摘 要：直流系統(tǒng)在電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行中具有十分重要作用，在對直流系統(tǒng)中的絕緣電阻與交流竄入進(jìn)行測試時，如果采用傳統(tǒng)的方法，往往不能準(zhǔn)確的進(jìn)行檢測，需要改進(jìn)的相應(yīng)的測試方法，通過采用改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測技術(shù)對其進(jìn)行檢測，可以有效的滿足測量的要求，然后通過仿真對實(shí)驗(yàn)室硬件平臺的測試，發(fā)現(xiàn)采用不平衡電橋直流系統(tǒng)的測試能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞：不平衡電橋；直流系統(tǒng)；故障檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.177

直流系統(tǒng)是變電站與發(fā)電廠重要的保護(hù)系統(tǒng)，能夠有效的保障變電站和發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對維護(hù)發(fā)電廠的設(shè)備具有十分中重要的作用，直流系統(tǒng)的供電可靠性要求非常高，它直接影響了整個變電站乃至電網(wǎng)的運(yùn)行安全運(yùn)行，特別是在電網(wǎng)中的電壓等級在不斷提升的情況下，直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對保證電網(wǎng)的穩(wěn)定也提出了更高的要求。對直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測，能夠及時的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的接地故障，以判斷直流系統(tǒng)中的母線對地絕緣電阻是否滿足要求，通過對不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測，可以及時的發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的故障，并及時發(fā)現(xiàn)危險點(diǎn)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 不平衡電橋的直流系統(tǒng)的應(yīng)用常見故障檢測方法

直流系統(tǒng)在工作的過程中，常常會出現(xiàn)直流系統(tǒng)接地和交流竄入兩種情況，這也是變電站與發(fā)電廠系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中常見的兩種故障。對于直流系統(tǒng)的接地故障檢測，一般采用的方法是交流信號注入法與不平衡電橋法進(jìn)行檢測，交流信號注入法主要采用的方法是，在電路的母線和接地之間注入低頻交流電流信號，判斷交流信號的變化情況，以便于查找接地故障，進(jìn)而能夠有效的實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)故障的檢測，采用這種方法檢測易于實(shí)現(xiàn)，而且方法比較簡單，但是它的缺點(diǎn)也十分明顯，檢測的結(jié)果容易受到分布式電容的影響，而且影響也比較大。而采用不平衡電橋的方式主要是根據(jù)電橋的原理，通過對電路中的控制開關(guān)的通斷進(jìn)行控制，并將2個數(shù)值相等的電阻竄入到電路中，并按照實(shí)際的需求，分別投切進(jìn)電路中，以實(shí)現(xiàn)對接地電阻測量，但是不平衡電橋測量方法功能相對單一，測量的技術(shù)與方法還需要進(jìn)一步提高。交流竄入故障主要采用的檢測方法有差分電壓檢測方法與隔直電容法進(jìn)行檢測，差分電壓法檢測的主要工作過程是，在直流電路的母線正/負(fù)極和接地之間進(jìn)行有效的控制，并接入合適的交流電壓采樣電路，然后根據(jù)采樣電壓的基本要求，對采樣電壓進(jìn)行分析與計算，進(jìn)而判斷直流電路可能出現(xiàn)的故障；隔直電容法的檢測方法是基于電容具有“隔直通交”的作用原理，對直流電路中出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢測，它通過在直流系統(tǒng)正極或負(fù)極對接地之間，竄入一定的電壓，一般采用含有電容的電路來實(shí)現(xiàn)隔離直流電壓的作用，采用這種方法一般是對直流電路系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行定性分析，而無法實(shí)現(xiàn)定量測量與分析。為實(shí)現(xiàn)對直流系統(tǒng)接地故障和交流竄入故障的綜合檢測，需要對直流電路的檢測方式進(jìn)行分析，通過改進(jìn)不平衡電橋法，可以高效提高直流電路故障的檢測方式，可以通過理論分析和硬件平臺試驗(yàn)，對測試改進(jìn)的方法進(jìn)行有效性和可行性驗(yàn)證。

2 基于改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測技術(shù)的方法

2.1 改進(jìn)的基本電路分析

基于改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測技術(shù)的方法（也稱為IUB法），主要的檢測工作原理電路圖如下圖1所示。其中，+KM和-KM為站內(nèi)直流母線，在改進(jìn)不平衡電橋時，需要在其后級電路為IUM電路拓?fù)?，便于對電路中的電流進(jìn)行測量，結(jié)合對直流電路中的電流或者電壓的變化情況進(jìn)行分析，通常對電路中的電阻作如下規(guī)定：R1=R4，R2=R3，R，7=R8，以形成不平衡電橋。當(dāng)電路開關(guān)K3-K5閉合時，R，-R8組成的電路就形成了典型的不平衡電橋，這時通過測量K1、K2在交替接通與斷開時，直流電流會出現(xiàn)不同的電流方向，二者對應(yīng)的拓?fù)湎碌碾娮鑂兩端的電壓U1，這樣，就可以計算出不平衡電路中的正極接地電阻R4和負(fù)級接地電阻R3的阻值變化情況，進(jìn)而能夠?qū)﹄娐分惺欠癯霈F(xiàn)異常電流進(jìn)行判斷。在K1-K3都保持?jǐn)嚅_狀態(tài)的情況下，如果K4斷開、K5閉合時，對電橋中的電阻R2兩端的電壓值進(jìn)行測量，然后利用公式對電路中電流的變化情況進(jìn)行計算，這樣就可以方便的計算出負(fù)極交流竄入電壓值的變化情況，同樣，K閉合、K5斷開的情況下，可以對R3兩端的電壓U3進(jìn)行測量，進(jìn)而可以求出電路中正極交流竄入的電壓值，進(jìn)而能有效的對判斷電路中的電壓變化情況。

2.2 實(shí)際效果分析

在利用改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測技術(shù)對直流系統(tǒng)的直流電壓進(jìn)行檢測時，需要對電路的實(shí)際變化情況進(jìn)程測量，結(jié)合電路中不同開關(guān)閉合與斷開的情況下，對直流系統(tǒng)中的電壓進(jìn)行測量，具體在測量的過程中，需要依次接通或者斷開相應(yīng)的快關(guān)，測量的接地電阻和交流竄入電壓的測量數(shù)據(jù)如表1所示。其中，用“1”表示電路中的開關(guān)閉合，“0”表示電路中的開關(guān)斷開。

（1）直流系統(tǒng)電路中的接地電阻檢測。在對直流系統(tǒng)中的不平衡電橋中的接地電阻進(jìn)行測量時，首先，需要將快關(guān)K1-K3斷開，并將電路中的K4和K5閉合，并對電阻R2兩端的直流電壓進(jìn)行測量，然后，結(jié)合電路中的電壓、電流、電阻的關(guān)系，計算出直流系統(tǒng)的正、負(fù)母線電壓Uk；其次，將電路中的K2斷開，其余的開關(guān)閉合，對電路R兩端的直流電壓進(jìn)行測量，得到電壓值為U1，同時對直流系統(tǒng)中的竄入電流進(jìn)行計算；第三，將電路中的快關(guān)K1斷開，并電路中的其余開關(guān)閉合，并對電阻R2兩端的直流電壓值U”1進(jìn)行測量，并結(jié)合相應(yīng)的公式，對直流系統(tǒng)正、負(fù)母線電壓Uk進(jìn)行計算。具體的接地電阻的一系列的計算公式如下：

其中，式中的UK代表整個直流系統(tǒng)的直流母線電壓，U4為直流系統(tǒng)中的開關(guān)K2閉合時，測量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的電壓，U”4為電路中開關(guān)K1斷開時，而其他開關(guān)閉合時，測量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的對地電壓，U4為直流電路中的開關(guān)K1斷開時，其它開關(guān)閉合時，測量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的對地電壓，U”1為電路中開關(guān)K1斷開時，而其他開關(guān)閉合時，測量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的對地電壓，R+為直流系統(tǒng)中的正母線接地電阻，R-為直流系統(tǒng)中的負(fù)母線接地電阻。

這樣，通過上面的分析，就可以快速的對不平衡電橋中的正負(fù)接地電阻的值進(jìn)行求解，具體計算方法如下：

直流系統(tǒng)中交流竄入電壓的檢測。在對直流系統(tǒng)中的交流竄入進(jìn)行檢測時，需要結(jié)合表1中設(shè)備的步驟5與步驟4之間的直流電路中的開關(guān)通斷情況，分析隔直電容接入電路中的正、負(fù)交流竄入的狀態(tài)下，對直流系統(tǒng)的電壓進(jìn)行檢測，這時，分別測量直流系統(tǒng)中的電阻R5兩端交流電壓的值為U2、U”2，然后，根據(jù)相應(yīng)的公式，可以計算出直流系統(tǒng)的正、負(fù)母線交流竄入電壓值，具體的計算方法如下：

在計算的過程中，式中的U2為電路中開關(guān)K2閉合而其他開關(guān)斷開時，電路中電阻R5兩端的電壓值，U”2為電路中開關(guān)K閉合而其他開關(guān)斷開時，電路中電阻R5兩端的電壓值，UAC+為測量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的交流竄入對地電壓，UAC-為測量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的交流竄入對地電壓。這樣，通過直流電路系統(tǒng)中的電流值與竄入電流值進(jìn)行測量之后，就可以有效的對電路中的電壓值的變化情況進(jìn)行分析。

3 仿真分析

3.1 仿真測試方法

通過對不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)之后，并確定了接地電阻與竄入電壓的計算分析方法，就可以采用MATLAB/Simulink軟件，對改進(jìn)后的直流電路系統(tǒng)的可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行仿真分析，分析。在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，如果直流電路系統(tǒng)中的接地電阻值低至30-40kΩ時，就可以認(rèn)為直流電路系統(tǒng)的接地產(chǎn)生了故障。在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時，為保證不會對整個改進(jìn)的直流電路造成損害，我們設(shè)置直流系統(tǒng)的正母線接地電阻為10kΩ，并將直流系統(tǒng)的負(fù)母線接地電阻設(shè)置為15kΩ，保證電阻能夠滿足仿真測試的要求。設(shè)定直流系統(tǒng)額定電壓分別為48V和110V兩種情況，對直流電路中的各個電阻、電容等元件參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

在對不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)的各個元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定之后，就可以根據(jù)上述確定的電阻計算方法，對直流電路中的各個需求電壓U1、U”1、U2、U”2的值進(jìn)行測量，當(dāng)電路中的電壓為48V時，對各個需求參數(shù)的值測量值如表3所示。其中，“1”代表開關(guān)閉合，“0”代表電路開關(guān)的閉合。

然后，將表3的測量值，帶入到直流電路中的電阻測量公式中，就可以對各個測量的參數(shù)值進(jìn)行計算，進(jìn)而能夠與測量的檢測故障參數(shù)對比，具體的計算結(jié)果與存在的誤差情況如表4所示。

采用同樣的方法，可以對直流電路中接入110V的電壓進(jìn)行仿真測試，也可以得到相應(yīng)的測試結(jié)果，通過對相應(yīng)的測量結(jié)果進(jìn)行分析，說明改進(jìn)不平衡電橋?qū)﹄娐分械臋z測技術(shù)進(jìn)行測試，可有效應(yīng)用于直流系統(tǒng)接地故障檢測及交流竄入故障的檢測，而且檢測的效果也十分明顯。例如，在采用48V DC接入到直流系統(tǒng)中，通過測量與計算，仿真得到的接地電阻檢測誤差小于0.250%，交流竄入檢測誤差小于0.150%，都在實(shí)踐電路的控制要求之下，說明能夠有效的對直流電路中的接地電阻與竄入電流進(jìn)行測量，在直流系統(tǒng)中接入110V DC電壓時，通過仿真測試，得到的接地電阻檢測誤差小于0.060%，而實(shí)際測量的交流竄入檢測誤差也小于0.160%，說明在電壓變化的情況，系統(tǒng)也能夠滿足相應(yīng)的要求，進(jìn)而能夠說明在基于不平衡電橋改進(jìn)直流電路系統(tǒng)的檢測技術(shù)能夠滿足要求。

3.2 實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述改進(jìn)不平衡電橋的檢測技術(shù)與方法，在實(shí)驗(yàn)室搭建改進(jìn)不平衡電橋電路實(shí)物模型，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程，對相應(yīng)的電阻值與竄入電流值進(jìn)行測量，將元件參數(shù)設(shè)置為表2中48V系統(tǒng)對應(yīng)參數(shù)值，然后通過實(shí)際試驗(yàn)對直流系統(tǒng)中接地電阻與竄入電流進(jìn)行測量，具體的測量結(jié)果如表5所示。

然后，將實(shí)際實(shí)驗(yàn)中表5的測量值，帶入到直流電路中的電阻測量公式中，就可以對各個測量的參數(shù)值進(jìn)行計算，并得到相應(yīng)的計算結(jié)果，進(jìn)而能夠與測量的檢測故障參數(shù)對比分析，判斷具體的改進(jìn)技術(shù)的測試效果，具體的計算結(jié)果與存在的誤差情況如表6所示。

通過表6的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道，基于改進(jìn)不平衡的直流系統(tǒng)檢測技術(shù)能夠滿足實(shí)際的要求，而且采用該方法檢測得到的仿真實(shí)驗(yàn)正、負(fù)母線接地電阻和交流竄入值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測量值之間的誤差小于5%，在實(shí)際應(yīng)用中，能夠準(zhǔn)確真實(shí)的反應(yīng)出直流電路系統(tǒng)可能存在的接地電阻與交流竄入的故障。

4 結(jié)束語

在對電網(wǎng)中直流電路系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行檢測時，往往會存在多種問題，通過改進(jìn)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測技術(shù)可以有效的對系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，本研究就是基于不平衡電橋和隔直電容原理，通過電路的接地電阻與交流竄入等情況進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)不平衡電橋法的檢測技術(shù)，并通過MATLAB/Simulink軟件仿真進(jìn)行測試，并在實(shí)驗(yàn)室中通過硬件平臺進(jìn)行研究，接地電阻和交流竄入的檢測精度滿足直流系統(tǒng)運(yùn)行要求，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明改進(jìn)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測技術(shù)能夠有效的對電路進(jìn)行檢測。

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作者簡介：羅志強(qiáng)（1969-），男，廣東中山人，本科，講師，電工高級技師，研究方向：電氣運(yùn)行與控制智能化。