變電站直流故障檢測準確率提升方法研究

盛　煒，雷　興，徐　楠，孫婕韻，董志赟，劉高原

(國網上海市電力公司檢修公司，上海　201204)

變電站直流故障檢測準確率提升方法研究

盛煒，雷興，徐楠，孫婕韻，董志赟，劉高原

(國網上海市電力公司檢修公司，上海201204)

摘要：直流接地故障檢測不準確的原因主要包括漏電電力互感器(TA)零漂、調用切換時間長、存在分布電容。針對TA零漂，采用不平衡電橋的差流算法進行辨識，對接地電阻及零漂電流進行趨勢分析，并制定相應的檢修計劃。針對調用切換時間長，根據故障前后電流電壓的狀態量、接地電阻的計算量及三者的電氣聯系進行故障特征辨識，提出基于邏輯事件驅動的自動巡檢模式。針對系統分布電容，設計微小交直流測量元件和基于恒電阻電子電路的負載電路，并實現母線電壓的自適應平衡控制。

關鍵詞：接地故障；零漂電流；分布電容；動態調用

直流電源系統是變電站內三大隱蔽工程之一，為一些重要常規負荷、繼電保護及自動裝置、遠動通信裝置提供不間斷供電電源，并提供事故照明電源[1]。直流電源系統出現異常或故障時，就有可能引起信號裝置、繼電保護及自動裝置、斷路器的錯誤動作或拒絕動作，有可能造成直流電源短路，引起熔斷器熔斷或快分電源開關斷開，使設備失去操作電源，引發電力系統嚴重故障乃至事故，造成大面積停電。

直流系統出現異常或故障為緊急缺陷，消缺有時限要求，因此，需要快速處理。而220kV及以上變電站規模大，間隔多，若直流系統檢測準確率低，則導致排查故障的時間變長，加劇故障進一步惡化的風險；同時也擴大了帶電作業范圍，影響正常運行回路，可能引發次生事故。因此，迫切需要進一步提高變電站直流故障檢測準確率。

1直流接地故障檢測不準確的原因分析

變電站直流系統故障檢測設備主要有微機絕緣監測儀和便攜式接地電阻測試儀。

(1)微機絕緣監測儀：采用的直流電橋法不受分布電容影響，檢測靈敏度較高，被微機絕緣檢測儀廣泛采用[2]。但由于零漂電流的存在，判別時可能誤選或漏選[3]。

(2)便攜式接地電阻測試儀：微機絕緣監測儀無法判別，或判別出的支路下面細分支路太多，都需要便攜式測試儀進一步確認。便攜式測試儀采用低頻信號注入法，會因系統分布電容過大而誤選，且環網方式時會造成支路存在諧波環流[4]。

通過理論推導、現場試驗以及歷史數據統計分析，直流接地故障檢測不準確的原因主要包括漏電電力互感器(TA)零漂、調用切換時間長、存在分布電容。

2零漂電流辨識

2.1辨識方案選優

零漂電流辨識的方法主要有3種：

(1)配合間隔停電檢修進行漏電TA的補充校驗：優點是發現零點漂移時可以進行相應的校準，甚至更換漏電TA；缺點是增加了運檢人員的工作量，安全管控難度大，易造成全局性故障；

(2)裝設零點漂移監測系統：定時校驗零漂，但是增加設備安裝投入的費用，同時安裝相應設備也涉及到安全管控難題；

(3)采用差流算法進行辨識：在原有設備和數據的基礎上進行算法辨識，只需升級程序；識別漏電TA零漂，同時也排除其干擾、正確計算接地電阻；為漏電TA狀態檢修提供數據源[5]。

基于安全性、經濟性和可擴展性方面綜合考慮，采用差流算法進行辨識。

2.2采用不平衡電橋的差流算法辨識

接地電阻檢測原理采用電橋法，其原理如圖1所示。圖1中，Up、Un為正母線和負母線電壓；Rb1、Rb2是相同數值的標準電阻，分別固定在直流母線兩端，稱為平衡橋電阻；RL1、RL2是相同數值的標準電阻，通過繼電器投切到直流母線上，稱為測試橋電阻；Rx、Ry為待測接地電阻值，圖1中接地點電壓為零。

圖1　接地電阻的不平衡電橋法檢測原理

單支路接地等效電路圖如圖2所示。投入RL2時，支路等效電路如圖2(a)所示，此時Up、Un、I0分別取值Up1、Un1、I1。投入RL1時，支路等效電路如圖2(b)所示，此時Up、Un、I0分別取值Up2、Un2、I2。Ry和Rx分別為某支路的正母線對地絕緣電阻值和負母線對地絕緣電阻值。

圖2　單支路接地等效電路圖

不平衡電橋的計算公式如下：

I1-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(1)

I2-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(2)

若存在零漂，為了準確計算接地電阻，需要在測量漏電電流中減除零漂電流Izd。此時式(1)和式(2)分別變為：

(I1-Izd)-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(3)

(I2-Izd)-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(4)

在式(3)和式(4)中存在Rx，Ry和Izd三個未知量，若只發生單極接地時(Rx，Ry中有一個為無窮大)，則式(3)和式(4)為2個方程求解2個未知量，可解。

2.3趨勢分析

以支路絕緣及漏電TA零漂的計算值為縱軸，以監測時刻為橫軸，生成趨勢線(支路接地電阻曲線、零漂曲線)。由圖3可知，只有支路絕緣滿足單調、緩慢變化的特征才可信。若支路絕緣呈現非單調變化，則彈出告警，提示檢修人員排查。例如，潮濕引起的絕緣下降，但干燥后絕緣又上升，此時便呈現非單調下降，檢修人員應加強密封措施。

圖3　支路絕緣及漏電TA零漂曲線圖

2.4狀態檢修計劃

根據電纜絕緣和TA零漂的絕對值及變化速率，制定相應的檢修計劃，嚴重問題優先處理，有可能發展為嚴重問題的應該優先關注。狀態檢修計劃可避免了被迫強停的次數，在檢修工作中提前處理多處存在的潛在風險，實現檢修工作的前瞻性和經濟性。

3動態調用不平衡電橋

3.1基于邏輯事件驅動的自動模式

目前采取的自動模式是基于時間序列驅動，即定期由平衡電橋法切換至不平衡電橋法進行短時檢測。當發生正負母線同時接地時，無法快速診斷，必須等到調用不平衡電橋才能診斷。盡管正負母線同時接地發生概率很小，但是影響很大，需要及時處理。

本文提出基于邏輯事件驅動的自動模式，是在正常運行條件下采用平衡電橋法，當發生接地故障后，通過動態分析故障前后測量信息的變化及診斷推理，辨識出可能的誤選情況；當平衡電橋法可能導致漏選或誤選時，則動態調用不平衡電橋法。該模式根據實際需求動態調用不平衡電橋法，更有效兼顧平衡電橋的快速性和不平衡電橋的容錯性，提高了查找速度和容錯水平。基于事件驅動的自動模式的校核邏輯流程如圖4所示。

圖4　基于事件驅動的自動模式

3.2基于歸謬法的校核

采用歸謬法進行校核，即根據平衡電橋法求得的Rx，Ry反求Up，Un。首先假定所有支路接地電阻計算值為真，然后由計算出的接地電阻參與多接地支路等效計算Up，Un。若計算出的Up，Un和測量的Up，Un不同，則說明平衡電橋法未正確處理零漂電流。不平衡電橋法類似。

支路i正母負母對地電阻分別為Ryi，Rxi， i從1到n，其等效電路如圖5所示。

圖5　多接地支路等效電路圖

其中：負母對地總電阻Rx∑=Rx1//Rx2…Rxn//Rb1；正母對地總電阻。

根據圖5可以得：

Up=U·Ry∑/(Rx∑+Ry∑)

(5)

Un=-U·Rx∑/(Rx∑+Ry∑)

(6)

從式(5)和式(6)可知，當某個支路接地電阻計算錯誤，將導致計算的母線電壓與實測的母線電壓不同，說明支路存在電橋法無法準確計算的特殊情況。采用歸謬法可對特殊情況起到告警作用。

4分布電容的在線監測

4.1分布電容的測量方法

文獻[6]提出基于投切電阻來測量分布電容，但該方法受制于功率限制，無法對220kV變電站的分布電容進行測量。本文采用注入低頻信號的方法。

有別于采用低頻信號查找接地電阻，查找接地電阻必須實時在線監測。而測量分布電容可以每月甚至每季度測量一次，其對直流的擾動可以忽略。

4.2電流測量元件

目前測量微小直流電流和微小交流電流的TA是分開安裝，不僅占用屏內空間，而且降低了設備運行的可靠性。本文提出一種微小交直流電流檢測TA，同時能檢測(AC/DC)微小電流信號。

交直流微小電流檢測TA中DC檢測采用的磁飽和原理和AC檢測采用的磁通感應原理互斥，使用同線圈切換使用減少成本，如圖6所示。DC電流傳感器啟動：K1合上，K2斷開，DC電流傳感器工作，可選擇PWM或ADC輸出。AC電流傳感器啟動：K1斷開，K2閉合，AC電流傳感器工作。

圖6　交直流微小電流檢測框圖

4.3基于恒電阻電子電路的負載電路

文獻[7]提出由檢測電橋和修正電橋2個電阻組成的單臂電橋來減少母線電壓的變化，但該方法采用固定電阻值會導致適應性差。

本文提出基于恒電阻電子電路的負載電路來平衡母線電壓，具有自適應性。當發生電壓母線偏移后，采用直流電子負載中的恒阻模式來改善電路，即通過調整通過電子的電流來達到恒阻模式，達到正母負母電壓平衡。恒電阻電子負載電路和效果如圖7所示。

圖7　恒電阻電子負載電路和效果圖

4.4母線電壓平衡控制

為快速平衡母線電壓，采用的控制策略如下。

(1)根據分布電容的大小，計算出實施控制的初始值。

(2)然后根據實際的電壓偏移水平實施精確的反饋控制，最終達到正母電壓和負母電壓平衡。

5結語

隨著微機絕緣監測儀的廣泛應用，直流故障在線診斷得以推廣，但直流系統接地時，絕緣監測儀經常出現誤報或漏報。在誤報時，即同時選線多條疑似絕緣降低支路，容易誤導現場檢修人員排查故障，降低帶排查效率；在漏報時，因不能及時快速判斷和處理一點接地，從而惡化成多點接地造成保護的誤動或拒動。

為了快速排查故障點，提高直流接地故障在線診斷的準確性，采用差流法辨識零漂，動態調用不平衡電橋方法兼顧了巡檢的快速性和容錯性，并在線監測分布電容、自適應平衡母線電壓，均有效地提高了直流檢測準確率。

參考文獻：

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(本文編輯：趙艷粉)

Methods for Improving Substation DC Fault Detection Accuracy

SHENG Wei, LEI Xing, XU Nan, SUN Jie-yun, DONG Zhi-yun, LIU Gao-yuan

(MaintenanceCompany,ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai201204)

Abstract:The inaccurate causes of DC grounding fault detection are analyzed, mainly including zero drift of the leakage TA, long switching time of dynamic invocation, and distributed capacitance. In view of the TA zero drift, the differential current algorithm is used to identify zero drift based on the unbalanced bridge, the grounding resistance and zero drift current are analyzed, and the corresponding maintenance plan is made. For long switching time of dynamic invocation, the fault characteristics are identified according to the logical relationship between state variables such as voltage, current and calculated value such as grounding resistance before and after the fault. Automatic inspection mode based on logic event driven is proposed. In view of the distributed capacitance of the system, the design of the micro AC and DC measuring element and the load circuit based on the constant resistance electronic circuit are designed, and the adaptive control of the bus voltage is realized.

Key words:grounding fault; zero drift; distributed capacitance; dynamic invocation

DOI：10.11973/dlyny201603005

作者簡介：盛煒(1983)，男，高級技師，主要從事超高壓繼電保護自動化工作。

中圖分類號：TM63

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0287-04

收稿日期：2016-02-13