直流系统绝缘监察——正、负极对地绝缘电阻的监测

——正、负极对地绝缘电阻的监测
[摘要] 给出常见的三种直流系统电压测量及绝缘监视电路的动作原理；直流系统正、负极对地绝缘电阻的测量方法；直流系统正、负极对地绝缘电阻的计算公式及其推导过程。

[关键词]：直流系统正极负极绝缘监察绝缘电阻计算公式
[前言]直流系统在发电厂和变电所中具有重要的位置。

要保证一个发电厂或变电站长期安全运行，直流系统的绝缘问题是不容忽视的。

直流系统在正常运行时，正负极均不接地。

发生一点接地时，接地点没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍可继续运行，但也必须及时发现、及时消除。

否则再发生另一点接地时，有可能引起控制回路、继电保护回路的误动作。

为了监视直流系统的绝缘状况，必须装设绝缘监察装置，运行人员可使用该装置经常测量直流系统的绝缘电阻，使其保持在0.5MΩ以上。

为了帮助深入理解直流系统绝缘监察的监测原理，本文着重讨论直流系统正、负极对地绝缘电阻的测量方法及计算公式的推导、说明，以供学习、参考。

一、最简单的绝缘监察装置
最简单的绝缘监察装置是采用一只或两只高内阻的电压表，如图一接线。

图一最简单的绝缘监察装置
图一（a）采用一只电压表。

用切换开关分别测量正、负极对地电压。

若电压表指示均为零，表明两极对地绝缘良好（电压表的内阻远小于正、负极对地绝缘电阻）；若测量一极有电压指示，则表明另一极有绝缘损坏，绝
缘电阻越小，电压指示越大；若测量一极电压指示直流母线电压，则表明另一极接地。

图一（b）采用两只电压表。

当两极绝缘良好时，两只电压表指示相同，均为母线电压之半，若一极绝缘电阻下降为零，则接该极的电压表指示降为零，另一只电压表指示上升为母线电压；若某极绝缘电阻下降但尚未达到零，则接该极的电压表指示在零与一半母线电压之间。

无论何种情况，两只电压表的读数和为母线电压。

二、简单的绝缘监察装置
简单的、能粗略估算正、负母线对地的绝缘电阻的直流系统绝缘监视电路，如图二所示。

图二简单的绝缘监察装置
简单的绝缘监察装置是由电压表PV1和转换开关SA组成。

根据PV1测得的电压值粗略地估算正、负母线对地的绝缘电阻，从而达到绝缘监视的目的。

转换开关SA有“m（母线）”、“—对地”、“+ 对地”三个位置可分别测得m
U、
)
(-
U、
)
(+
U三个电压，则正、负母线绝缘电阻可由下式估算：
)1
(
)
(
)
(
)
(
-
-
=
-
+
+U
U
U
R
R m
V
)1
(
)
(
)
(
)
(
-
-
=
+
-
-U
U
U
R
R m
V
式中)
(+
R、
)
(-
R——正负母线对地绝缘电阻，Ω
V
R——电压表PV1的内阻，Ω
下面对以上正负母线对地绝缘电阻)(+R 、)(-R 的计算公式进行推导。

1、不操作时转换开关SA 置“m （母线）”位置，接点SA （1—2）、SA （5—8）接通，电压表PV1指示母线电压m U 。

2、将转换开关SA 置“— 对地”位置，接点SA （1—4）、SA （5—8）接通，电压表指示负极对地的电压)(-U ，组成如图三所示的测量线路。

图三 SA 置“— 对地”位置时测量线路图
根据分压公式有：
m
V V V
m V
V
V V
m V V U R R R R R R R R U R R R R R R R R R U R R R R R U ⋅++=⋅++
+=⋅+=
-+-+---+---+--)()()()()()()()()()()()
()()(////即：
m
V
V V
U U R R R R R R R R )()()()()()(--+-+-=
++ （1）
3、将转换开关SA 置“+ 对地”位置，接点SA （1—2）、SA （5—6）接通，电压表指示正极对地的电压)(+U ，组成如图四所示的测量线路。

根据分压公式有：
m
V V V
m V
V
V V
m V V U R R R R R R R R U R R R R R R R R R U R R R R R U ⋅++=⋅++
+=⋅+=
-+-++++-+++-++)()()()()()()()()()()()
()()(////
图四 SA 置“+ 对地”位置时测量线路图
即：
m
V
V V
U U R R R R R R R R )()()()()()(+-+-++=
++ （2）
4、式（1）、式（2）联立求解正负母线对地绝缘电阻)(+R 、)(-R
式（1）÷（2）得：
)
()()
()(+-+-=
U U R R
)()
()()(++--⋅=
R U U R （3）
将式（3）代入式（1）得：
m V
V V
U U R R U U R R R R U U R R U U )()()
()()()()()
()()()
()(-++-++++-++-=
⋅+
+⋅⋅
化简后得：
)1(
)
()
()(--=-++U U U R R m V （4）
将式（4）代入式（3）求得：
)1(
)
()
()(--=+--U U U R R m V （5）
可见，若)(+U = )(-U = 0，表明直流系统绝缘良好；若)(+U = 0，
)(-U = m U ，表明正母线接地；若测得结果相反，表明负母线接地；若)(+U 、
)(-U 在0 ~ m U 之间，则可用上式估算)(+R 、)(-R 的绝缘电阻。

这种绝缘监视装置需要人工操作，主要用于小型变电所和小型水电站。

三、由电磁继电器构成的直流系统绝缘监察装置。

（）
（）由电磁继电器构成的直流系统绝缘监察装置如图五所示，它适用于单母线供电的直流系统，是电厂和变电所广泛采用的一种绝缘监视装置。

图五 由电磁继电器构成的直流系统绝缘监视电路图
它由三只1000Ω的电阻R=1R=2R=3R ，两只高内阻（100K Ω）电压表1V 、2V ，一只DL —11/2.45型电流继电器KS ，测量切换开关ST 及信号切换开关1SL 所组成。

电压表1V （有电压与电阻双刻度：150—0—150V 、0—∞—0Ω）用作测量直流系统总的绝缘电阻。

电阻2R 是带有滑动触点的电位器。

电压表2V 和转换开关ST 的作用与上面简单直流系统绝缘监视电路的作用及原理一样，可粗略估算正、负极对地绝缘电阻；用来测量母线电压及判断是正极还是负极绝缘电阻下降。

转换开关1SL 有三个位置：“正极”、“信号”、“负极”，正常时转换开关1SL 置“信号”位置，ST 置“母线”位置，1SL （7—5）、1SL （9—11）接通， ST （9—11）也接通，继电器KS 组成如图六所示的电桥。

图六 直流系统接地信号回路构成
)(+R 、)(-R 分别为正、负极对地的绝缘电阻。

当两极对地电压良好时，其绝缘电阻相等，电桥平衡，继电器KS 内无电流通过。

当某一极绝缘电阻降低时，电桥失去平衡， KS 线圈有电流通过，当绝缘电阻降低至15~20k Ω时，继电器KS 起动，常开触点闭合，接通光字牌GP 发出光字信号和音响信号。

此时，可以借助电压表2V 和转换开关ST 判断是正极还是负极绝缘电阻下降。

若测量一极有电压指示，则表明另一极有绝缘损坏，电压指示越大，，绝缘电阻越小。

下面介绍绝缘监察装置测量并计算出正对地或负对地绝缘电阻值，测量方法如下：
1、正极绝缘电阻下降（ST 置“— 对地”电压表2V 有指示）
将转换开关1SL 顺时针转至“正极”位置，接点1SL （1—3）、1SL （13—14）接通，形成如图七所示的电桥。

图七
调节电阻2R 使电压表1V 指示为零（电桥平衡），读出调节电阻指示的百分数X 。

电桥平衡式为：
)
()()2(-+-=R R
X R XR 则得： )()(2-+⋅-=
R X
X
R
将此式代入直流系统总绝缘电阻)
()()()(-+-+∑+=
R R R R R 式中，解得：
∑+-=
R X
R 22
)( （3—1） ∑-=
R X
R 2
)( （3—2） 式中，X ——电位器2R 的刻度的百分数；
∑R ——直流系统正负极母线对地的总绝缘电阻。

保持电位器2R 滑动触点位置不变，将转换开关1SL 逆时针转至“负极”位置，接点1SL （2—4）、1SL （15—14）接通，形成如图八所示的电桥，则可测出直流系统总绝缘电阻∑R （电压表1V 的欧姆指示数）。

图八
设V R 为电压表1V 的内阻，m U 为直流母线电压，将图八改画为图九所示的直流电路计算图，并假定各支路电流的参考方向。

图九 直流电路计算图
根据图九列写回路电压方程和支路电流方程：
)
1(
1
)
(
5
3
=
-
-
⋅
+
+
I
R
I
R
I
R
X
V①
)
1(
5
2
)
(
4
=
+
-
⋅
-
-
I
R
I
R
I
R
X
V②
m
U
I
R
I
R=
+
-
+2
)
(
1
)
(③5
1
2
I
I
I-
=④
5
3
4
I
I
I+
=⑤由①+②后将③代入得：m
U
I
R
X
I
R
X=
⋅
-
+
⋅
+
4
3
)
1(
)
1(⑥
将④代入③得：
)
(
)
(
5
)
(
1
-
+
-
+
+
=
R
R
I
R
U
I m
⑦将⑤代入⑥得：R
I
R
X
U
I m
2
)
1(
5
3
⋅
-
-
=⑧
将⑦、⑧代入①得：
R
X
R
R
R
R
R
R
R
R
X
U
I
V
m
2
1
)
2
1
(
2
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
5-
+
+
+
+
-
+
=
-
+
-
+
-
+
+
⑨
由式（3—2）：2
)
(
)
(
)
(
)
(
X
R
R
R
R
R
=
=
+
-
∑
-
+
+
，代入⑨得：
R
X
R
R
U
I
V
m
2
1
5.0
2
5-
+
+
=
∑
⑩
则电压表1V指示的电压
V
U为：
R
X
R
R
R
U
I
R
U
V
V
m
V
V
2
1
5.0
2
5-
+
+
=
=
∑
因R 远小于V R 及∑R ，略去R 后简化得：
V
V
m V R R R U U +=
∑5.0
可见V U 的数值与∑R 成反比关系，测量电压表1V 的欧姆指示数为：
)2(5.0-=∑V
m
V U U R R
测量电压表的盘面标有电压和电阻两种刻度，可直接读出直流系统总绝缘电阻∑R ，按式（3—1）、（3—2）计算出正极绝缘降低时的各极绝缘电阻值。

2、负极绝缘电阻下降（ST 置“+ 对地”电压表2V 有指示）
将转换开关1SL 逆时针转至“负极”位置，接点1SL （2—4）、1SL （15—14）接通，形成如图十所示的电桥。

图十
调节电阻2R 使电压表1V 指示为零（电桥平衡），读出调节电阻指示的百分数X 。

电桥平衡式为：
)
()()1()1(-+-=+R R
X R R X
则得： )()(11-+⋅-+=
R X
X
R 将此式代入直流系统总绝缘电阻)
()()()(-+-+∑+=
R R R R R 式中，解得：
∑+-=
R X
R 12
)( （3—3） ∑-+=R X
R 12)
( （3—4）
保持电位器2R 滑动触点位置不变，将转换开关1SL 顺时针转至“正极”位置，接点1SL （1—3）、1SL （13—14）接通，形成如图十一所示的电桥，则可测出直流系统总绝缘电阻∑R （电压表1V 的欧姆指示数）。

图十一
设V R 为电压表1V 的内阻，m U 为直流母线电压，将图十一改画为图十二所示的直流电路计算图，并假定各支路电流的参考方向。

图十二 直流电路计算图
根据图十二列写回路电压方程和支路电流方程：
01)(53=--⋅+I R I R I XR V ①
0)2(52)(4=+-⋅--I R I R I R X V ② m U I R I R =+-+2)(1)( ③ 512I I I -= ④
534I I I += ⑤
由①+②后将③代入得：m U I R X I XR =⋅-+⋅43)2( ⑥
将④代入③得： )
()(5
)(1-+-++=R R I R U I m ⑦ 将⑤代入⑥得： R I R X U I m 2)2(53⋅--= ⑧ 将⑦、⑧代入①得：R X X R R R R R X R R R U I V m 2
)2()2
(
)()()
()()()()(5-+++-+-=-+-+-++ ⑨ 由式（3—4）：21)()()()
(X R R R R R +==+-∑-++，代入⑨得：
XR X R R U I V m
⋅-++-=∑)5.01(5.05 ⑩
则电压表1V 指示的电压V U 为： XR
X R R R U I R U V V
m V V ⋅-++-==∑)5.01(5.05 因R 远小于V R 及∑R ，略去R 后简化得： V V m V R R R U U +-=∑5.0
由此可见，1V 指示的电压V U 为负值。

测量电压表1V 的欧姆指示数为：
)2(5.0--=∑V
m V U U R R 测量电压表的盘面标有电压和电阻两种刻度，可直接读出直流系统总绝缘电阻∑R ，按式（3—3）、（3—4）计算出正极绝缘降低时的各极绝缘电阻值。

图五所示由电磁继电器构成的直流系统绝缘监察装置的缺点，是当正、负两极对地绝缘电阻均等下降时，不能发出信号。

[结束语]
在学校使用的《工厂供配电》教材中，直接给出直流系统绝缘监察装置测量正、负极对地绝缘电阻的方法、公式，未介绍公式的推导过程，给学习领会带来困难。

本文给出常见的三种直流系统电压测量及绝缘监视电路的动作原理；直流系统正、负极对地绝缘电阻的测量方法；直流系统正、负极对地绝缘电阻的计算公式及其推导过程，以帮助深入理解直流系统绝缘监察的监测原理。

[参考文献]
1、徐绪春编《工厂变配电技术》，，中国劳动出版社，1993年2月第1版；
2、袁乃志编《发电厂和变电站电气二次回路技术》，中国电力出版社，2004
年4月第一版；
3、邹仉平编《实用电气二次回路200例》，中国电力出版社，2000年10月
第一版。