黃海宏，黃煜煒，劉鑫

（1.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230000）

直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠和變電站中保護(hù)、信號、通訊等回路的電源，其繞行回路長，分布支路多，經(jīng)常會由于線路老化或人為損傷等原因，造成線路絕緣下降，甚至直接接地，進(jìn)而引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動作，甚至熔斷器熔斷或主回路跳閘等嚴(yán)重后果[1-3]。為了保證這些分支網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行，防止因絕緣問題導(dǎo)致事故發(fā)生，發(fā)電廠和變電站中均安裝微機(jī)型直流絕緣監(jiān)察裝置。但隨著時間推移和環(huán)境變化，一些老場站會出現(xiàn)絕緣監(jiān)察裝置漏報或誤報現(xiàn)象，形成直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行隱患。其中首要原因就是直流漏電流傳感器會發(fā)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[4]，造成絕緣電阻計算不準(zhǔn)，引起絕緣監(jiān)察裝置漏報或誤報。因此需要開發(fā)出便攜式絕緣檢測校驗儀器，在發(fā)生故障時輔助查找故障支路，還可以校驗已有絕緣監(jiān)察裝置精度。

作為檢測儀表，便攜式絕緣檢測校驗儀器應(yīng)確保原有直流系統(tǒng)安全，不能引起繼電保護(hù)裝置誤動作。文獻(xiàn)[5-6]分析了一點(diǎn)接地引發(fā)繼電保護(hù)誤動作原理，并提出單橋臂系統(tǒng)設(shè)計方式，但未對檢測算法進(jìn)行分析。同時，便攜式絕緣檢測校驗儀器應(yīng)便于操作，故選用開合式的鉗型直流漏電流傳感器，但鉗型直流漏電流傳感器零漂較大，不能滿足計算精度要求。為克服直流漏電流傳感器零漂，文獻(xiàn)[7-8]提出動態(tài)差值法思想，并結(jié)合雙橋臂系統(tǒng)進(jìn)行了算法分析。

本文結(jié)合單橋臂設(shè)計方式和動態(tài)差值法思想，詳細(xì)推導(dǎo)了適用于便攜式絕緣檢測的單橋臂母線絕緣算法和支路絕緣動態(tài)差值算法，該算法可以有效降低一點(diǎn)接地引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動作風(fēng)險，并能抵消漏電流傳感器零漂影響?；谠撍惴ㄔO(shè)計了一款便攜式的絕緣檢測校驗一體機(jī)，利用該一體機(jī)進(jìn)行試驗，證明了算法的有效性和計算精度。

1 防止一點(diǎn)接地誤動的單橋臂設(shè)計

雙橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖中，Rp和Rn為正、負(fù)極直流母線對地電阻；Cp和Cn為正、負(fù)極直流母線對地電容；R為平衡橋電阻；R0為切換橋檢測電阻；Sp和Sn為正、負(fù)極橋臂切換開關(guān)；RJ為出口動作繼電器線圈內(nèi)阻。正常運(yùn)行時，通過橋臂開關(guān)Sp和Sn定時切換，形成不平衡橋，引起電壓波動，測量不同開關(guān)狀態(tài)下的up和un便可以計算出直流系統(tǒng)對地電阻[9-10]。

圖1 雙橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of dual-arm DC insulation monitoring system

一般而言，由于直流母線正、負(fù)極均不接地，所以當(dāng)某一點(diǎn)發(fā)生接地時，不會對系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響，只有兩點(diǎn)接地才會影響系統(tǒng)安全，但根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗表明，一點(diǎn)接地同樣可能引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動作。根據(jù)文獻(xiàn)[5]分析可知，直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地誤動作需要3個條件：直流系統(tǒng)對地電容達(dá)到一定數(shù)量級；保護(hù)出口繼電器線圈正電源側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地；絕緣監(jiān)察裝置正常運(yùn)行過程中直流母線負(fù)極對地電壓超過了保護(hù)出口繼電器動作電壓。

圖1所示的雙橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，當(dāng)投入正極檢測電阻后，必然會造成系統(tǒng)正極對地等效電阻減小，從而引起系統(tǒng)負(fù)極對地電壓升高。若此時系統(tǒng)正極對地電阻遠(yuǎn)小于系統(tǒng)負(fù)極對地電阻，或者檢測電阻阻值選取不合適，可能會造成直流系統(tǒng)負(fù)極對地電壓大于繼電器動作電壓，為繼電保護(hù)誤動作提供了一個條件。為了杜絕檢測電阻投入引起絕緣監(jiān)測裝置誤動作，可以采用單橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)，原理圖如圖2所示。

圖2 單橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of single-arm DC insulation monitoring system

圖2所示的單橋臂直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)，由于只有負(fù)極母線和地之間有檢測電阻進(jìn)行切換，檢測電阻投入時，使得系統(tǒng)負(fù)極對地電阻減小，從而減小負(fù)極母線對地電壓，不會出現(xiàn)由于檢測電阻投切使得負(fù)極對地電壓超過繼電器動作電壓的情況，可以有效降低由于一點(diǎn)接地引發(fā)的繼電保護(hù)誤動作風(fēng)險。

2 直流漏電流傳感器零漂

電流檢測主要包括霍耳效應(yīng)、電磁感應(yīng)、光電效應(yīng)和磁光效應(yīng)等方法，由于直流漏電流是一種差值小信號，僅在mA級別，通常采用電磁感應(yīng)方式檢測剩余電流，常用測試方法是基于磁調(diào)制原理。目前，大多數(shù)直流漏電流傳感器采用的是磁通門技術(shù)，利用互感器電磁隔離的原理，將需要檢測的直流電流信號轉(zhuǎn)換為固定比率的直流電流或者直流電壓信號[11]。

直流漏電流傳感器為了維持內(nèi)部的磁場平衡，采用內(nèi)部的方波震蕩器產(chǎn)生電流來補(bǔ)償原邊電流，使輸出電壓或電流能夠準(zhǔn)確反映原邊電流，故可用來檢測直流小電流和差值電流。在使用時，用直流漏電流傳感器夾住某一條線路，測量的是該線路中流過的直流電流，夾住兩條線路測量的是兩條線路中電流的差值，即漏電流。

但是由于溫度變化、磁芯飽和或者傳感器內(nèi)部噪聲、漂移失調(diào)等原因，直流漏電流傳感器會存在一定的零點(diǎn)漂移，尤其是開合式的鉗型漏電流傳感器由于磁路不是完全緊密結(jié)合，零點(diǎn)漂移現(xiàn)象更為嚴(yán)重。圖3所示為某型號的三個鉗型直流漏電流傳感器的零漂隨時間變化圖，每隔2 min測量一次傳感器零漂；圖4所示為某型號的一個鉗型直流漏電流傳感器分別兩次測得的零漂隨時間變化圖。

圖3 三個漏電流傳感器零漂隨時間變化圖Fig.3 The zero drift of three leakage current sensors changes with time

圖4 一個漏電流傳感器兩次零漂隨時間變化對比圖Fig.4 Comparison of two zero drift changes with time for a leakage current sensor

從圖3可以看出，該型號鉗型漏電流傳感器零漂隨時間波動較大，雖為同一型號，但是零漂各不相同。從圖4可以看出，即使是同一個傳感器，在不同環(huán)境下，零漂變化也不相同，且沒有固定規(guī)律，不能采用數(shù)據(jù)擬合等方式得出零漂變化曲線。在實際絕緣電阻計算中，如果測得的漏電流誤差達(dá)到0.1 mA級別就會帶來較大誤差，而上圖所示傳感器零漂最大可達(dá)1 mA級別，由此計算出的絕緣電阻將無法反映真實絕緣情況。閉合式直流漏電流傳感器相對于開合式傳感器通常精度更高，零漂更穩(wěn)定，但不能滿足便攜式絕緣檢驗儀器需要，所以必須采取相應(yīng)辦法克服傳感器零漂影響。

3 算法研究

3.1 母線絕緣算法

單橋臂系統(tǒng)檢測母線絕緣狀況原理如圖5所示。圖5a是橋臂開關(guān)S打開時的等效電路，此時分別測量正、負(fù)母線對地電壓up1和un1；圖5b是橋臂開關(guān)S閉合時的等效電路，此時分別測量正、負(fù)母線對地電壓up2和un2。

圖5 單橋臂檢測母線絕緣原理圖Fig.5 Schematic diagram of single-arm detection bus insulation

3.2 支路絕緣算法

單橋臂系統(tǒng)檢測支路絕緣狀況原理如圖6所示。圖中，Rkp為支路k正極對地電阻，Rkn為支路k負(fù)極對地電阻。圖6a是橋臂開關(guān)S打開時的等效電路，此時分別測量正、負(fù)母線對地電壓up1和un1以及支路k的漏電流Ik1；圖6b是橋臂開關(guān)S閉合時的等效電路，此時分別測量正、負(fù)母線對地電壓up2和un2以及支路k的漏電流Ik2。

圖6 單橋臂檢測支路絕緣原理圖Fig.6 Schematic diagram of single-arm detection branch insulation

若直流系統(tǒng)僅正極接地，負(fù)極不接地，此時Rkn趨向于無窮，則式（21）計算的值即為Rkp。同理，若直流系統(tǒng)僅負(fù)極接地，正極不接地，此時Rkp趨向于無窮，則式（21）計算的值即為Rkn。

若直流系統(tǒng)正、負(fù)極均接地，可分兩種情況：當(dāng)計算的支路絕緣電阻并聯(lián)值大于絕緣電阻報警值或預(yù)警值時，該支路的正、負(fù)極接地電阻必然大于絕緣電阻報警值或預(yù)警值，該支路絕緣情況沒有問題；當(dāng)計算的支路絕緣電阻并聯(lián)值小于絕緣電阻報警值或預(yù)警值時，該支路絕緣情況可能存在問題，需對該支路進(jìn)行檢查。

4 一體機(jī)設(shè)計和實驗驗證

4.1 便攜式絕緣檢測校驗一體機(jī)設(shè)計

便攜式絕緣檢測校驗一體機(jī)系統(tǒng)如圖7所示，主要分為數(shù)據(jù)采樣和計算顯示兩個部分。數(shù)據(jù)采樣采用霍耳電壓傳感器和鉗型直流漏電流傳感器，并采用16位的AD采樣芯片以滿足采樣數(shù)據(jù)的采樣精度；開關(guān)切換、數(shù)據(jù)處理和算法計算采用型號為TMS320F28335的DSP，程序用C語言編寫，計算結(jié)果通過一塊液晶屏幕實時顯示。

圖7 直流絕緣檢測校驗一體機(jī)系統(tǒng)圖Fig.7 System diagram of DC insulation testing and verification integrated machine

采集單元主要承擔(dān)的工作是采集不同開關(guān)時刻正、負(fù)極母線對地電壓和漏電流傳感器測量的電流。被測電壓首先通過限流電阻轉(zhuǎn)換為不高于10 mA的電流，然后經(jīng)過變比為10 mA∶25 mA的電流型霍耳電壓傳感器，在傳感器副邊感應(yīng)出相應(yīng)的電流，最后通過對地電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號送入AD芯片。被測漏電流首先通過變比為100 mA∶2.5 V的鉗型直流漏電流傳感器，把原邊檢測到的漏電流變換為電壓信號。由于檢測的漏電流相對較小，轉(zhuǎn)換后的電壓信號偏低，與后級AD的測量范圍相差較遠(yuǎn)，為提高測量精度，設(shè)置同向放大電路和跟隨電路將其電壓信號放大后再送入AD芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換[12-13]。

采集到的電壓和漏電流經(jīng)過AD芯片轉(zhuǎn)換送入DSP，首先通過電壓判斷接地情況，如果僅單極性接地，則此時液晶屏幕可直接顯示接地極的絕緣阻值；如果正、負(fù)極均接地，則顯示支路正、負(fù)極絕緣電阻并聯(lián)值。該一體機(jī)還可以通過按鍵設(shè)置模擬接地電阻值，可同時輸出4組模擬接地電阻，對已有的微機(jī)型直流絕緣監(jiān)察裝置進(jìn)行檢測能力校驗。

4.2 實驗驗證

為了驗證基于單橋臂的母線絕緣算法和支路動態(tài)差值算法的有效性，使用直流穩(wěn)壓電源輸出直流240 V模擬正、負(fù)母線，選用額定量程為100 mA的鉗型直流漏電傳感器檢測支路漏電流，其輸出電壓±2.5 V對應(yīng)電流±100 mA，選用不同阻值功率電阻作為支路絕緣電阻。平衡橋電阻R=30 kΩ，切換橋檢測電阻R0=30 kΩ，橋臂切換時間間隔為500 ms[14-15]。進(jìn)行了3次單支路正、負(fù)極均接地實驗，驗證母線絕緣算法；由于便攜式絕緣檢測校驗一體機(jī)可同時測量3個支路，所以分別進(jìn)行1次三支路單極性接地實驗和1次三支路正、負(fù)極均接地實驗，驗證支路絕緣算法。實驗數(shù)據(jù)分別如表1～表3所示。

表1 驗證母線絕緣算法實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Verify the experimental data of the bus insulation algorithm

表2 三支路單極性接地驗證支路算法實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Three-branch unipolar grounding verification branch algorithm experimental data

表3 三支路正負(fù)均接地驗證支路算法實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Three-branch both positive and negative polarity grouding rertification branch algoritm experimental data

由表1數(shù)據(jù)可以看出，母線絕緣算法可以準(zhǔn)確計算出母線對地絕緣電阻值；由表2數(shù)據(jù)可以看出，支路絕緣算法在單極性接地時可以準(zhǔn)確計算出接地極各支路接地電阻；由表3數(shù)據(jù)可以看出，支路絕緣算法在多支路正負(fù)極均接地時可以準(zhǔn)確計算出各支路正、負(fù)極接地電阻并聯(lián)值。綜上，本文推導(dǎo)的基于單橋臂的母線絕緣算法和支路動態(tài)差值算法實際有效，精度較高，且在檢測電阻投切過程中會使直流母線負(fù)極對地電壓減小，能有效降低一點(diǎn)接地引起保護(hù)繼電器誤動作風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文分析了一點(diǎn)接地引起繼電保護(hù)誤動作的基本原理，提出了防止一點(diǎn)接地誤動的單橋臂絕緣檢測系統(tǒng)設(shè)計，并詳細(xì)推導(dǎo)了便攜式絕緣檢測母線絕緣算法和支路動態(tài)差值算法，該算法推導(dǎo)過程簡潔明了，能夠克服直流漏電流傳感器存在的零漂，提高計算精度。經(jīng)便攜式絕緣檢測校驗一體機(jī)實驗，結(jié)果表明該算法精度較高，符合國家標(biāo)準(zhǔn)和便攜式絕緣檢測設(shè)備要求。但是，在直流系統(tǒng)正、負(fù)極均接地時，該算法僅能求得支路正、負(fù)極對地電阻并聯(lián)值，因此有待進(jìn)一步研究。