1 故障现象描述
　　
　　告警发生时间:2020年5月6日17:07
　　
　　(1)HVDC电源监控模块出现5条告警信息:
　　
　　①母线绝缘告警;②绝缘监测仪1支路1绝缘故障;③绝缘监测仪1支路2绝缘故障;④绝缘监测仪1支路5绝缘故障;⑤绝缘监测仪1支路6绝缘故障。
　　
　　设备出现告警后,HVDC系统各电源模块工作正常,设备下带的用电设备均工作正常,故障发生前HVDC系统没有施工、加减设备等工作,机房环境、温湿度均正常。用万用表测量母线负极对地电压3.6V,正极对地电压263.7V。
　　
　　(2)高压直流设备信息
　　
　　型号:Nterprise612CK1-Y1;
　　
　　出厂日期:2011/04/14;
　　
　　交流输入:380-415V～N+PE2×216A50Hz/60Hz;
　　
　　直流输出:240V/800AMAX230kW;配置信息:40个R240-5800A整流模块,2组1000A电池,母线绝缘监测仪;
　　
　　负载信息:涉及14个支路7个列头柜,分布在四楼东、四楼西和五楼西三个综合机房。
　　
　　HVDC供电系统原理如图1所示。
　　
　　2 绝缘监测原理
　　
　　省枢纽楼的HVDC系统安装的“JYM-2绝缘监测仪”是NterpriseHVDC电源系统的组件之一,用于在线监测直流母线对地绝缘状况和各分支路的接地电阻和电容。分主机和从机两部分。主机监测HVDC系统的母线绝缘情况,从机监测系统输出支路的绝缘情况。
　　
　　(1)直流母线的绝缘监测原理
　　
　　母线的绝缘监测基本原理是测量母线正负极对地之间的绝缘电阻,而带电体的电阻不宜直接测量,因而母线对地绝缘电阻常用在正负母线之间投切采样电阻,采样不同投切电阻和绝缘电阻形成不同的对地直流电压,通过测量不同状态下的正负母线对地电压,间接计算出母线的对地绝缘电阻。直流母线的绝缘监测原理图如图2所示。
　　
　　如图2所示,R+和R-分别是正负母线对地的等效绝缘电阻,224kΩ与226kΩ电阻分别为正负母线对地的平衡电阻,这两个电阻在正常情况下起到平衡母线对地电压的作用,不至于使得母线由于对地绝缘电阻过大而导致对地电压不稳定。K1～K4投切的几组电阻分别不同情况下使得测量正负母线电压不同,以便计算出对地的绝缘电阻。
　　
　　所有开关断开时,分别测量正负母线的对地电压U1,U2,得到以下关于R+、R-的方程:
　　
　　　　
　　将K1开关闭合,分别测量正负母线的对地电压U1'和U2',得到以下关于R+,R-的方程:式(1)和(2),为一个关于R+和R-的二元方程组,通过求解即可算出R+和R-的值。
　　
　　　　
　　在实际应用中,考虑正负母线绝缘电阻等值下降等因素,设置多个投切开关K2、K3、K4等,以便计算在不同工况情况下的母线对地绝缘电阻。
　　
　　当正负母线的对地绝缘电阻值低于设定的告警阀值的时候,绝缘监测装置给出绝缘下降的告警,一般情况下,告警阀值和母线电压相关,比如常见的220V直流电源系统,这个告警值一般设置在25kΩ左右。
　　
　　(2)直流分路的绝缘监测原理
　　
　　为了准确的判断直流电源系统的绝缘下降的故障点,一般通过对电源系统的支路输出进行漏电流检测,根据漏电流的大小来判断绝缘电阻的对应的大小,给出支路绝缘故障的告警。
　　
　　本设备采用的交流小信号的支路绝缘监测方式。交流小信号的检测通过对直流母线和地之间馈入一个低频小信号(10Hz左右),然后通过支路互感器监测这个小信号对地的漏电流,从而计算出绝缘电阻的大小。基本原理如图3所示。
　　
　　根据监测原理我们知道:绝缘监测仪工作时分为常规检测和支路巡检。常规检测是在系统正常运行时实时监测正负母线的对地电压,得到母线绝缘电阻值。在发生母线绝缘下降时发出报警信号,点亮故障灯,并将故障标志上送监控模块,同时向各支路投入低频信号。若支路有接地电阻,则穿套在该支路的互感器会感应出电流信号,经过放大后进入AD采样,从而能计算出该支路的接地阻抗,再从中分离出阻性和容性电流,即可得出该支路的接地电阻值。
　　
　　3 处理过程
　　
　　具体告警信息见图4。
　　
　　监控模块告警为“母线绝缘监测故障,绝缘检测仪1支路1、2、5、6绝缘故障”通过用万用表实测,负极对地电压3.6V,正极对地电压263.7V,实测数据表明负母线对地几乎为短路状态,可见绝缘故障确实存在。
　　
　　(1)排查故障:按告警信息找原因
　　
　　用万用表实测负极对地电压3.6V,正极对地电压263.7V,可见正负极对地的电压差已经高于告警阈值60V,这个告警的产生说明绝缘监测仪系统工作正常。根据绝缘监测原理的分析,我们怀疑问题是出在某个负载支路。接下来我们开始从支路着手查找问题的根源。按照电源说明书我们知道绝缘检测仪分为主机和从机,系统默认主机地址为1,从机地址为2～6,由于告警是“绝缘监测仪1支路”告警,所以从绝缘检测仪的主机着手找原因,现场绝缘监测仪主机的支路5、6未接负载,因此从支路1、2找原因,支路1和支路2同时上报告警,有可能是相互干扰所致。通过万用表实测支路1的互感器二次测感应电压为0.0013V,而支路2和其他都为0或者接近于0。据此判断为绝缘检测仪主机支路1的负极存在对地的漏电流的可能性比较大。
　　
　　当天晚上紧急申请四楼东机房NA01(支路1、2所带列头)列头停电,对列头所有分路交替断电脱离供电系统进行排查,其结果依然是负极对地电压3.6V,正极对地电压263.7V,告警依然存在,说明告警与绝缘主机支路1、2无关,告警信息可能有误。
　　
　　(2)继续排查故障:排除法查找原因
　　
　　图5为HVDC直流屏的系统配电和绝缘监测原理图。
　　
　　从图5可以看出,系统中可能造成母线绝缘故障的因素有:整流柜内的电源模块、直流汇流排、直流配电柜内的母排、DC防雷单元、直流柜内的辅助电源、配电屏的监控单元、检测仪表、JYM-2绝缘监测模块和14个负载支路。
　　
　　①断开JYM-2绝缘监测仪的主机和从机与电源系统的所有连接线,排除绝缘检测仪对系统的影响,实测负极对地电压3.6V,正极对地电压263.7V,告警存在,故障与监测仪的主机和从机没有关系;
　　
　　②交替取下所有的电源模块,告警仍然存在,故障与电源模块无关;
　　
　　③拆下直流防雷模块,告警仍然存在,故障与直流防雷模块无关;
　　
　　④断开电池支路,告警仍然存在,故障与电池电路无关;
　　
　　⑤取下直流屏的监控单元和辅助电源,告警仍然存在,故障与监控单元和辅助电源无关。
　　
　　排查结果证明母线绝缘故障告警与这些器件、电路无关。
　　
　　(3)继续排查故障:自制绝缘监测定位工具
　　
　　①直流小信号绝缘监测原理(图6)
　　
　　各个支路的正负极性的电缆同时穿过霍尔传感器,在没有绝缘下降的情况下,正负极电缆通过的直流直流电流大小相等,方向相反,这样在直流互感器上不会产生感应信号;当有一极发生绝缘下降的时候,通过正负极的电流便不会再相等,这时互感器感应出这个电流差的信号,从而霍尔传感器的二次测会产生一个感应电压,通过测量感应电压计算出漏电流的数值,判定出绝缘下降的支路。
　　
　　②制作绝缘系统定位仪
　　
　　以直流小信号绝缘监测原理为依据自制绝缘系统定位仪:
　　
　　准备材料:一个10mA/5V的开口霍尔电流传感器;一个正负12V辅助电源(从废旧电脑机箱拆下);一台Fluck187万用表。
　　
　　③自制绝缘系统定位仪的工作原理简述(图7)
　　
　　用霍尔电流传感器卡在被检测设备的电源线上(正负极同时卡住),当被检测设备对地无漏电流时,正负极电源线的电流大小相等方向相反,电流所产生的的合磁场为零,霍尔检测不到电流;当被检测设备对地有漏电流时,正负极电源线的电流大小不相等方向相反,相减后的漏电流便能被霍尔传感器测量出来。其反馈出的感应电压被万用表铺捉到,通过霍尔的电流电压比就能计算出真实的漏电流。
　　
　　④重新梳理,借用新工具,处理新问题
　　
　　·设想这是一台新的电源系统,刚开始加电调试,我们从施工质量、参数调试一步一步重新筛查。发现两处问题:一个是绝缘检测仪地线虚接。
　　
　　另一个是监控模块设置错误:主机内部包括一个从机,实际为2个,原来监控设置为1个。
　　
　　通过紧固绝缘检测仪地线和设置绝缘检测仪从机数量,调整参数正确后,原来的支路告警全部消失,但是又产生新的告警“绝缘检测仪从机支路3告警”。
　　
　　·新工具,多手段并用最终确定故障点
　　
　　步骤一:通过交叉验证实验法,证实告警的存在,即调换绝缘监测从机支路3和支路4的位置,绝缘检测仪从机支路3告警”依然存在。
　　
　　步骤二:是更换绝缘监测仪,重新调测后“支路3告警”还是存在。
　　
　　步骤三:使用自制的绝缘系统定位仪精准测量支路3(NY01列头柜)的各个分路漏电流,测量NY01柜主2-2的二次测电压为:2.2933V。通过计算得出其漏电流为4.5886mA。而其他的支路通过测量二次测电压都几乎为0。
　　
　　最终确定故障支路范围为支路3(四楼东NY01主路)的主2-2。
　　
　　说明:由于服务器的电源模块对地存在分布电容,存在充放电的过程,因此二次测的电压是一直变化的,所得感应电压是使用了Fluck187的Min/Max的功能键抓取出来的。
　　
　　⑤申请NY01列头停电,最终排除故障
　　
　　申请窗口时间,我们采取停电隔离法对NY01列头柜的主2-2进行了验证,再次测量正极对地和负极对地的直流电压,测量出负极对地电压+134V,正极对地电压-134V。故障消除,系统运行正常。最终定位是由于服务器电源模块的原因导致的系统负极对地绝缘下降。
　　
　　4 绝缘故障的风险评估
　　
　　HVDC电源系统是悬浮式供电方式:指的是直流系统的直流输出回路中,正、负均不接地即对地悬浮的工作方式。
　　
　　①供电可靠性、可用性无变化:由于IT设备的电源模块是一种“整流滤波型”的非线性负载设备。其输入是开关电源的全桥整流器。只要是输入端正负极之间的相对电压无变化即可正常工作,因此绝缘故障对IT设备的正常工作无影响。
　　
　　②使用安全性大大降低:负极对地绝缘程度降低或者接地后，人体触及到未接地的一级，触点电流通过大地形成回路，将发生电击事故或者触电事故。
　　
　　综上,该故障对IT设备的供电无影响,对人身安全存在潜在风险隐患。
　　
　　5 结束语̶̶后续的工作建议
　　
　　①定期核对参数设置并进行告警功能测试;
　　
　　②列头柜各支路增加漏电流检测;
　　
　　③禁止再使用此品牌的电源模块;
　　
　　④高压直流电源模块更换时及时通知电源专业。
　　
　　作者简介
　　
　　李庆玉,河北省电信NOC电源技术支撑中心工程师。
　　
　　王栋,河北省电信NOC电源技术支撑中心副主管、电源专业D级人才。
　　
　　张志刚,河北省电信NOC高工、电源技术支撑中心主管、20年枢纽楼电源维护经验
　　
　　编辑：Harris