基于雙平衡橋探測直流系統接地故障檢測的新方法*

黃晶，朱武

（上海電力學院電子與信息工程學院，上海200090）

0 引 言

發電廠、變電站的直流系統主要為信號回路、自動裝置、繼電保護、事故照明等二次設備提供電源，其運行可靠與否直接影響整個電力系統的安全［1-4］。支路接地是直流系統常見的電氣故障，若未能及時找到并排除直流系統的一點接地故障，在出現多點接地時，將造成直流操作電源短路，引起保護設備誤動作，引發嚴重后果［5-8］。

目前常用的接地故障檢測方法有電橋法、低頻探測法和漏電流法［9-11］。被廣泛使用的直流故障檢測裝置大多根據平衡電橋法的原理制成，即設置兩個等值電阻與母線對地的兩個正負極絕緣電阻構成一個平衡電橋，若母線發生一點接地，電橋平衡破壞，裝置發出報警信號。采用該原理的檢測裝置只能判斷母線絕緣狀態，不能判斷支路發生泄漏電流；而且正負母線對地絕緣同時下降且阻值相等時，電橋法存在檢測死區，裝置誤動作［6］；檢測一點接地故障并不能準確定位故障位置，需要配合拉路法逐一查找［12］。低頻探測法是向直流電網的正負母線注入低頻交流信號，該信號沿著阻抗最小的支路形成通路［13-15］。近幾年國內學者做了大量研究將各種低頻信號的處理方法尤其是小波變換分析用于支路絕緣電阻的檢測［16-18］，這些基于注入低頻信號的方法一定程度上提高了檢測精度，但在信噪比低的情況下信號失真嚴重，且存在增大電壓文波系數、影響電能質量、MCU計算量大的缺點。漏電流法的基本原理是用霍爾傳感器檢測饋線支路的接地故障泄漏電流，其缺點是存在非線性誤差，需要采用數字方法或神經網絡算法進行補償。

基于上述問題，提出一種新的雙橋探測的方法檢測直流系統的接地故障，實驗結果表明該方法具有不存在檢測死區和防止保護誤動的優點，即正負母線絕緣下降能力相等時，仍然可以求出正負母線的絕緣電阻值。

1 雙橋探測法基本原理

雙橋探測法是基于平衡電橋法及不平衡電橋法的改進，它是根據記錄兩次傳感器的電流，就能準確反映正負母線對地絕緣電阻值，并且不存在檢測死區問題，在實際使用中發現，雙橋探測法雖然人為加入了探測電阻，但是并沒有母線對地電壓不斷變化的情況出現，因此可排除雙橋探測法增加人為擾動的可能性。

1.1 母線絕緣電阻的狀態監測系統結構框圖

如圖1所示，分別控制三路開關K1、K2、K3的通斷［6］，在正負母線絕緣良好的情況下，正負母線對地的絕緣電阻r1和r2相當于無限大，由此可以看成平衡的兩組電橋：電流傳感器H1測量由橋臂R1、R2+R3和r1、r2組成一組平衡橋的平衡情況，標記為第一組電橋；電流傳感器H2測量由橋臂 R1+R2、R3和r1、r2組成另一組平衡橋的平衡情況，標記為第二組電橋，其中橋臂阻值關系為R1=2R2=2R3。若正負母線沒有泄漏電流流過，兩組電橋都滿足惠斯通電橋平衡條件，此時兩個傳感器沒有電流流過。

圖1 電母線絕緣監測電路框圖Fig.1 Insulation monitoring circuit of the bus

若正負母線對地絕緣能力降低，兩組電橋都不再平衡，傳感器H1和傳感器H2有毫安級的電流通過，若H1、H2顯示的電流大于系統設定值，開始啟動故障檢測程序，先斷開開關K2、K3，電路圖如圖2所示，記錄傳感器的電流ih1、ih2，再斷開開關K1，閉合開關 K2、K3，如圖 3所示，記錄傳感器的電流 ih1′、ih2′。

圖2 閉合 K1、斷開 K2、K3Fig.2 Close switch K1，open switch K2、K3

圖3 斷開 K1、閉合 K2、K3Fig.3 Open switch K1，close switch K2、K3

根據基爾霍夫電流和電壓定律，圖2列出如下方程組：

消去母線泄漏電流未知量i1、i2，可得，

類似的，圖3列出如下方程組：

其中，U為母線的電壓，可由絕緣監測裝置實時測得；待求量 R2ih1′+R3（ih1′+ih2′）及（ih1′+ih2′）可以由實驗測得數據求出，統一由系數M、N表示。根據

1.2 支路絕緣電阻的狀態監測系統結構框圖

將傳感器套接在直流母線的每一對進出回路上，采集相應支路的漏電流。如圖4支路1中所示，支路正常運行時，流過正負母線的支路電流相互抵消即I+=I-，霍爾傳感器指示的漏電流為零；而當支路絕緣能力下降即I+≠I-，傳感器指示的漏電流為△I=I+-I-。

（1）設支路2的正負極分別經過絕緣電阻r2+、r2-接地，如圖4所示，閉合K3、斷開K1，電阻R3投入負極母線，等效電路如圖5所示，控制器測出正極對地電壓U+，傳感器h2采集支路2漏電流△I21，可得：

再閉合K1、斷開K3，電阻R1投入正極母線，等效電路見圖6，測得正極對地電壓U+′和漏電流△I22，

由式（5）～式（6），計算出支路2絕緣等值電阻：

（2）設支路1的正極經r1+接地、支路2正極經r2+接地，電阻R1投入正極母線，采集各支路漏電流，支路1、2絕緣電阻，

式中 U″+是正極母線對地電壓；△I1、△I2是正極檢測電阻投入時傳感器采集的漏電流；r1d、r2d是兩支路同時接地時的絕緣電阻，同理當只有一條支路（支路1、支路2）接地，絕緣電阻的計算式不變。

圖4 支路絕緣檢測電路Fig.4 Insulation monitoring circuit of the branch

圖5 投入R3等效電路Fig.5 Equivalent circuit of the negative buswith R3

圖6 投入R1等效電路Fig.6 Equivalent circuit of the positive buswith R1

2 測量電路的設計

2.1 傳感器的選擇

一般直流測量采用直接接入方式，而研究直流系統故障檢測時則不允許斷開回路，這就考慮到了非接觸式的測量，基于磁平衡原理制成的霍爾傳感器具有精度高、響應快、抗干擾能力強的特點，適用于有幾十至幾百條饋線的直流系統漏電流檢測。由式（4）、式（7）～式（9），故障漏電流的測量精度決定絕緣電阻的檢測精度。根據直流系統設計規程，漏電流的測量范圍為0 mA～±20 mA，誤差小于2%，因此選擇性能較好、精度更高的霍爾電流傳感器CHVS-AS5-10進行測量試驗。

2.2 電橋電阻的選擇

母線絕緣檢測電路中，電橋處于平衡狀態，母線運行狀況良好，橋臂電阻的取值決定母線對地電壓的偏移和檢測電阻的靈敏度。電阻取值越高靈敏度越高的同時電壓偏移量越大，此時容易引起系統保護的誤動作，需要對橋臂電阻合理取值，既保證電橋的檢測靈敏度，又不至于影響系統安全運行。

為此假設出現如圖1所示的正極絕緣電阻r1在［20 kΩ，30 kΩ］范圍內發生正母線單極接地故障，負極絕緣電阻r2可忽略不計，列出平衡狀態下的KCL方程并定義母線對地電壓偏移率和電橋檢測靈敏度。

綜合式（10）～式（12），

由上式得出r1在［20 kΩ，30 kΩ］內母線對地電壓偏移率ε和電橋檢測靈敏度S隨電橋電阻R1的變化曲線，如圖7、圖8所示。由圖可見，橋臂電阻R1在［25 kΩ，60 kΩ］內變化時母線電壓的偏移較小，且電橋有較高的靈敏度，符合220 V直流系統設計規范，為此選取R1=30 kΩ。

圖7 電壓偏移率變化曲線Fig.7 Curves of voltage deviation rate

圖8 檢測靈敏度變化曲線Fig.8 Curves of detection sensitivity

3 試驗驗證

搭建模擬實驗回路如圖4電路所示，系統母線電壓 U=220 V；橋臂電阻R1=30 kΩ，R2=15 kΩ，R3=15 kΩ；傳感器CHVS-AS5-10量程0～±20 mA，精度0.5%。試驗中通過改變正負母線接地電阻的數值記錄傳感器測出的不同試驗數據，并對其分析處理，母線測試絕緣電阻和支路測試電阻由式（4）、式（7）計算得出列入兩表，表1、表2為母線和支路接地電阻的試驗對比結果。

表2中通過公式計算的正負母線絕緣電阻及支路絕緣電阻的結果相對誤差均小于5%，滿足系統設計要求。實驗結果表明，雙橋探測法的原理簡單、易于控制，只需記錄兩次傳感器的電流就能求出正負母線的對地絕緣電阻，測量精度較高，定位路障支路準確，即使正負母線絕緣能力下降相等，電流傳感器H1指示的電流為零，電流傳感器H2指示的電流變大，也能較準確的測出接地電阻值；不足之處在于，隨著正負極接入絕緣電阻的增大，該方法的測量精度有所降低，這是受傳感器的精度決定的。

表1 母線接入絕緣電阻的試驗結果Tab.1 Experimental results with insulation resistance of the bus in the circuit

表2 支路接入絕緣電阻的試驗結果Tab.2 Experimental resultswith insulation resistance of the branch in the circuit

4 結束語

文章對直流系統母線和饋線支路接地故障檢測問題進行了研究，提出了一種雙平衡橋母線探測和漏電流支路聯合探測的新方法，并討論雙橋探測法的基本原理、母線及支路故障檢測步驟。模擬220 V直流系統接地故障的試驗，驗證了該方法解決絕緣監測裝置的檢測死區問題，故障測試電阻相對誤差小于5%。該方法無需向系統注入任何交流信號，不受系統分布電容影響。