直流母線接地絕緣檢測方法研究

劉冰潔

(國網四川省電力公司眉山供電公司，四川 眉山 620000)

1 直流母線絕緣監測方法分析

發電廠和變電站的直流系統為電力系統的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠穩定的不間斷電源，它還為斷路器的分、合閘提供操作電源。由于直流系統網絡連接比較復雜，容易發生直流接地。當發生一點接地時，并不引起任何危害，但必須及時處理，否則，當發生另一點接地時，有可能使繼電保護發生誤動、拒動，危害電網的安全[1]。

直流母線絕緣監測是電力設備監測和故障診斷研究的重要方向，隨著多年的研究，已經出現了很多方法。傳統的直流系統絕緣檢測裝置采用的是電橋平衡原理[2]，優點是實現簡單，不足之處是當正負極絕緣電阻同時下降時，電橋仍然維持平衡，無法做出正確地判斷。為了克服平衡電橋法的一些缺點，又提出了不平衡電橋法。直流法的缺點是只能檢測出整個直流系統的絕緣狀況和正負極的絕緣電阻，而不能精確定位發生絕緣故障的直流支路。

為了對故障定位，需通過檢測支路漏電流來判斷接地支路[3]。從檢測信號類型可以分為直流型和交流型。交流型在檢測時需要向直流系統注入低幅值的低頻交流信號，用毫安級的交流互感器檢測每條支路的交流漏電流，這種方法的缺陷是無法排除分布電容的干擾, 并且會加大直流系統的紋波系數。

為了減少分布電容的影響，又提出了變頻檢測法，原理是向直流系統交替注入幅值相同、頻率不同的小交流信號。當直流母線發生接地故障時，兩個不同頻率電流的比值大于正常情況下兩個不同頻率電流比值, 從而檢測出發生故障的直流支路。直流型是用電橋平衡和不平衡相結合的原理檢測母線對地狀態，通過直流電流傳感器檢測支路漏電流來判斷發生故障的接地支路，優點是不受分布電容的影響。

各種直流母線絕緣監測方法各有優缺點。為了不影響直流母線的正常運行，并且能準確檢測到發生故障的直流支路，本文設計一種直流母線絕緣綜合監測方法。在正常運行時，通過不平衡電橋法監測直流正負母線電壓，通過電壓的變化判斷是否發生絕緣故障。當發生絕緣故障時，首先用不平衡電橋電路測出正負母線的絕緣電阻，然后通過放大故障電流，利用直流泄漏傳感器實現對直流故障支路的定位判斷。

2 母線電壓和絕緣電阻的測量

基于不平衡電橋原理，在本系統中通過在正負母線接入相關電阻，在此基礎上分別測量直流正負母線對地電壓并進行計算得出準確的接地電阻，其原理如圖1所示。

圖1 電壓表測對地電壓

圖1中，R+、R-是直流系統正負對地電阻，Rv是不平衡電阻。當Rv已知時，通過測量控制母線電壓U、正對地電壓U+和負對地電壓U-計算得出直流系統對地電阻的準確數值。

從圖1中可以看出，測正對地電壓時，電壓與電阻的關系有：

(1)

測負對地電壓時，電壓與電阻的關系有：

(2)

聯立解得正對地電阻和負對地電阻的計算公式：

(3)

(4)

由此可見，利用已知的不平衡電阻Rv，通過對不平衡電阻接入過程中母線電壓U、正對地電壓U+和負對地電壓U-的測量，利用計算公式得出絕緣電阻。此外，通過對正對地電壓U+和負對地電壓U-連續的測量，還可以實現對直流電壓紋波系數的測量。

實際運行中由于對地電阻R+、R-不同將發生對地電壓的不確定性，如當直流系統R+為100 kΩ，R-為1 000 kΩ時負對地的電壓將高達母線電壓的90%，不利于設備的安全運行。裝置內部正對地和負對地連接幾十千歐的采樣電阻，還保證直流系統絕緣正常時正負對地電壓基本對稱。這個采樣接地電阻的阻值越小，正負對地電壓越平衡，但同時要滿足安全上的需要也不能太小，一般均在10～150 kΩ。

3 故障支路定位原理

故障支路定位采用直流電流差原理來實現，其原理如圖2所示。測量原理是：將直流供電的正負導線通過直流泄漏傳感器，當正負直流導線絕緣正常時由于正負二根導線內電流相等方向相反，根據電磁感應原理其合成磁通等于零，在電流互感器二次側感應電流為零，當發生正或負發生一點接地時將有電流通過接地點，使得在直流互感器中流進和流出的電流不相等，產生電流差，其產生的合成磁通不等于零，此時在電流互感器的二次側感應出電流，從而實現對絕緣漏電流的測量。

圖2 直流CT示意圖

在整個漏電流傳感器測量電路中，其電流檢測敏感部件是一個磁芯線圈，將被測支路饋電電線從線圈的中心穿過。當某個饋電支路直流回路中的合成直流電流變化△I時(所產生的磁通量變化為△φ，同時線圈電感變化為△L)，則引起由磁芯線圈組成的振蕩電路的振蕩頻率就會改變△f。

由此可見，通過檢測出振蕩頻率的變化量，就可計算出相應線圈中流過的合成直流電流值大小。根據電磁感應理論，有下列兩個關系式成立：

(5)

式中 Δφ——穿過線圈的合成電流產生的磁通，Wb；μ——鐵心磁導率，H/m；N——線圈匝數；ΔI——合成直流電流值(即漏電流值)；a——線圈鐵心環形管的橫截面半徑，m；R——環形鐵心的平面半徑，m。

LX=L0+ΔLX

(6)

式中LX——線圈總電感，H；L0——線圈自感(即△I為零時的電感值)，H；ΔLX——△I引起的線圈電感變化量，H。

在方波發生電路中采用文氏振蕩電路，由電路的原理可知，其振蕩頻率的表達式為

(7)

式中f——振蕩頻率，Hz；R——橋臂電阻，Ω；C——橋臂電容，F。

由表達式可以看出，振蕩頻率與電感量成非線性關系。但當式中2R2C/LX非常小時，則整個等式可簡化為

(8)

由于振蕩頻率與電感量成線性關系。因此，可通過對R，C參數的選擇，在一定的測量范圍內，實現通過測量振蕩頻率來實現對微小電流的測量，并保持一定的測量精度(<5%)。

4 直流漏電流傳感器測試及分析

為了了解整個直流母線接地絕緣檢測系統的測試效果，對整個系統進行了測量，測量的結果如表1和表2所示。

從表1正負母線対地絕緣電阻測量值可以看出，系統在測量正負母線對地電阻值時，能夠實現對電阻的精確測量，測量誤差小于2%。從表2的泄漏電流測量值可以看出，系統能夠實現對小于5 mA的泄漏電流測量(測量精度優于5%)，由此可見，在進行泄漏電流放大測量過程中，不會造成對系統的誤動作。

表1 正負母線絕緣電阻測量值

表2 直流泄漏電流測量值

5 結語

通過對直流母線接地絕緣檢測方法的研究，可以看出系統能夠實現對正負母線對地電阻和故障支路泄漏電流的精確測量，在此基礎上，可以得出如下結論。

(1)利用不平衡電橋方法，通過對正負母線對地電阻變化過程中正負母線對地電壓的測量，通過相關的計算可實現對正負母線對地電阻的測量；

(2)采用不平衡電橋法克服了傳統平衡電橋法無法實現對正負母線絕緣同時下降的檢測和判斷；

(3)采用直流差法對直流泄漏電流進行了測量。該方法可以實現對微小泄漏電流的測量，同時結合泄漏電流放大電路可以實現對故障支路的精確定位。

參考文獻：

[1] 施慧，賈秀芳.對現有檢測直流系統接地故障幾種方法的比較[J]. 東北電力技術，1999(9)：48-50.

[2]張毅，張泉，李永麗.直流系統接地檢測[J]. 電力系統及其自動化學報,2005，17(1): 27-30.

ZHANG Yi, ZHANG Quan, LI Yongli. Ground fault detection for DC system[J]. Proceedings of the CSU-EPSA,2005,17(1):27-30.

[3]蘇義鑫，劉林偉.平衡電阻法監測直流系統絕緣[J].電力系統自動化。2003,27(14)：65-68.

SU Yixin, LIU Linwei. Monitoring and detecting of dc system insulation by balance resistance method[J]. Automation of Electric Power Systems, 2003,27(14):65-68.