劉冰潔

(國網(wǎng)四川省電力公司眉山供電公司，四川 眉山 620000)

1 直流母線絕緣監(jiān)測方法分析

發(fā)電廠和變電站的直流系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護(hù)、自動裝置及事故照明等提供可靠穩(wěn)定的不間斷電源，它還為斷路器的分、合閘提供操作電源。由于直流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接比較復(fù)雜，容易發(fā)生直流接地。當(dāng)發(fā)生一點接地時，并不引起任何危害，但必須及時處理，否則，當(dāng)發(fā)生另一點接地時，有可能使繼電保護(hù)發(fā)生誤動、拒動，危害電網(wǎng)的安全[1]。

直流母線絕緣監(jiān)測是電力設(shè)備監(jiān)測和故障診斷研究的重要方向，隨著多年的研究，已經(jīng)出現(xiàn)了很多方法。傳統(tǒng)的直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置采用的是電橋平衡原理[2]，優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，不足之處是當(dāng)正負(fù)極絕緣電阻同時下降時，電橋仍然維持平衡，無法做出正確地判斷。為了克服平衡電橋法的一些缺點，又提出了不平衡電橋法。直流法的缺點是只能檢測出整個直流系統(tǒng)的絕緣狀況和正負(fù)極的絕緣電阻，而不能精確定位發(fā)生絕緣故障的直流支路。

為了對故障定位，需通過檢測支路漏電流來判斷接地支路[3]。從檢測信號類型可以分為直流型和交流型。交流型在檢測時需要向直流系統(tǒng)注入低幅值的低頻交流信號，用毫安級的交流互感器檢測每條支路的交流漏電流，這種方法的缺陷是無法排除分布電容的干擾, 并且會加大直流系統(tǒng)的紋波系數(shù)。

為了減少分布電容的影響，又提出了變頻檢測法，原理是向直流系統(tǒng)交替注入幅值相同、頻率不同的小交流信號。當(dāng)直流母線發(fā)生接地故障時，兩個不同頻率電流的比值大于正常情況下兩個不同頻率電流比值, 從而檢測出發(fā)生故障的直流支路。直流型是用電橋平衡和不平衡相結(jié)合的原理檢測母線對地狀態(tài)，通過直流電流傳感器檢測支路漏電流來判斷發(fā)生故障的接地支路，優(yōu)點是不受分布電容的影響。

各種直流母線絕緣監(jiān)測方法各有優(yōu)缺點。為了不影響直流母線的正常運行，并且能準(zhǔn)確檢測到發(fā)生故障的直流支路，本文設(shè)計一種直流母線絕緣綜合監(jiān)測方法。在正常運行時，通過不平衡電橋法監(jiān)測直流正負(fù)母線電壓，通過電壓的變化判斷是否發(fā)生絕緣故障。當(dāng)發(fā)生絕緣故障時，首先用不平衡電橋電路測出正負(fù)母線的絕緣電阻，然后通過放大故障電流，利用直流泄漏傳感器實現(xiàn)對直流故障支路的定位判斷。

2 母線電壓和絕緣電阻的測量

基于不平衡電橋原理，在本系統(tǒng)中通過在正負(fù)母線接入相關(guān)電阻，在此基礎(chǔ)上分別測量直流正負(fù)母線對地電壓并進(jìn)行計算得出準(zhǔn)確的接地電阻，其原理如圖1所示。

圖1 電壓表測對地電壓

圖1中，R+、R-是直流系統(tǒng)正負(fù)對地電阻，Rv是不平衡電阻。當(dāng)Rv已知時，通過測量控制母線電壓U、正對地電壓U+和負(fù)對地電壓U-計算得出直流系統(tǒng)對地電阻的準(zhǔn)確數(shù)值。

從圖1中可以看出，測正對地電壓時，電壓與電阻的關(guān)系有：

(1)

測負(fù)對地電壓時，電壓與電阻的關(guān)系有：

(2)

聯(lián)立解得正對地電阻和負(fù)對地電阻的計算公式：

(3)

(4)

由此可見，利用已知的不平衡電阻Rv，通過對不平衡電阻接入過程中母線電壓U、正對地電壓U+和負(fù)對地電壓U-的測量，利用計算公式得出絕緣電阻。此外，通過對正對地電壓U+和負(fù)對地電壓U-連續(xù)的測量，還可以實現(xiàn)對直流電壓紋波系數(shù)的測量。

實際運行中由于對地電阻R+、R-不同將發(fā)生對地電壓的不確定性，如當(dāng)直流系統(tǒng)R+為100 kΩ，R-為1 000 kΩ時負(fù)對地的電壓將高達(dá)母線電壓的90%，不利于設(shè)備的安全運行。裝置內(nèi)部正對地和負(fù)對地連接幾十千歐的采樣電阻，還保證直流系統(tǒng)絕緣正常時正負(fù)對地電壓基本對稱。這個采樣接地電阻的阻值越小，正負(fù)對地電壓越平衡，但同時要滿足安全上的需要也不能太小，一般均在10～150 kΩ。

3 故障支路定位原理

故障支路定位采用直流電流差原理來實現(xiàn)，其原理如圖2所示。測量原理是：將直流供電的正負(fù)導(dǎo)線通過直流泄漏傳感器，當(dāng)正負(fù)直流導(dǎo)線絕緣正常時由于正負(fù)二根導(dǎo)線內(nèi)電流相等方向相反，根據(jù)電磁感應(yīng)原理其合成磁通等于零，在電流互感器二次側(cè)感應(yīng)電流為零，當(dāng)發(fā)生正或負(fù)發(fā)生一點接地時將有電流通過接地點，使得在直流互感器中流進(jìn)和流出的電流不相等，產(chǎn)生電流差，其產(chǎn)生的合成磁通不等于零，此時在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流，從而實現(xiàn)對絕緣漏電流的測量。

圖2 直流CT示意圖

在整個漏電流傳感器測量電路中，其電流檢測敏感部件是一個磁芯線圈，將被測支路饋電電線從線圈的中心穿過。當(dāng)某個饋電支路直流回路中的合成直流電流變化△I時(所產(chǎn)生的磁通量變化為△φ，同時線圈電感變化為△L)，則引起由磁芯線圈組成的振蕩電路的振蕩頻率就會改變△f。

由此可見，通過檢測出振蕩頻率的變化量，就可計算出相應(yīng)線圈中流過的合成直流電流值大小。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，有下列兩個關(guān)系式成立：

(5)

式中 Δφ——穿過線圈的合成電流產(chǎn)生的磁通，Wb；μ——鐵心磁導(dǎo)率，H/m；N——線圈匝數(shù)；ΔI——合成直流電流值(即漏電流值)；a——線圈鐵心環(huán)形管的橫截面半徑，m；R——環(huán)形鐵心的平面半徑，m。

LX=L0+ΔLX

(6)

式中LX——線圈總電感，H；L0——線圈自感(即△I為零時的電感值)，H；ΔLX——△I引起的線圈電感變化量，H。

在方波發(fā)生電路中采用文氏振蕩電路，由電路的原理可知，其振蕩頻率的表達(dá)式為

(7)

式中f——振蕩頻率，Hz；R——橋臂電阻，Ω；C——橋臂電容，F(xiàn)。

由表達(dá)式可以看出，振蕩頻率與電感量成非線性關(guān)系。但當(dāng)式中2R2C/LX非常小時，則整個等式可簡化為

(8)

由于振蕩頻率與電感量成線性關(guān)系。因此，可通過對R，C參數(shù)的選擇，在一定的測量范圍內(nèi)，實現(xiàn)通過測量振蕩頻率來實現(xiàn)對微小電流的測量，并保持一定的測量精度(<5%)。

4 直流漏電流傳感器測試及分析

為了了解整個直流母線接地絕緣檢測系統(tǒng)的測試效果，對整個系統(tǒng)進(jìn)行了測量，測量的結(jié)果如表1和表2所示。

從表1正負(fù)母線対地絕緣電阻測量值可以看出，系統(tǒng)在測量正負(fù)母線對地電阻值時，能夠?qū)崿F(xiàn)對電阻的精確測量，測量誤差小于2%。從表2的泄漏電流測量值可以看出，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對小于5 mA的泄漏電流測量(測量精度優(yōu)于5%)，由此可見，在進(jìn)行泄漏電流放大測量過程中，不會造成對系統(tǒng)的誤動作。

表1 正負(fù)母線絕緣電阻測量值

表2 直流泄漏電流測量值

5 結(jié)語

通過對直流母線接地絕緣檢測方法的研究，可以看出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對正負(fù)母線對地電阻和故障支路泄漏電流的精確測量，在此基礎(chǔ)上，可以得出如下結(jié)論。

(1)利用不平衡電橋方法，通過對正負(fù)母線對地電阻變化過程中正負(fù)母線對地電壓的測量，通過相關(guān)的計算可實現(xiàn)對正負(fù)母線對地電阻的測量；

(2)采用不平衡電橋法克服了傳統(tǒng)平衡電橋法無法實現(xiàn)對正負(fù)母線絕緣同時下降的檢測和判斷；

(3)采用直流差法對直流泄漏電流進(jìn)行了測量。該方法可以實現(xiàn)對微小泄漏電流的測量，同時結(jié)合泄漏電流放大電路可以實現(xiàn)對故障支路的精確定位。

參考文獻(xiàn)：

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