★ 吕阳星，罗嘉城，林昌榕，刘泉，曹沁婕（国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，福建 龙岩 364000）

关键词：直流电源系统；保护误动；故障定位；绝缘装置

1   绝缘监测技术发展现状

上世纪九十年代以前，微机技术尚未在电力行业广泛应用，直流电源系统的绝缘监测普遍采用漏电流检测方法判断其绝缘状态^[1]，俗称为绝缘监测继电器。

如图1所示，电阻R₁、R₂和继电器J组成绝缘监测电路的基本元件。在直流电源系统正、负极各接入一个阻值相等的电阻R₁和R₂，两者中间经漏电流检测继电器J线圈接大地，继电器J选用直流小电流继电器^[2]。电阻R₊和R_-分别是直流电源系统正极和负极的对地电阻。当直流电源系统正负极绝缘均正常时， R₁和R₂的短接点A电压为0，继电器J线圈两端无电压，线圈中没有电流流过，继电器J不动作，表明没有发生接地故障。当正极或负极发生接地故障时继电器J流过不平衡电流，通过接点发出直流接地告警。当R₊=R_-或R₊=R_-=∞时，A电压为0，继电器J线圈两端无电压，线圈中没有电流流过，继电器J不动作，即正负极同时发生绝缘下降时，绝缘继电器无法告警。也就是说，正负极绝缘良好时，流过继电器中的电流为0，而正、负极绝缘电阻相同时，流过继电器的电流也为0。不管正、负极绝缘电阻多大，绝缘监测继电器不动作。因此，早期的直流系统绝缘监测的技术缺陷比较明显。

随着微机技术的发展和应用，绝缘监测全部采用微机技术原理，其主要有两种方式：平衡桥检测原理和平衡桥与切换桥相结合的双桥检测原理。其中，平衡桥检测原理是将2个阻值相同的电阻串联后并接在直流电源系统里正极母线与负极母线之间，在电阻中间与大地相连。系统绝缘正常时，因系统正负极对地绝缘状况良好，平衡桥电阻能把系统的正负极对地电压维持在接近系统母线电压的一半，正负极对地电压处于平衡状态。然而，当某一极发生绝缘变化时，原来对地电压平衡状态将会被打破，从而导致正负极对地电压发生偏移，此时绝缘监测装置通过检测正负极对地电压大小来进行接地电阻值大小的计算。例如发生单极接地故障后，正极电压为V₁，负极电压为V₂，正极等效桥电阻为R_a，负极等效桥电阻为R_b。为了简化计算公式可以近似于R_a=R_b，其中V₁和V₂为当前已知的测量量，  R_a、R_b也为已知量。

正极接地（V₁<V₂）时，计算公式如式（1）所示：

进一步化简为式（2）：

R_－默认为无穷大。

负极接地（V1>V2）时，计算公式如式（3）所示：   

进一步化简为式（4）：

R₊默认为无穷大。

该检测原理是在发生单极接地故障、而另一极无接地的应用场景下进行计算的^[3]。当两极都发生接地故障或绝缘程度同时发生下降时，直流母线正负极对地电压基本无任何变化。这种情况下利用平衡桥检测原理是无法对系统对地绝缘电阻进行计算的。因此，平衡桥原理无法检测两极接地的故障。

为了解决两极接地故障的检测问题，行业引入了平衡桥与切换桥相结合的双桥检测原理^[4]。系统绝缘检测电路如图1-3所示， R1为平衡桥电阻， R2为检测桥电阻， R3、R4为系统正负对地绝缘电阻， K1、K2为检测桥电子控制开关。其启动的方式有正负母线对地压差、正负母线对地电压变化量、设定时间等多种方式。装置通过控制K1、K2的闭合与断开状态测量正、负极对地电压的大小，再根据电压的关系即可计算出正负极对地电阻R3、R4 的大小。因此，平衡桥与切换桥相结合的双桥检测原理可以满足两极接地的检测要求。

图1 双桥检测原理示意图

双桥检测的具体推算公式如下：

步骤一：断开K1、闭合K2时，分别测量母线对地电压分别为V₁₊、V_1-。根据电阻分压原理可得公式（5）

步骤二：闭合K1、断开K2时，分别测量母线对地电压分别为V₂₊、V_2-。根据电阻分压原理可得公式（6）

公式（5）和公式（6）中， R₁为平衡桥电阻， R2为切换桥电阻，两者均为已知量；V₁₊、V_1-和V₂₊、V_2-为测量量，已知量；R3、R4为未知量。根据二元一次方程的计算原理，可得出正负极对地电阻R3、R4 的大小。

2   新绝缘装置设计

随着电力电子技术的高速发展，变电站的建设规模或电压等级不断扩大，各种继电保护装置、自动化设备等数量也在持续增加^[5]。为增强抗干扰能力，大多数设备会在其工作电源侧增加抗干扰的共模电容，增加了直流电源系统对地电容。同时，现场大量长电缆投入使用，而电缆屏蔽层通常采用两端接地方式，电缆中间的电线芯与其周围的屏蔽层之间存在着电容效应，且电缆线路越长，其分布电容效应就越大，造成了电缆芯线对地的分布电容。为了防止保护误动，现有绝缘监测装置的行业标准《DLT 1392-2014直流电源系统绝缘监测装置技术条件》首次提出了“保护误动风险因数”概念，并利用大篇幅的文字、要求去防范此类事件的发生。

在绝缘电阻测量过程中，闭合或断开切换桥容易导致负极对地电压超过母线的55%。当保护出口继电器在线圈正电源侧发生一点接地时，偏移后的对地电压会造成保护装置误动。针对该问题，本文提出了单臂检测电桥技术。

传统的绝缘监测装置基本采用双桥检测原理，即平衡桥和切换桥相结合的方式。在工作过程中，装置在正极投入检测桥，并同时在负极断开检测桥，必然会引起系统负极母线对地电压的抬升，造成系统正负极母线对地电压大幅度波动。如果切换桥和平衡桥电阻参数比例选择得不合理，波动的幅度可能超过行业标准的规定。因此在绝缘装置切桥检测过程中，如果不能对系统负极对地电压波动范围加以控制和管理，极可能使负极对地电压达到保护出口继电器的动作电压下限，从而为继电保护误动作提供了动作的有利条件。因此本文提出了另一种单臂检测原理，其电路示意图如图3所示 。该方案取消了正极侧的切换桥电阻，仅保留负极对地的检测桥电路，故称为负极“单臂”检测桥。在绝缘检测过程中，正极不投入检测桥，检测电阻只并联在负极和大地之间，因此不会因绝缘装置工作原因导致直流母线负极对地电压的升高，反而能够使其减小。因此，该方案控制了负极对地电压的波动变化范围，故在绝缘检测过程中能够有效降低一点接地导致的继电保护误动的风险。

单臂检测电桥的具体推算公式如下：

步骤一：单臂桥电阻R₃未投入时，分别测量母线对地电压分别为V₁₊、V_1-。根据电阻分压原理可得公式

步骤二：投入桥电阻R3 时，分别测量母线对地电压分别为V₂₊、V_2-。根据电阻分压原理可得公式

公式（7）和公式（8）中，  R₁ 、R₂为平衡桥电阻，已知量；R₃为切换桥电阻，已知量；V₁₊、V_1- 和VV₂₊、V_2-为测量量，已知量； R4 、R₅ 分别为正负极对地绝缘电阻值，未知量。根据二元一次方程的计算原理，可得出正负极对地电阻R4、R₅ 的大小。

3   应用测试

在直流系统正极对地绝缘降低的情况下，在光耦正电源侧接地（分别模拟100k欧姆、150k欧姆、200k欧姆的内阻，在绝缘检测装置动作前，光耦未动作）时，装置检测桥的投切不应使直流系统负极对地电压超过系统额定电压的55%。

如图4所示， R1、R2分别为装置的平衡桥， R3为装置的单边切换桥， Rj为光耦或继电器接地等效内阻。在光耦正电源侧接地，即是在直流系统负极接地。分别设置光耦或继电器接地等效内阻Rj为100k欧姆、150k欧姆、200k欧姆三种工况，对比分析装置检测桥的投切引起直流系统负极对地电压的变化情况，结果如表1所示。

图4 测试等效电路模型

表1

由表1数据可知，当光耦或继电器接地等效内阻Rj为100k欧姆时，装置在启动切换桥检测绝缘过程中，负极母线对地电压由97.0V下降到87.7V，波动幅度为9.3V，投切过程中未出现负极对地电压升高的现象。

当光耦或继电器接地等效内阻Rj为150k欧姆时，装置在启动切换桥检测绝缘过程中，负极母线对地电压由99.7V下降到90.7V，波动幅度为9.5V，同样未出现负极对地电压升高的现象。

当光耦或继电器接地等效内阻Rj为200k欧姆时，装置在启动切换桥检测绝缘过程中，负极母线对地电压由101.0V下降到91.6V，波动幅度为9.4V，依旧不存在负极对地电压升高的现象。

实验结果表明，本文所提出的负极单臂桥检测原理在检测桥投切时不会引起直流系统负极对地电压升高。

4   结语

综上所述，随着电力系统的发展，传统绝缘监测技术的缺陷逐渐显现，而新的监测原理和技术不断涌现。从早期的绝缘监测继电器，到平衡桥检测原理，再到平衡桥与切换桥相结合的双桥检测原理，直至本文提出的单臂检测电桥技术，都是为了更好地解决绝缘监测中的各种问题，特别是防止继电保护误动^[2]。

未来，随着电力系统向智能化和复杂化方向持续发展，直流系统绝缘监测技术仍需不断创新和完善。一方面，要进一步提高绝缘故障监测的灵敏度和绝缘阻值测量的精度，以更准确地发现和定位绝缘故障；另一方面，要持续优化监测技术，降低因各种干扰因素导致的误动风险，确保电力系统安全可靠运行。同时，还应加强对绝缘监测技术的标准化和规范化管理，为行业的健康发展提供有力保障。 

作者简介：

吕阳星（1986-），男，福建漳平人，高级工程师，本科，现就职于国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，研究方向为电气工程及其自动化。

罗嘉城（1999-），男，福建龙岩人，硕士，现就职于国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，研究方向为电气工程。

林昌榕（1990-），男，福建龙岩人，高级工程师，硕士，现就职于国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，研究方向为电气工程及其自动化。

刘   泉（1998-），男，福建龙岩人，助理工程师，本科，现就职于国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，研究方向为电气工程及其自动化。

曹沁婕（1992-），女，福建龙岩人，工程师，硕士，现就职于国网福建省电力有限公司龙岩供电公司，研究方向为电气工程。

参考文献：

[1] 汪永华, 曹文霞. 电工基础[M]. 北京: 中国电力出版社, 2024.

[2] 万伟. 直流系统分布电容的来源及影响分析[J]. 电工技术, 2017, (2) : 26 - 27 + 37.

[3] 唐文秀. 直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策[J]. 电力自动化设备, 2007, (9) : 123 - 125.

[4] 门宏. 电子元器件识别与检测[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2020.

[5] 张焕青, 雷鸣, 王汇, 等. 直流供电系统电容在线测量器的设计与应用[J]. 电网与清洁能源, 2018, 34 (5) : 19 - 24.

摘自《自动化博览》2026年8月刊