直流系统绝缘监测技术研究与应用

摘要：针对目前常用绝缘检测装置采用的检测原理存在的不足，提出一种改进的绝缘检测方法。检测电路由主回路和支路2个部分组成。利用MSP430单片机采集、处理霍尔电流传感器信号，判断电路的绝缘情况并计算绝缘电阻大小。检测结果表明该方法有效、实用。
关键词：绝缘监测；接地故障；故障定位；单片机应用

    电力系统中，直流电源系统是为变电站中的保护、监控、监视、记录等自动化装置提供电源的多分支网络。它的安全运行，对整个电力系统的安全运行起着至关重要的作用。直流接地是直流操作系统常见故障之一，一般情况下，单点接地并不影响直流系统的运行，但如果不能迅速找到故障点并修复而发生另一点接地故障时，就可能引起重大故障。
    目前，绝缘检测装置采用的检测原理主要有电桥平衡原理和变频探测原理，两种检测原理的装置都能在一定程度上解决直流接地问题，但也存在着不足，基于电桥平衡原理的绝缘检测装置无法检测正、负母线绝缘同等下降的情况，也不能区分多支路故障。而后者则易受直流系统对地分布电容的影响，并且注入的低频交流信号增大了直流系统的电压纹波系数，影响电源的质量。文中旨在介绍一种在线绝缘检测方法，并基于msp430单片机予以实现。

1 原理介绍
    原理图如图1所示。图中CM+、CM-为正负母线。U+、U-为正、负母线电压。Jk1、Jk2为继电开关，R为精密电阻。R+、R-为正、负母线发生绝缘故障时的对地电阻。Dt1、Dt2为高精度霍尔电流传感器，其输出电压与通过环孔的电流差成正比，并且成线性关系。所以，利用采样电流传感器输出的电压，经过换算成电流，再利用欧姆定律获得正、负母线电压U+、U-，则电源电压U=U+ - U-。

    在直流系统正常工作情况下，电子继电开关Jk1、Jk2保持闭合。R+、R- 一般趋近无穷大，此时，U+=-U-。当发生绝缘接地故障时，则R+或R-为有限值，此时U+≠-U-，当R+≤R-时，则有U+≤-U-，反之亦然。如果发生R+=R-都为有限值时，即正负母线绝缘电阻同等下降，此时U+=-U-，则需要进一步进行检测，检测步骤如下：
    1)断开继电开关Jk2，保持Jk1闭合，测得正、负母线电压对地分别记为：U+1，U-1；
    2)断开继电开关Jk1，保持Jk2闭合，测得正、负母线电压对地分别记为：U+2，U-2；
   
   
    这里需要说明下，这里用到的霍尔电流传感器的电流量程为0～10 mA，所以对于一般直流220 V电源，结合电流传感器的精度，精密电阻R一般的选择为20～100 kΩ。

2 硬件实现
2．1 绝缘主回路
    具体实现电路图如图2所示。

    对电子继电器AQW214的用法作简单说明：当AQW214的1、2脚导通时，7、8脚也导通，并且导通的内阻很小；同理3、4脚导通时，5、6脚也导通。AQW214的耐压值可以达到400 V，即当7、8脚或5、6脚步导通时其两端可承受400 V的电压，所以可以通过单片机的P10和P11引脚来控制电子继电器的导通与否从而达到控制Jk1和Jk2的通断。具体控制和实现过程在前文中已做过阐述，这里不再赘述。
    需要说明的是，图中所标定的数值只适用于一定的电源电压范围(24～300 V)，电源电压过低则易受霍尔电流传感器的精度的影响而测量不准确，过高则会超越霍尔传感器的电流量程以及电子继电器的耐压值，所以可以根据实际情况，更换适当的器件以达到要求。
2．2 绝缘支路
    由式(1)通过计算得知直流系统是否发生了绝缘降低故障，但还需要确定是配电母线还是某个或者某些馈电支路发生了接地故障。

    如图3所示，当支路没有发生接地故障时，支路馈线电流I0=I1，通过电流传感器的电流差为0，其输出电压也为0；当发生接地故障时，I3=I0-I1不为0，电流传感器输出电压不为0。设此时正、负母线电压为U+、U-。则第n条支路的对地
   
    对于多支路，可以采用多路开关如CD4051进行选通控制，如图4所示，当发生支路绝缘接地故障，检测系统启动支路绝缘电阻巡检程序，通过单片机向CD4051芯片的A、B、C引脚发送信号，依次选通支路，查看发生故障的支路数并进行接地电阻的计算。(图中COM端连接一模拟电路接入单片机AD采样端口，此处略去)。

3 结束语
    文中介绍的绝缘检测方法在实际应用中取得了不错的效果，不仅能够解决正负母线同等下降的问题，而且不影响电源质量，达到了初始设计的要求。但经过长时间的实践也发现了不足，比较突出的是电流传感器在使用较长时间，并且受到周围环境电磁影响下，易发生漏电流零点漂移的情况。需要在软件中加以矫正或者进行支路断电后的零点校准，否则，易出现漏报或误报的情况。但考虑两者在实际应用中都存在着一定的弊端，笔者在做进一步研究，以期得到改善。