黃晶，朱武

（上海電力學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，上海200090）

0 引 言

發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)主要為信號(hào)回路、自動(dòng)裝置、繼電保護(hù)、事故照明等二次設(shè)備提供電源，其運(yùn)行可靠與否直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全［1-4］。支路接地是直流系統(tǒng)常見(jiàn)的電氣故障，若未能及時(shí)找到并排除直流系統(tǒng)的一點(diǎn)接地故障，在出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，將造成直流操作電源短路，引起保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作，引發(fā)嚴(yán)重后果［5-8］。

目前常用的接地故障檢測(cè)方法有電橋法、低頻探測(cè)法和漏電流法［9-11］。被廣泛使用的直流故障檢測(cè)裝置大多根據(jù)平衡電橋法的原理制成，即設(shè)置兩個(gè)等值電阻與母線對(duì)地的兩個(gè)正負(fù)極絕緣電阻構(gòu)成一個(gè)平衡電橋，若母線發(fā)生一點(diǎn)接地，電橋平衡破壞，裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)。采用該原理的檢測(cè)裝置只能判斷母線絕緣狀態(tài)，不能判斷支路發(fā)生泄漏電流；而且正負(fù)母線對(duì)地絕緣同時(shí)下降且阻值相等時(shí)，電橋法存在檢測(cè)死區(qū)，裝置誤動(dòng)作［6］；檢測(cè)一點(diǎn)接地故障并不能準(zhǔn)確定位故障位置，需要配合拉路法逐一查找［12］。低頻探測(cè)法是向直流電網(wǎng)的正負(fù)母線注入低頻交流信號(hào)，該信號(hào)沿著阻抗最小的支路形成通路［13-15］。近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者做了大量研究將各種低頻信號(hào)的處理方法尤其是小波變換分析用于支路絕緣電阻的檢測(cè)［16-18］，這些基于注入低頻信號(hào)的方法一定程度上提高了檢測(cè)精度，但在信噪比低的情況下信號(hào)失真嚴(yán)重，且存在增大電壓文波系數(shù)、影響電能質(zhì)量、MCU計(jì)算量大的缺點(diǎn)。漏電流法的基本原理是用霍爾傳感器檢測(cè)饋線支路的接地故障泄漏電流，其缺點(diǎn)是存在非線性誤差，需要采用數(shù)字方法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行補(bǔ)償。

基于上述問(wèn)題，提出一種新的雙橋探測(cè)的方法檢測(cè)直流系統(tǒng)的接地故障，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有不存在檢測(cè)死區(qū)和防止保護(hù)誤動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，即正負(fù)母線絕緣下降能力相等時(shí)，仍然可以求出正負(fù)母線的絕緣電阻值。

1 雙橋探測(cè)法基本原理

雙橋探測(cè)法是基于平衡電橋法及不平衡電橋法的改進(jìn)，它是根據(jù)記錄兩次傳感器的電流，就能準(zhǔn)確反映正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻值，并且不存在檢測(cè)死區(qū)問(wèn)題，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，雙橋探測(cè)法雖然人為加入了探測(cè)電阻，但是并沒(méi)有母線對(duì)地電壓不斷變化的情況出現(xiàn)，因此可排除雙橋探測(cè)法增加人為擾動(dòng)的可能性。

1.1 母線絕緣電阻的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示，分別控制三路開(kāi)關(guān)K1、K2、K3的通斷［6］，在正負(fù)母線絕緣良好的情況下，正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻r1和r2相當(dāng)于無(wú)限大，由此可以看成平衡的兩組電橋：電流傳感器H1測(cè)量由橋臂R1、R2+R3和r1、r2組成一組平衡橋的平衡情況，標(biāo)記為第一組電橋；電流傳感器H2測(cè)量由橋臂 R1+R2、R3和r1、r2組成另一組平衡橋的平衡情況，標(biāo)記為第二組電橋，其中橋臂阻值關(guān)系為R1=2R2=2R3。若正負(fù)母線沒(méi)有泄漏電流流過(guò)，兩組電橋都滿足惠斯通電橋平衡條件，此時(shí)兩個(gè)傳感器沒(méi)有電流流過(guò)。

圖1 電母線絕緣監(jiān)測(cè)電路框圖Fig.1 Insulation monitoring circuit of the bus

若正負(fù)母線對(duì)地絕緣能力降低，兩組電橋都不再平衡，傳感器H1和傳感器H2有毫安級(jí)的電流通過(guò)，若H1、H2顯示的電流大于系統(tǒng)設(shè)定值，開(kāi)始啟動(dòng)故障檢測(cè)程序，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K2、K3，電路圖如圖2所示，記錄傳感器的電流ih1、ih2，再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K1，閉合開(kāi)關(guān) K2、K3，如圖 3所示，記錄傳感器的電流 ih1′、ih2′。

圖2 閉合 K1、斷開(kāi) K2、K3Fig.2 Close switch K1，open switch K2、K3

圖3 斷開(kāi) K1、閉合 K2、K3Fig.3 Open switch K1，close switch K2、K3

根據(jù)基爾霍夫電流和電壓定律，圖2列出如下方程組：

消去母線泄漏電流未知量i1、i2，可得，

類似的，圖3列出如下方程組：

其中，U為母線的電壓，可由絕緣監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)測(cè)得；待求量 R2ih1′+R3（ih1′+ih2′）及（ih1′+ih2′）可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)求出，統(tǒng)一由系數(shù)M、N表示。根據(jù)

1.2 支路絕緣電阻的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

將傳感器套接在直流母線的每一對(duì)進(jìn)出回路上，采集相應(yīng)支路的漏電流。如圖4支路1中所示，支路正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)正負(fù)母線的支路電流相互抵消即I+=I-，霍爾傳感器指示的漏電流為零；而當(dāng)支路絕緣能力下降即I+≠I(mǎi)-，傳感器指示的漏電流為△I=I+-I-。

（1）設(shè)支路2的正負(fù)極分別經(jīng)過(guò)絕緣電阻r2+、r2-接地，如圖4所示，閉合K3、斷開(kāi)K1，電阻R3投入負(fù)極母線，等效電路如圖5所示，控制器測(cè)出正極對(duì)地電壓U+，傳感器h2采集支路2漏電流△I21，可得：

再閉合K1、斷開(kāi)K3，電阻R1投入正極母線，等效電路見(jiàn)圖6，測(cè)得正極對(duì)地電壓U+′和漏電流△I22，

由式（5）～式（6），計(jì)算出支路2絕緣等值電阻：

（2）設(shè)支路1的正極經(jīng)r1+接地、支路2正極經(jīng)r2+接地，電阻R1投入正極母線，采集各支路漏電流，支路1、2絕緣電阻，

式中 U″+是正極母線對(duì)地電壓；△I1、△I2是正極檢測(cè)電阻投入時(shí)傳感器采集的漏電流；r1d、r2d是兩支路同時(shí)接地時(shí)的絕緣電阻，同理當(dāng)只有一條支路（支路1、支路2）接地，絕緣電阻的計(jì)算式不變。

圖4 支路絕緣檢測(cè)電路Fig.4 Insulation monitoring circuit of the branch

圖5 投入R3等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the negative buswith R3

圖6 投入R1等效電路Fig.6 Equivalent circuit of the positive buswith R1

2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇

一般直流測(cè)量采用直接接入方式，而研究直流系統(tǒng)故障檢測(cè)時(shí)則不允許斷開(kāi)回路，這就考慮到了非接觸式的測(cè)量，基于磁平衡原理制成的霍爾傳感器具有精度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于有幾十至幾百條饋線的直流系統(tǒng)漏電流檢測(cè)。由式（4）、式（7）～式（9），故障漏電流的測(cè)量精度決定絕緣電阻的檢測(cè)精度。根據(jù)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程，漏電流的測(cè)量范圍為0 mA～±20 mA，誤差小于2%，因此選擇性能較好、精度更高的霍爾電流傳感器CHVS-AS5-10進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)。

2.2 電橋電阻的選擇

母線絕緣檢測(cè)電路中，電橋處于平衡狀態(tài)，母線運(yùn)行狀況良好，橋臂電阻的取值決定母線對(duì)地電壓的偏移和檢測(cè)電阻的靈敏度。電阻取值越高靈敏度越高的同時(shí)電壓偏移量越大，此時(shí)容易引起系統(tǒng)保護(hù)的誤動(dòng)作，需要對(duì)橋臂電阻合理取值，既保證電橋的檢測(cè)靈敏度，又不至于影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

為此假設(shè)出現(xiàn)如圖1所示的正極絕緣電阻r1在［20 kΩ，30 kΩ］范圍內(nèi)發(fā)生正母線單極接地故障，負(fù)極絕緣電阻r2可忽略不計(jì)，列出平衡狀態(tài)下的KCL方程并定義母線對(duì)地電壓偏移率和電橋檢測(cè)靈敏度。

綜合式（10）～式（12），

由上式得出r1在［20 kΩ，30 kΩ］內(nèi)母線對(duì)地電壓偏移率ε和電橋檢測(cè)靈敏度S隨電橋電阻R1的變化曲線，如圖7、圖8所示。由圖可見(jiàn)，橋臂電阻R1在［25 kΩ，60 kΩ］內(nèi)變化時(shí)母線電壓的偏移較小，且電橋有較高的靈敏度，符合220 V直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，為此選取R1=30 kΩ。

圖7 電壓偏移率變化曲線Fig.7 Curves of voltage deviation rate

圖8 檢測(cè)靈敏度變化曲線Fig.8 Curves of detection sensitivity

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建模擬實(shí)驗(yàn)回路如圖4電路所示，系統(tǒng)母線電壓 U=220 V；橋臂電阻R1=30 kΩ，R2=15 kΩ，R3=15 kΩ；傳感器CHVS-AS5-10量程0～±20 mA，精度0.5%。試驗(yàn)中通過(guò)改變正負(fù)母線接地電阻的數(shù)值記錄傳感器測(cè)出的不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其分析處理，母線測(cè)試絕緣電阻和支路測(cè)試電阻由式（4）、式（7）計(jì)算得出列入兩表，表1、表2為母線和支路接地電阻的試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

表2中通過(guò)公式計(jì)算的正負(fù)母線絕緣電阻及支路絕緣電阻的結(jié)果相對(duì)誤差均小于5%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙橋探測(cè)法的原理簡(jiǎn)單、易于控制，只需記錄兩次傳感器的電流就能求出正負(fù)母線的對(duì)地絕緣電阻，測(cè)量精度較高，定位路障支路準(zhǔn)確，即使正負(fù)母線絕緣能力下降相等，電流傳感器H1指示的電流為零，電流傳感器H2指示的電流變大，也能較準(zhǔn)確的測(cè)出接地電阻值；不足之處在于，隨著正負(fù)極接入絕緣電阻的增大，該方法的測(cè)量精度有所降低，這是受傳感器的精度決定的。

表1 母線接入絕緣電阻的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results with insulation resistance of the bus in the circuit

表2 支路接入絕緣電阻的試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental resultswith insulation resistance of the branch in the circuit

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)直流系統(tǒng)母線和饋線支路接地故障檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種雙平衡橋母線探測(cè)和漏電流支路聯(lián)合探測(cè)的新方法，并討論雙橋探測(cè)法的基本原理、母線及支路故障檢測(cè)步驟。模擬220 V直流系統(tǒng)接地故障的試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法解決絕緣監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)死區(qū)問(wèn)題，故障測(cè)試電阻相對(duì)誤差小于5%。該方法無(wú)需向系統(tǒng)注入任何交流信號(hào)，不受系統(tǒng)分布電容影響。