錢烈江，李長云，徐 曦，2，崔兆蕾

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 株洲 412000;2.湖南省智能信息感知及處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,湖南 株洲 412000)

0 引言

絕緣性是直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，其優(yōu)劣直接關(guān)系到變電站、發(fā)電廠和鋁電解等需要直流系統(tǒng)場所的正常運(yùn)行[1-5]。在直流系統(tǒng)中，支路單點(diǎn)接地為頻發(fā)性絕緣故障，其對(duì)直流系統(tǒng)的影響較小，即便發(fā)生，直流系統(tǒng)也能正常運(yùn)行。但是若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他支路也發(fā)生接地線故障時(shí)，幾個(gè)接地點(diǎn)通過地端形成信號(hào)回路，會(huì)導(dǎo)致多點(diǎn)接地的嚴(yán)重故障，引發(fā)短路和保護(hù)裝置誤操作。因此，對(duì)直流系統(tǒng)接地故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位顯得尤為重要[2-3]。

針對(duì)以上問題，本文提出一種新型、有效的間接零點(diǎn)漂移消除法，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障支路。該方式是對(duì)以往幾種傳統(tǒng)方法的改進(jìn)與結(jié)合：通過單個(gè)采樣電阻對(duì)正負(fù)母線的交替投切，獲得直流系統(tǒng)的兩個(gè)瞬態(tài)；通過對(duì)獲取的瞬態(tài)值進(jìn)行建模對(duì)比分析，計(jì)算出電路的漏電流和絕緣電阻阻值。在此，采用單個(gè)電阻的投切是為了減少電阻在投切過程中對(duì)直流電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。該方式可消除直流系統(tǒng)中電容的影響，及時(shí)、準(zhǔn)確地定位單個(gè)或者多個(gè)故障支路，并且有效消除傳感器的零點(diǎn)漂移和溫漂的影響，排除它們引起的誤報(bào)和漏報(bào)，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度。

1 間接零點(diǎn)漂移消除法原理分析

直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測大致分為三類：變頻探測法、直流漏電流法和電橋法[6-8]。變頻法是向直流系統(tǒng)里注入低幅值、低頻率的交流信號(hào)，但是這樣做會(huì)造成直流電網(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)，增大其紋波系數(shù)，影響電網(wǎng)質(zhì)量。另外，受電網(wǎng)中其他諧波信號(hào)和對(duì)地電容的影響，很難直接定位到故障的發(fā)生點(diǎn)，需要排除其他同頻率注入信號(hào)的干擾信號(hào)，并從對(duì)地電容中找出電阻性電流[2,9]，以確定真實(shí)的絕緣電阻。直流漏電流法是一種簡單的巡檢定位方式，通過檢測直流系統(tǒng)中支路對(duì)地漏電流是否平衡來判斷接地支路的絕緣性。但由于漏電流本身很小，難以測量，影響了檢測的準(zhǔn)確性和靈敏度。電橋法通過在正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻上并聯(lián)電阻，形成平衡電橋。利用平衡電橋原理，若支路一端發(fā)生接地故障，會(huì)導(dǎo)致電橋不平衡，從而發(fā)出漏電警告[10-11]。但是當(dāng)正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻的阻值因故障變小時(shí)，由平衡電橋原理可知，此時(shí)電橋仍處于平衡狀態(tài)，這就會(huì)導(dǎo)致絕緣性故障的漏報(bào)。此外，電橋法只能監(jiān)測母線的絕緣性而無法對(duì)故障支路進(jìn)行定位。

間接消除法是結(jié)合電橋法和直流漏電流流監(jiān)測法改進(jìn)而產(chǎn)生的監(jiān)測方式。直流漏電流監(jiān)測法是對(duì)母線電壓和檢測電阻投切后的支路對(duì)地絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測[12-15]。由于支路使用的套裝傳感器存在較大的零度漂移溫漂等影響，所以在此基礎(chǔ)上分別向正負(fù)母線投切檢測電阻后獲得這兩次電路的母線電壓，并通過對(duì)支路漏電流和支路對(duì)地絕緣電阻值作差后的絕對(duì)值進(jìn)行綜合計(jì)算。該方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于投切電阻時(shí)間上的把握，必須做到瞬態(tài)變化。電流傳感器的基準(zhǔn)零點(diǎn)值I0是關(guān)于時(shí)間和溫度等因素的非線性函數(shù)。當(dāng)投切時(shí)間極短，就可以看成是一個(gè)固定的常數(shù)，所以可以忽略兩次投切變化中傳感器基準(zhǔn)零點(diǎn)漂移量的影響，以及零度漂移對(duì)直流系統(tǒng)支路對(duì)地絕緣電阻阻值的影響，保證了檢測的精確性。

(1)

1.1 母線絕緣電阻的建模分析

在盡量減少對(duì)直流系統(tǒng)影響的情況下，分別交替地向母線正負(fù)極投入檢測電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，直流系統(tǒng)多采用兩段單母線的接線方式，在此只截取一段進(jìn)行分析。直流系統(tǒng)母線接線原理如圖1所示。

圖1 直流系統(tǒng)母線接線原理圖

圖1中：Rx+、Rx-分別為直流系統(tǒng)中支路對(duì)地的絕緣電阻；Um為正負(fù)母線間電壓；Um1+、Um1-分別為m母線的1#支路的正極和負(fù)極對(duì)地電壓；Im1+、Im1-分別為1#支路正極母線流入負(fù)載和負(fù)極母線流出負(fù)載的電流值；R為投入的檢測電阻。

假設(shè)電子開關(guān)定時(shí)閉合S1和S2，根據(jù)傳統(tǒng)的絕緣電阻計(jì)算：

(2)

當(dāng)S1打開、S2閉合時(shí):對(duì)地電壓表Um+是母線對(duì)地電壓而非絕緣電阻對(duì)地電壓；而Um-是檢測電阻R兩端的電壓。在實(shí)際情況下，Um+明顯大于Um-，因此式(2)中母線對(duì)地絕緣電阻值是不準(zhǔn)確的。本文采用電子開關(guān)定時(shí)自動(dòng)切換S1和S2。當(dāng)S1閉合、S2打開時(shí)，正極母線接入檢測電阻等效電路如圖2所示。

圖2 正極母線接入檢測電阻等效電路圖

(3)

當(dāng)S1打開、S2閉合時(shí)，負(fù)極母線接入檢測電阻等效電路如圖3所示。

圖3 負(fù)極母線接入檢測電阻等效電路圖

(4)

(5)

1.2 漏電流傳感器零點(diǎn)漂移的抑制

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，為盡快縮小故障的范圍、提高對(duì)接地故障的快速響應(yīng)，本文對(duì)傳統(tǒng)的支路檢測方式作了改進(jìn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如圖1所示，I1+=I1-,傳感器漏電流之差為零，系統(tǒng)不報(bào)警。但是在支路漏電流檢測中，通常會(huì)忽略傳感器的零點(diǎn)漂移。傳感器測得的漏電流為：

Imx=Imx+-Imx-

(6)

式中：Imx+和Imx-分別為x支路正負(fù)極流進(jìn)和流出的漏電流。當(dāng)支路絕緣性發(fā)生故障時(shí)，Imx不為零，但是又忽略了零點(diǎn)漂移變化這一微弱的量。根據(jù)歐姆定律，可知測得的絕緣電阻值將會(huì)有很大的誤差。真實(shí)的傳感器漏電流是：

Imx=Imx+-Imx-+I0

(7)

傳感零點(diǎn)漂移的影響因素有很多，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中可以發(fā)現(xiàn)，溫度是最重要的影響因素。由于溫度具有不會(huì)瞬時(shí)變化這一物理特性，本文采用兩次很短時(shí)間內(nèi)交替投切的方式檢測電阻。對(duì)所獲得的兩組漏電流量取絕對(duì)變化，由于時(shí)間很短，可以忽略這時(shí)間內(nèi)變化的環(huán)境因素，因此傳感器基準(zhǔn)漏電流f(I0)的變化可以看作常數(shù)。根據(jù)基爾霍夫定律，可知兩次測得的傳感器漏電流分別為：

(8)

由式(8)可知，當(dāng)兩式作差，可以間接地消除傳感器漏電的影響：

(9)

(10)

1.3 支路絕緣電阻值的建模分析

由前文分析可知，計(jì)算機(jī)獲得的母線絕緣電阻值Rx、Ry只能判斷母線對(duì)地的絕緣情況，無法判斷支路發(fā)生的接地故障。為及時(shí)掌握直流系統(tǒng)中每條支路的絕緣狀況，需要在每條支路中安裝套裝漏電流傳感器，從而獲得本支路的漏電，進(jìn)而推算出本支路的絕緣電阻值大小，并實(shí)現(xiàn)支路故障的及時(shí)定位。

在圖1的直流系統(tǒng)接線模式下，假設(shè)1#支路正負(fù)極同時(shí)經(jīng)絕緣電阻接地，此時(shí)等效電路圖如圖4所示。當(dāng)電子開關(guān)閉合S1時(shí)，I1+和I1-分別為支路正負(fù)極接地漏電電流，微機(jī)檢測出此時(shí)的母線間電壓Um、檢測電阻端電壓Um+、漏電流傳感器I1。

圖4 支路正極母線接入檢測電阻等效電路圖

(11)

同理，當(dāng)電子開關(guān)閉合S2時(shí)，支路負(fù)極母線接入檢測電阻等效電路如圖5所示?？傻么藭r(shí)檢測電阻R端電壓Um-，漏電流傳感器漏電流I2。由于兩次切換時(shí)間很短，可以忽略母線電壓的變動(dòng)。

圖5 支路負(fù)極母線接入檢測電阻等效圖

(12)

聯(lián)立式(11)、式(12)，可得：

[Um-(Um++Um-)]

(13)

可得：

(14)

當(dāng)2#支路發(fā)生正極R2+單極接地時(shí)，計(jì)算機(jī)同樣可以測得兩組母線間電壓Um，檢測電阻分別接正負(fù)母線時(shí)端電壓Um+和Um-，以及兩種情況下傳感器漏電值ΔI。

(15)

在直流系統(tǒng)絕緣故障中，多點(diǎn)接地是最嚴(yán)重的情況。當(dāng)發(fā)生多點(diǎn)接地時(shí)，絕緣系統(tǒng)是否能正常工作，是直流系統(tǒng)絕緣保護(hù)的重要參考點(diǎn)。

經(jīng)過以上的分析，該檢測方式同樣適用于2點(diǎn)以上支路同極性同時(shí)接地檢測。所以，當(dāng)支路發(fā)生多點(diǎn)同時(shí)絕緣性下降的時(shí)候，式(14)同樣適用，也能夠檢測出所有的故障支路。

1.4 絕緣電阻的選擇

本文采用的非平衡電橋，以換極接入的方式檢測電阻。電阻的投切過程會(huì)影響正負(fù)極電壓的波動(dòng)。切換電阻越小，電阻波動(dòng)越大，檢測越靈敏；而電壓的波動(dòng)大小將直接影響該二次保護(hù)裝置的判斷角度。根據(jù)直流系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全事故防范措施中的相關(guān)規(guī)定，二次保護(hù)裝置動(dòng)作值(如繼電器，光耦合器等元件的保護(hù)動(dòng)作電壓)設(shè)計(jì)范圍為0.55～0.7 V，所以繼電器等保護(hù)裝置兩端電壓最大值要小于0.55 V[16]。為了滿足檢測的準(zhǔn)確度要求，必須將對(duì)地電壓幅值變化控制在5%U。根據(jù)以上的要求，可以求出：模擬接地絕緣電阻的報(bào)警閥值為25 kΩ；220 V直流系統(tǒng)中切換電阻的阻值是80～120 kΩ；110 V直流系統(tǒng)切換電阻值是40～60 kΩ[16]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)圖1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建回路進(jìn)行模擬測試，對(duì)本文提出的檢測方式進(jìn)行驗(yàn)證。漏電流傳感器需具備精度高、不受線路分布電容影響的特性。漏電流傳感器的量程通常是0～10 mA，精確度有0.5級(jí)和1.0級(jí)。因此，本文選擇0.5級(jí)、5～10 mA的穿心式智能漏電流傳感器。根據(jù)以上描述，報(bào)警閥值為25 kΩ,在模擬試驗(yàn)中分別選擇24～200 kΩ范圍內(nèi)的電阻接入正負(fù)母線進(jìn)行模式測試，以驗(yàn)證其是否能準(zhǔn)確報(bào)警，以及測試誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)；而投切電阻R選擇100 kΩ[16]。

在試驗(yàn)中，首先將母線正負(fù)極的絕緣電阻接地,正極分別接入24～200 kΩ的絕緣電阻,負(fù)極接入30～200 kΩ的絕緣電阻。母線絕緣測試和支路絕緣測試數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

表1 母線絕緣測試

由表1可以看出，采用式(5)計(jì)算出的母線對(duì)地絕緣電阻的阻值在工業(yè)設(shè)計(jì)要求的5%以內(nèi)，達(dá)到了安全生產(chǎn)的要求。當(dāng)絕緣阻值偏大時(shí)，絕對(duì)誤差也越大，但是相對(duì)誤差也在要求范圍內(nèi)。其主要原因還在于檢測儀器精度問題，導(dǎo)致了誤差被放大。

由表1可知該方式運(yùn)行的可靠性和準(zhǔn)確性。當(dāng)母線先出現(xiàn)故障時(shí),需要立即檢測和定位支路故障，從而排除支路存在的隱患。在支路的模擬故障試驗(yàn)中，將2#支路和3#支路正極分別接入30～300 kΩ的絕緣電阻，電子開關(guān)定時(shí)的分別接入S1和S2,從而獲得不同的直流電壓和漏電流。利用式(5)獲得間接消除零點(diǎn)漂移后的電阻值，并將其作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

由表2可知,在本文的提出的檢測方式下，誤差范圍控制在工業(yè)要求的5%以內(nèi),符合安全生產(chǎn)要求。隨著電阻值從大到小試驗(yàn),結(jié)果中絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差隨之變小。其中主要原因在于當(dāng)電阻值較大時(shí)，電路中漏電流就很小。而漏電流傳感器的檢測精度是有一定范圍，所以導(dǎo)致誤差會(huì)偏大。由最后一組數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)2#直接正極接地時(shí)，3#支路對(duì)地絕緣正常，電阻可看作無窮大。這種情況下，利用式(15)得到的誤差也控制在5%內(nèi)，證明了該改進(jìn)方式的可行性。

表2 支路絕緣測試

3 結(jié)束語

本文對(duì)傳統(tǒng)絕緣檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出間接消除法，并著重介紹了采用間接消除法檢測接地故障的原理和方式。間接消除法間接地消除了傳感器零點(diǎn)漂移溫漂的影響，以及實(shí)際生產(chǎn)中的誤報(bào)和漏報(bào)。其能夠?qū)吸c(diǎn)和多點(diǎn)正負(fù)母線絕緣同時(shí)下降的故障進(jìn)行監(jiān)測和報(bào)警，并有效地對(duì)故障范圍進(jìn)行定位。