程玉凱，楊建波

（國網(wǎng)福建電力公司漳州供電公司，漳州 363000）

0 引言

變電站直流系統(tǒng)的負(fù)荷包括繼電保護裝置、通信裝置、UPS 和事故照明等，是二次設(shè)備正常運行的重要保障.隨著變電站規(guī)模的擴大，直流系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)量越來越多，運行環(huán)境越來越惡劣［1］.直流系統(tǒng)因存在單點絕緣下降或接地必須及時處置，否則將出現(xiàn)兩點或多點接地，導(dǎo)致保護裝置誤動或拒動［2］.正源于此，變電站內(nèi)大多配置了絕緣監(jiān)測裝置，用于實時監(jiān)測直流系統(tǒng)母線、支路對地絕緣狀態(tài)，幫助運行人員及時發(fā)現(xiàn)和排除故障.

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的原理主要有平衡電橋法、不平衡電橋法、電壓監(jiān)視法、低頻注入法、漏電流法等［3］，這些方法各有優(yōu)點和缺陷，單獨采用其中一個方法均無法達(dá)到理想效果，因此有必要對這些方法進行優(yōu)勢整合，通過事件驅(qū)動方式，制定合理的控制策略，達(dá)到快速、準(zhǔn)確監(jiān)視絕緣狀態(tài)的目的［4］.目前，越來越多的絕緣監(jiān)測廠家放棄了低頻注入法，因為該方法不但會造成直流電壓波紋系數(shù)增大，而且由于分布電容的存在導(dǎo)致絕緣測量不準(zhǔn)確.目前電橋法和漏電流法測量絕緣電阻已成為主流方式［5］.本文提出了一種依靠事件驅(qū)動的方式，在不同時間選擇不同的方法，減少了正常情況下直流電壓波動，加快了絕緣能力降低或接地情況下絕緣電阻的計算速度，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性.

1 系統(tǒng)監(jiān)視及絕緣電阻計算

1.1 系統(tǒng)監(jiān)視

系統(tǒng)正常時，采用監(jiān)視平衡電橋兩端電壓（即正負(fù)母線對地電壓）的方式監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，其原理如圖1 所示.

圖1 電壓測量原理圖

圖1 中，R+、R-為正負(fù)極對地絕緣電阻，R為平衡橋電阻，U+、U-為平衡電阻兩端的電壓、U為正負(fù)極母線兩端電壓.

根據(jù)戴維南定理可得：

式（1）中有R+、R-兩個未知數(shù)，無法求解.

用U表示正負(fù)母線之間的電壓，滿足下式：

聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

由式（3）可以看出，正負(fù)極母線對地電壓與正負(fù)極母線間電壓之比可以反映R+、R-的相對大小.當(dāng)R+=R-時，=0.5；當(dāng)R+>R-時，>0.5；當(dāng)R+

1.2 母線絕緣電阻測量

對于母線絕緣電阻的測量，本文采用平衡橋和不平衡橋原理相結(jié)合的方式進行計算.其原理如圖2 所示.

圖2 母線絕緣電阻測量原理圖

當(dāng)開關(guān)S 在斷開位置時滿足式（2），當(dāng)開關(guān)S 在閉合位置時，滿足下式：

用U1+、U1-表示S 斷開時，平衡電阻兩端的電壓，用U2+、U2-表示S 閉合時平衡電阻兩端的電壓.聯(lián)立式（2）和（4）可得：

通過式（5）即可得到正負(fù)極母線絕緣電阻.

本方法通過斷合開關(guān)S 得到平衡電橋和不平衡電橋兩種接線方式下關(guān)于正負(fù)母線對地絕緣電阻的方程組，通過求解得到正負(fù)母線對地絕緣電阻大小.值得注意的是，開關(guān)S 斷合會造成母線電壓頻繁波動，不利于直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定［6］.

1.3 支路絕緣電阻測量

高精度直流互感器的應(yīng)用使得支路絕緣電阻測量成為可能，其測量原理如圖3 所示.

圖3 支路絕緣電阻測量原理圖

由圖3 可知，當(dāng)開關(guān)S 斷開時，假設(shè)支路漏電流傳感器測得的漏電流為ΔI1，則滿足：

當(dāng)開關(guān)S 閉合時，假設(shè)支路漏電流傳感器測得的漏電流為ΔI2，則滿足：

聯(lián)立式（6）和式（7），得到

那么對于支路來說其對地綜合等效電阻Rd可表示為：

由上式可知開關(guān)S 斷開和閉合兩個時間段內(nèi)正/負(fù)電壓變化量與漏電流變化量之比即為支路等效電阻.

多支路發(fā)生單極接地時，均可根據(jù)式（9）快速得到支路絕緣電阻值，因而式（9）也可作為判斷支路是否發(fā)生絕緣下降或接地的參考指標(biāo).

2 事件驅(qū)動型絕緣電阻測量流程

直流系統(tǒng)的運行狀態(tài)可分為三種：正常運行狀態(tài)、絕緣下降狀態(tài)和接地狀態(tài).這三個狀態(tài)是可以互相轉(zhuǎn)換的，系統(tǒng)運行過程中，母線或支路易出現(xiàn)老化或受潮的現(xiàn)象，正常運行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為絕緣下降狀態(tài).此時若放任故障點繼續(xù)存在，那么絕緣下降狀態(tài)就會轉(zhuǎn)換為完全失地狀態(tài).若此時現(xiàn)場人員找到故障點并成功隔離，系統(tǒng)就會由絕緣下降狀態(tài)/接地狀態(tài)恢復(fù)到正常運行狀態(tài)［7-8］.

由式（3）可知，U+與U之比可以反映正負(fù)極母線絕緣電阻的相對變化，因此可以選擇值的大小判斷母線是否出現(xiàn)單極絕緣下降.

系統(tǒng)進入絕緣下降或接地狀態(tài)后，首先應(yīng)判斷故障點出現(xiàn)在母線上還是在支路上.當(dāng)支路上存在故障點時，典型特征為漏電流互感器電流出現(xiàn)較大變化.利用這一特征即可識別故障點的位置.若系統(tǒng)中有k條支路，那么每條支路漏電流用ΔI0k表示，其中k=1,2,3,???,n，當(dāng)滿足下式時，可以認(rèn)為支路k存在故障點.

若規(guī)定了漏電流傳感器正方向，則可以根據(jù)ΔI0k的正負(fù)判斷支路故障點靠近正極還是負(fù)極.

僅單支路存在故障點時，絕緣電阻的計算結(jié)果可以按照式（8）或式（9）得到，多條支路均有故障點時，各支路絕緣電阻計算可以按照式（9）得到.

若支路漏電流ΔI0k未大于閾值，可以認(rèn)定故障點在母線上，此時可以按照式（5）求得絕緣電阻的大小.

若此時求得的R+、R-均小于閾值RLJ+、RLJ-時，判斷正負(fù)極母線絕緣同時下降/失地，反之，則報單極絕緣下降或失地.

事件驅(qū)動型絕緣電阻測量流程如圖4 所示.

圖4 事件驅(qū)動型絕緣電阻測量流程圖

3 PSIM仿真

3.1 平衡電阻選擇

變電站內(nèi)直流系統(tǒng)電源是直流充電機和蓄電池，由于蓄電池長期處于浮充狀態(tài)，蓄電池單節(jié)電壓按照2.25 V，數(shù)量按照104 塊計算，正常情況下正負(fù)母線間電壓滿足：U=234 V.絕緣正常情況下，正負(fù)母線對地絕緣電阻為100 kΩ.

U+>137 V 或U+<97 V

再根據(jù)式（3），可得

此時滿足

R<70.18

即設(shè)置平衡電阻小于70.18 kΩ，此時當(dāng)電壓預(yù)報警后，啟動母線絕緣電阻測量絕緣電阻大小滿足報警的要求.平衡電阻選擇過小容易導(dǎo)致絕緣下降影響運行，因此在工程實際中，一般選擇20～50 kΩ為宜.

3.2 支路漏電流閾值選擇

若選擇平衡電阻R=50 kΩ，當(dāng)支路正極對地絕緣電阻為50 kΩ，支路負(fù)極對地絕緣電阻為100 kΩ時，根據(jù)式（3）可得：

同理可得：

因而，漏電流可表示為：

由此可知，當(dāng)支路單極絕緣電阻報警時，支路漏電流閾值應(yīng)小于0.6686 mA，此時支路絕緣下降方可報警.

3.3 仿真平臺搭建

在PMIS 仿真平臺搭建仿真模型，基本參數(shù)如下：母線兩極電壓U=234 V，正負(fù)極母線對地絕緣電阻為100 kΩ，平衡電阻為50 kΩ，負(fù)極并列投切電阻為100 kΩ，投切周期為0.01 s.漏電流閾值為0.5 mA，支路數(shù)量為3，仿真時間為0.1 s.

電壓監(jiān)視模型如圖5 所示.

圖5 電壓監(jiān)視模型圖

U1+與U2+的生成模型圖如圖6 所示.

圖6 U1+與U2+的生成模型圖

U1-、U2-、ΔI1、ΔI2也可通過圖6 所示模型得到.

3.3.1 模擬單極母線絕緣下降

在0.05 s 時，負(fù)極母線絕緣電阻下降至40 kΩ，此時啟動母線絕緣電阻計算模塊.

正母線對地電壓和負(fù)母線監(jiān)測絕緣電阻波形如圖7 所示.

圖7 正母線對地電壓和負(fù)母線對地絕緣電阻實時監(jiān)測波形圖

由圖7 可知，0.05 s 負(fù)母線絕緣電阻下降后，負(fù)極并列電阻R0投入，正極母線對地電壓出現(xiàn)波動，此時負(fù)極母線絕緣電阻測量值經(jīng)過0.005 s 后，跟蹤計算得到的母線絕緣電阻在40 kΩ 左右，該值與預(yù)設(shè)電阻值是一致的.

3.3.2 模擬多支路絕緣下降

在支路1 中設(shè)置0.5 s 時綜合等效絕緣電阻由50 kΩ 降低為25 kΩ，在支路2 設(shè)置0.75 s 時綜合等效絕緣電阻由50 kΩ 降低為25 kΩ，支路3 等效絕緣電阻不變，一直為50 kΩ.

3 條支路綜合等效絕緣電阻實時監(jiān)測波形如圖8 所示.

圖8 3條支路絕緣等效電阻實時監(jiān)測波形圖

如圖8 所示，支路1 和支路2 綜合等效絕緣電阻分別在0.055 s 和0.08 s 后下降為25 kΩ，支路3 綜合等效絕緣電阻一直為50 kΩ.由此可知，采用式（9）可以實時準(zhǔn)確地對各支路綜合等效絕緣電阻進行監(jiān)測.

4 結(jié)論

直流電源是變電站內(nèi)重要的二次能源系統(tǒng)，其可靠運行是保障變電站設(shè)備正常運行的關(guān)鍵.本文提出的直流系統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測方法優(yōu)點在于，在直流系統(tǒng)正常運行時不必用高頻開關(guān)的閉合構(gòu)建不平衡橋，因而不會導(dǎo)致直流電壓的波動.當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時，首先識別支路和母線故障，通過不同方法快速求得支路或者母線對地絕緣阻值，展示了絕緣下降的程度，為現(xiàn)場人員查找故障點提供了可靠的參考.通過在PSIM 軟件中搭建仿真模型，驗證了所提方法的正確性和準(zhǔn)確性.但需要指出的是，本文所提方法仍然有一定的局限性，即當(dāng)直流系統(tǒng)兩極同時下降且下降比例相差不大時，該方法不能進行有效識別，此問題的解決方案需要進一步的研究.