浅析240 V直流系统绝缘监察装置的原理及应用

孙文波，侯福平

（中国电信股份有限公司广东研究院）

0 引 言

近年来，社会各行业信息化建设迅猛发展。有资料显示，未来数年，数据业务还将高速发展。目前数据设备的供电普遍采用交流UPS系统，而交流UPS供电一直是通信电源维护的难点，如何提高IT数据设备供电可靠一直是电源业界努力的方向。

针对交流供电的缺点，业界提出了240 V直流供电，并在这两年得到了迅猛发展。240 V直流系统与传统的－48 V直流系统的接地工作方式不同，本文将就此着重介绍绝缘监察装置的原理及其应用方式，供大家研究探讨，以便更好地推广应用240 V直流系统。

1 －48 V系统为什么需要正极接地

长期以来，传统的－48 V直流供电系统一直采用正极接地的工作方式。存在两个问题：一是为什么需要接地，二是为什么是正极接地。资料表明，采用该接地方式有历史原因及现实需要：最早的通讯网是电话网，话机是由电信局供电的，采用的是摇把子通信方式，接地的作用是把地作为一根导线使用，需要通过大地作为回流，因此采取了一极接地的方式。因为端局到用户距离比较长，采取一极接地，可以减少电路间的耦合，降低干扰的影响，保证通话质量等。后来采用人工交换机、步进制自动交换机、纵横制自动交换机，共同特点是采用大量的电磁继电器完成通信功能。电磁继电器是由铁芯和细铜丝组成，当空气中有一定湿度时，电磁继电器将产生“微电池”。如果不接地或负接地，“微电池”放电将会使细铜丝腐蚀。而采用正接地，腐蚀的是铁，由于铁很大，不影响电磁继电器寿命。可见采用正接地的作用是防止“电化学”的腐蚀作用，延长设备使用寿命。

2 240 V直流系统为什么不接地

2.1 现代通信设备供电系统无需接地

随着计算机技术的普及和开关电源技术的成熟，现代数据通信设备已不再使用电磁继电器，当然就不存在“微电池”现象，直流电源系统的接地就不是必须的。目前我们采用高压直流电源系统替代交流UPS系统对通信设备供电，本质上只是提供了一次电源，通信设备的工作全部靠通信设备内部的电源模块转换成直流12 V、直流5 V、直流3.3 V 等二次电源，它与一次输入电源是完全隔离的，所以一次电源系统是否接地对通信设备工作不产生任何影响。

2.2 240 V直流系统接地弊端

在－48 V系统电池维护时，因为电压比较低，维护人员触摸蓄电池或负极时，电压很难击穿人体电阻形成电流，并不会发生触电事故，所以接地的好处很多。但是对于现在高压直流，如果将一极接地，由于电压比较高，人触及到未接地的一极时，触电电流通过大地形成回路，将发生电击事故。尤其是电池维护，维护人员是很容易触摸到电池端子的，如图1所示，系统正极接地，当人体触摸到某个电池端后，就可能存在高压，击穿人体电阻，通过大地回路形成电流，发生触电事故。

图1 系统接地后，人触电示意图

如果系统不接地，两根导线对地悬浮，人体触摸其中一个导线或者电池某个端子时，虽然可能会存在一定的容性电流，但该电流很小，不足以对人体造成伤害，更重要的是，电流不能通过大地形成回路，可以避免在人体产生持续电流进而触电。因此，目前的240 V直流供电系统采用不接地系统，同时也要求模块的输入与输出应进行隔离。

3 安装绝缘监察装置的必要性

240 V直流供电系统是不接地系统，当某相供电线路出现绝缘降低或接地故障后（如IT设备出现故障时），接地电流会非常小甚至没有，如图2所示。由于没有短路电流流过，断路器不会断开，系统仍能继续运行。虽然发生一极接地时并不引起严重危害，但是由于系统不能及时发现该故障，如果在这种情况下长期运行，就有可能造成大的事故。因为此时若再发生另一极接地，就将造成直流短路。更严重的是，如果在一极发生绝缘度降低或接地后，有人在维护的时候触摸了另一极或者电池端子，将造成电击事故，有可能造成人员伤亡。这种情况和图1类似。

图2 系统一极发生绝缘度降低或接地后正常运行

因此，为了及时发现这种接地故障，有必要对系统安装绝缘监察装置。其作用是监视直流系统对地绝缘状况，及时发现系统的异常接地情况。

4 绝缘监察装置的原理

绝缘监察功能主要包括两方面：一是及时发现系统直流回路中的绝缘度下降和故障；二是对出现绝缘度下降和故障的位置进行定位。目前，采用的技术主要有以下几种方式：

4.1 平衡桥电阻检测法

平衡桥电阻检测法主要用于母线绝缘的检测，是在系统分别对正负极接入一个高阻（约100 kΩ），两个电阻阻值相等，如图3所示。在正常情况下，RX＝RY＝∞，V1＝V2。当系统发生一极接地故障时，比如正极接地，即RX≠∞，RY＝∞。此时，V1、V2的电压将发生改变，系统根据两个电压变化的幅值，即可判断系统发生了绝缘故障。同时，我们可以通过下列公式来计算RX的大小：

通过测量V1、V2的电压，我们即可计算出接地电阻RX；同理，也可发现负极接地即RY≠∞的情况。

图3 平衡桥电阻检测法示意图

平衡桥电阻检测方式优点：由于仅检测电压，只要V1和V2一出超过预设的压差，即可判断系统的绝缘出现故障了，因此可以快速检测直流回路中非对称性的正负极绝缘状况。

平衡桥电阻检测方式缺点：当正负极绝缘度同时下降，且接地电阻相差不大时，由于此时V1≈V2，压差达不到告警值，系统将不能发现绝缘出现故障。

4.2 投切电阻检测法

为了解决平衡桥电阻检测法的不足，我们可以采用投切电阻检测法。具体原理如图4所示，增加了R3、R4，通过K1与K2轮流分断。单极接地的情况和平衡桥的类似，不再赘述。我们来看当RX＝RY≠∞的情况。

当K1合上，K2断开时：

当K1断开，K2合上时：

通过以上两个方程，即可解出RXRY。（具体计算过程略）

图4 投切电阻检测法原理示意图

工作过程：K1和K2定期轮流导通，分别记录V1、V2，然后计算出RX及RY，当发现RX及RY小于预设告警值，一般设置为20 kΩ～30 kΩ，即发出告警。

该方法可以解决平衡电桥的缺点，当正负极同时发生接地故障也能发现。但缺点是由于正负极轮流接入电阻，正负极对地电压不断变化，因此，每次投入后，都需一定的时间待电压稳定再进行计算。同时，由于频繁对正负极投切电阻，投切频率不能太高，因此该方式的告警时间比平衡电桥的告警时间长，不能做到立即告警，一般需要几分钟。

4.3 支路漏电流检测法

以上两种方法只能发现系统有接地故障，但不能发现是哪个支路发生的，因为不管在系统哪个分支路发生了接地故障，都会在系统正负极母排反映出来。为了解决判断是哪个分路，我们需要在每个分支路安装电流互感器（CT），通过测量出该支路有对地漏电流，则判断该支路后端发生了接地故障。

安装原理如图5所示，电流互感器安装在每个支路上，正负极都穿过互感器。在正常情况下，由于正负极电流相等，因此流经该互感器的合成电流为零。当互感器后端的支路发生了接地故障，对地出现了漏电流，则流过该互感器的电流出现不平衡，如所图5所示的粗线箭头所示的漏电流。则此时可以发现是哪个支路发生了接地故障。

由于该种方式需要系统先接一次地，因此需要和上述两种方式配合使用。

图5 漏电流检测法示意图

5 绝缘监察装置的实际应用

目前厂家采用的方式各种各样，有采用平衡电桥＋支路漏电流检测的方式，该方式简单，告警迅速，缺点是不能发现系统正负极同时发生接地故障的情况。另外一种是投切电阻＋支路漏电流检测的方式，该种方式可以发现各种接地故障情况，但是告警时间偏长。因此，笔者认为，比较合理的设计应该是：

（1）在正常情况下，采用平衡电桥对总母线对地电压进行实时在线监测，及时发现非对称情况下的绝缘性能下降。

（2）在平衡电桥的基础上，每隔一定周期（如5分钟）投切电阻检测母线对地电阻对称性变化，这样就可以发现正负极同时发生接地故障情况。另外，如果出现正负极对地电压的压差有变化（大于预设值，如50 V），可以将投切电阻间隔时间调短，如2秒，这样可以快速准确计算出接地电阻值。因为很多接地故障即使是正负极都发生了绝缘降低情况，但往往有时间差，或者是接地电阻值不一样，平衡电桥也能发现正负极母线对地电压的变化，但是往往不能准确计算出接地电阻的阻值，通过调整投切电阻的间隔周期，这样就能更快地发现正负极同时发生接地故障的极端情况，同时也避免了在正常的时候频繁的投切电阻。

（3）通过以上两种方式发现系统出现接地故障后，再通过分支路安装的电流互感器测出是哪个支路发生了故障。

通过上述方案，当出现非对称性的单极绝缘故障时，系统能立即发现；当出现对称性的两极绝缘故障时，系统也能尽快发现。极端情况下，也可以在一个投切电阻周期内发现。

［1］ 赵长煦.2009.10中国通信标准化协会电源专刊.IT设备高压直流供电热点问题研究与应用.