘监测装置在各种运行工况和绝缘检测过程中、系统正负母线对地电压的压差绝对值不超过额定电压的10%，即直流系统负极（母线）对地电压不超过额定电压的0.55倍或额定电压的55%。
七、科学合理选择装置平衡桥与检测桥的阻值：
为了提高直流电源系统供电可靠性，应采用不接地运行方式；为了能够实时监测系统正负母线任何一极对地绝缘电阻降低或接地故障，必须在系统正负母线之间设置一组平衡桥；同时该桥可将系统正负母线对地电压嵌制在一个相对平衡对称的状态、理想状态下系统正负母线对地电压各为系统电压的50%。
选择和确定平衡桥电阻的阻值是直流绝缘监测装置核心，选择和确定平衡桥电阻阻值的原则：
1、直流绝缘监测装置平衡桥电阻阻值的选择原则：
在装置接于负电源一极的平衡桥发生损坏或开路时，保护出口继电器线圈所分配的电压应小于系统正极对地电压。
2、直流绝缘监测装置平衡桥电阻阻值的确定
2.1、条件一：
当系统负极对地绝缘电阻为装置最大测量范围值（999kΩ）时、允许系统正极对地绝缘电阻越小越好，也就是引起系统保护误动风险因数的概率越低。
平衡桥电阻
阻值
系统负极对地绝缘电阻处
在测量范围最大时（999k）
要求系统正极对地绝缘电阻应不小于的阻值（xxxk）
30
30//999=29.125、29.125/1.222=23.83、
23.83=30X/30＋X、X=115
50
50//999=47.616、47.616/1.222=38.966、
38.966=50X/50＋X、X=176
100
100//999=90.9、90.9/1.222=74.386、
74.386=100X/100＋X、X=290
2.2、当系统正极对地绝缘电阻为预警值（100kΩ）时、要求系统正负极对地绝缘电阻差值越大越好，也就是引起系统保护误动风险因数的概率越低。
平衡桥电阻
阻值
系统正极对地绝缘电阻处在
预警值时（100k）
要求系统负极对地绝缘电阻应不小于的阻值（xxxk）
30
30//100=23.07、23.03X1.222=28.19、
28.19=30X/30＋X、X=467
50
50//100=33.33、33.33X1.222=40.73、
40.73=50X/50＋X、X=220
100
100//100=50、50X1.222=61.1、
61.1=100X/100＋X、X=157
2.3、绝缘监测装置平衡桥回路任意电阻损坏或开路，同时继电保护出口继电器线圈正电源侧发生接地（继电器内阻20kΩ），不得造成一点接地因“电阻分压”引起的继电保护出口继电器误动。
平衡桥
电阻值
装置平衡桥负极电阻损坏
保护出口继电器线圈接地
要求系统正极对地
绝缘电阻应不小于的阻值
25
ZJ=20、
25X/25＋X=20、5X=25X20、X==100
30
ZJ=20、
30X/30＋X=20、10X=30X20、X==60
结论
平衡桥阻值为25k、30k时、正极只要小于100k、60k时都可能发生误动。
2.4、通过上述分析计算，直流绝缘监测装置平衡桥应为：
220V为30kΩ、110V为15kΩ、
3、直流绝缘监测装置检测桥电阻阻值的确定
3.1、强调装置在正常运行中和支路检测选线过程中系统正负母线对地位移电压和波动电压的压差绝对值不超过系统额定电压的10%。
如何才能保证绝缘监测装置在各种运行工况和检测过程中，系统正负母线对地位移电压和波动电压的压差绝对值不超过系统额定电压的10%，通过理论分析和数学模型得知装置检测桥的阻值原则上应为平衡桥阻值的5倍以上。
监测桥与平衡桥的倍数、
系统总电阻变化规律
直流系统对地电压变化规律与波动范围
倍
数
投入监测桥电阻后与R1关系
投入监测桥电阻装置总阻值RΣ变化
直流电源系统正极对地
电压（U+）
直流电源系统负极对地
电压（U-）
1
0.50R1
2R1→1.50R1
0.5U→0.33U/76V
0.5U→0.66U/154V
2
0.66R1
2R1→1.66R1
0.5U→0.40U/92V
0.5U→0.60U/138V
3
0.75R1
2R1→1.75R1
0.5U→0.43U/99V
0.5U→0.57U/131V
4
0.80R1
2R1→1.80R1
0.5U→0.445U/102V
0.5U→0.555U/128V
4.5
0.818R1
2R1→1.818R1
0.5U→0.45U/103.5V
0.5U→0.55U/126.5V
5
0.83R1
2R1→1.83R1
0.5U→0.454U/104V
0.5U→0.546U/126V
6
0.857R1
2R→1.857R1
0.5U→0.462U/106V
0.5U→0.538U/124V
7
0.875R1
2R→1.875R1
0.5U→0.466U/107V
0.5U→0.533U/123V
8
0.888R1
2R→1.888R1
0.5U→0.471U/108V
0.5U→0.529U/122V
9
0.90R1
2R1→1.90R1
0.5U→0.474U/109V
0.5U→0.526U/121V
10
0.909R1
2R1→1.909R1
0.5U→0.476U/109V
0.5U→0.524U/121V
说明
未投入检测桥时:
U+=U-=U/2R=0.5U；
投入1倍检测桥后:
U+=0.5RU/（0.5R+R）=0.5RU/1.5R=0.33U=75.9V；
投入4.5倍检测桥后:
30×4.4=135、30//135=24.545、24.545/30=0.818R
U+=0.818RU/（0.818R+R）=0.818RU/1.818R=0.45U=0.45×230=103.5V；
投入10倍检测桥后:
3010=300、30//300=27.27、27.27/30=0.909R；
U+=0.909RU/（0.909R+R）=0.909RU/1.909R=0.476U=109.48V。
3.2、检测桥的电阻值原则上应为平衡桥阻值的5倍以上。
4、直流绝缘监测装置平衡桥与检测桥的阻值选择应从直流系统正负母线对地位移电压、对地波动电压以及引起保护误动风险因数的大小等多方面统筹兼顾科学合理配置。
小结：
根据上述计算分析装置平衡桥的电阻值应选择：
220V为平衡桥阻值为30kΩ、检测桥阻值为150kΩ；
110V为平衡桥阻值为15kΩ、检测桥阻值为75kΩ。
八、直流绝缘监测装置工作原理
直流系统绝缘监测原理为直流电压检测法：
当直流系统正负母线对地绝缘电阻发生变化，必然引起直流系统正负母线对地电压的变化；装置通过采样回路可得到系统正负母线对地电压的前后两次电压值，即V1＋、V1-，V2＋、V2-及已知平衡桥的阻值，装置通过软件便可计算出系统正负对地绝缘电阻值。
直流系统支路绝缘监测原理目前有两种检测法，即直流漏电流检测法和低频信号注入法。
直流漏电流检测法：
采用直流有源CT，每个CT内含CPU，被检信号直接在CT内部转换为数字信号，由CPU通过串行口上传至绝缘监测仪主机。
支路检测精度高、抗干扰能力强。
所有支路的漏电流检测同时进行，支路巡检速度高，可检测和显示支路正负极对地绝缘电阻。
该方式的优点是无需向母线注入交流信号，受接地电容的影响小，能识别接地母线的极性，能测量双端接地。
缺点是成本高于交流CT，环境温度和工作电压的波动影响测量精度。
低频信号注入法：
较早的绝缘监测仪对于支路电阻检测基本上都采用了小信号注入法，即当母线检测接地异常时，将一个约5～20V，5～25Hz的低频信号注入母线，交流CT通过锁相技术等方式便可检测到不平衡电流即漏电流，然后再通过数据线将检测信号送至主机做响应处理。
该方式CT结构简单、成本较低。
一但注入交流信号的幅值或频率及低频信号源选择不当，容易引起保护误动或干扰设备正常运行，检测精度受接地电容影响，不能识别母线接地极性。
当系统对地存在较大电容电流时，会影响装置的正确判断。
研究表明：
当电容电流大于监测装置对地绝缘电阻漏电流时，发生选线错误。
下面列出绝缘电阻分别为10kΩ、20kΩ时，在不同电源频率下，使装置误发信号的系统对地电容值和不同电源电压时的动作电流值。
绝缘电阻值（kΩ）
不同信号电源频率（Hz）下
导致误动作的对地电容值（μf）
不同信号电源电压（V）下装置的动作电流（mA）
5Hz
10Hz
15Hz
20Hz
25Hz
5V
10V
20V
10
3.18
1.590
1.06
0.796
0.636
0.5
1.0
2.0
20
1.59
0.796
0.53
0.389
0.318
0.25
0.5
1.0
九、电压偏差补偿桥
直流系统正负母线对地绝缘是由直流系统各个单元设备对地绝缘和整个供电网络对地绝缘共同构成的。
因此直流系统正负母线对地绝缘电阻是一个多参数、多组合，不确定的运行工况。
往往出现直流系统正负母线对地绝缘电阻均满足规程要求，但系统正负母线对地绝缘电阻偏差较大，一旦系统负极对地电压与正极对地电压比值大于1.222，若此时保护出口继电器线圈正电源侧发生接地，很有可能造成保护装置出口继电器误动。
当系统出现上述正负母线对地电压比值大于1.222时，装置绝缘诊断分析系统应及时作出响应，并采用模糊控制理论投入电压偏差补偿桥，使其处在一个相对平衡对称状况下，同时装置应发出相应的告警信息，告知运维人员尽快消除系统绝缘缺陷。
同时要求装置应具备实时、快捷、准确检测直系统各种绝缘降低或接地工况的检测功能和报警、预警功能；同时具备交流窜电、直流互窜检测和报警功能；同时装置应具备自检功能和故障报警等功能。
十、检测桥的多种启动方式
为了尽可能减少绝缘检测的盲区或死区，装置应设置检测桥的多种启动方式
1、产品开机自行启动
2、产品断电恢复后自行启动；
3、每天定时启动（现场可设置）；
4、正负母线对地电压压差变化（现场可设置）；
5、人工启动。
之所以规定了这么多的条件：
主要的目的是在系统绝缘发生接地或达到预警及异常状态时，便于运维人员尽快、准确判断出系统绝缘状况，尽可能消除运维人员由于多支路并联或显示数据不规范造成的不必要的误判断。
十一、直流绝缘监测装置的配置原则
为了防止由于两点接地可能发生的误跳闸，必须装设连续工作且足够灵敏的绝缘状态监察装置，对直流系统进行实时绝缘检测。
直流系统绝缘监测装置应具有较高的绝缘故障监测灵敏度和绝缘阻值测量精度，应能连续长期运行，必须具有防止直流系统一点接地引起保护误动的功能。
绝缘监测装置分主机和分机之分，主机是配置平衡桥电阻和检测桥电阻、分机是不配置平衡桥电阻和检测桥电阻。
为了实时监测直流电源系统的绝缘状况，系统发电厂、变电站每套直流电源系统应配置一套直流绝缘监测装置（主机）。
220kV及以上变电站应按蓄电池组数量配置相应数量的直流微机绝缘监测装置（主机）。
同一变电站内两段独立的直流母线应在各自的直流主屏上应各配置一套同型号、独立的直流绝缘监测装置（主机）。
直流分电屏应配置直流接地选线装置（分机），不应再配置微机绝缘监测装置（主机）。
独立运行的两段直流母线，若需要短时间并列运行时，应退出其中一套绝缘监测装置及断开平衡桥接地回路。
十二、关于直流电源系统标称电压、额定电压在电力行业标准并一致的问题
DL/T459电力系统直流电源柜订货技术条件
3.6直流标称电压directnominalvoltage
用直流系统中受电设备的直流额定电压表示。
3.7直流额定电压directrated
用供电设备的直流额定电压表示。
4.2.3直流额定电压
50,115,230V。
4.2.4直流标称电压
48,110,220Vo
DL/T5044电力工程直流系统设计技术规程
3.06标称电压
系统被指定的电压。
3.07电气设备额定电压
根据规定的电气设备工作条件，通常由制造厂确定的电压。
条文说明：
7设备选择
7.1.1蓄电池个数：
蓄电池个数是由单体电池正常浮充电电压值和直流母线电压确定。
其中直流母线电压取1.05倍直流系统标称电压值，是考虑允许用电设备有5%电缆压降，以保证正常运行时电压不低于额定值。
目前在运的蓄电池组绝大部分为阀控铅酸蓄电池，直流电源系统运行方式全部为浮充运行方式，根据DL/T5044规定其电压应是标称电压的1.05倍，即220X1.05=230V。
解读：
直流母线在浮充运行方式下，其电压为1.05倍直流系统标称电压值。
在低压和中压电网中的交流电源额定电压均为标称电压的1.05倍。
220X1.05=231≈230、380X1.05=399≈400、
6KVX1.05=6.31KV、10KVX1.05=10.5KV、20KVX1.05=2.1KV
在高压及以上电网中的交流电源额定电压均为标称电压的1.1倍。
35KVX1.1=38.5KV、60KVX1.1=66KV、110KVX1.1=121KV。
220KVX1.1=242.KV、330KVX1.1=363.KV、500KVX1.1=550.KV、
电力行业DL/T478一2010继电保护和安全自动装置通用技术条件
本标准由全国电力企业联合会提出。
本标准由全国电力行业继电保护标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：
国电南京自动化股份有限公司、南京南瑞继保电气有限公
司、北京四方继保自动化股份有限公司、中国电力科学研究院、华东电力设计院、许继电气股份有限公司。
电力行业DL/T478一2010继电保护和安全自动装置通用技术条件4.2额定电气参数4.2.1直流工作电源输入：
a）额定电压：
220V、110V；b）允许偏差-20%∼+10%；c）-10℃∼+70℃。
4.5.3.2电压型继电器的启动电压值不大于0.7倍额定电压值，且不小于
0.55倍额定电压值。
同是电力行业标准：
继电保护和直流电源标准：
对直流电源标称电压和额定电压含义和规定都不统一、各不相同。
继电保护专业：
额定电压：
220V
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