中壓直流供電系統遠端站點接地狀態掃頻阻抗檢測法

劉小軍,祝令瑜,汲勝昌,潘亮,任富強

(西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

state detection

直流供電系統體現出很大的便利性以及低成本優勢,在工程各個領域中都得到了大量的應用[1]。隨著直流供電系統的日益龐大及供電電壓的不斷提高,帶來一些潛在的危險:隨著電壓等級的提高,舊有的直接操作習慣會使原先安全隱患的危險級別提升,易對人員造成的傷害[2-3]。根據具體實現的功能,可以將中壓直流供電系統分為中心站點、傳輸線路及遠端站點。在中壓直流供電系統遠端站點內,所有的通訊設備的金屬外殼均應經由線纜接地,但實際中常常會因接線不規范等原因導致外殼接地斷開,致使遠端站點內通訊設備外殼帶電[4],給操作人員的人身安全造成威脅,因此需要對遠端站點內設備及機殼的接地狀態進行檢測[5-7]。

針對遠端站點內設備接地斷開故障,文獻[8]通過檢測接近開關的導通狀態,判斷掛接地線時接地夾鉗與接地體是否有效導通。文獻[9]依靠掛接地線人員通過手持PDA掃描條形碼標牌來告知調度接地線狀態,但依靠人工巡檢的成本較高,且設備接地點處出現斷線故障時僅憑借人工難以識別。文獻[10]向變電站接地網內施加激勵信號,通過測量地表磁場分布,對變電站接地斷點進行診斷和定位,但該方法僅適用于交流系統,無法同樣適用于直流系統。文獻[11]通過測量地面表面電壓的方式檢測接地網中斷點。在中壓直流供電系統中,一種易行的檢測方法是在遠端站點內安裝檢測裝置,但是會干擾站點內設備的正常工作,因而具有極大的局限性。

本文提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統遠端站點接地狀態檢測方法,并利用該方法分別在單線路及多線路中壓直流供電系統中遠端站點接地狀態進行仿真驗證,具有一定的工程實用價值。

1 檢測方法的提出

頻率響應法是向系統中注入掃頻電壓信號,隨著頻率的改變,系統中輸出信號與輸入信號的比值也會發生變化,以此判斷系統運行狀態。

阻抗測量法需要測量在特定頻率下的系統阻抗值,當系統運行狀態發生改變時,阻抗值也會發生變化,通過測量阻抗變化量,可以判斷系統運行狀態。

掃頻阻抗法將頻率響應法與特定頻率下的阻抗測量法相結合,可以準確檢測系統中阻抗的變化,進而判斷系統運行狀態。不同系統運行狀況下,系統電路拓撲中的電容、電感、電阻及電導會發生改變,電路拓撲對應的諧振頻率也會發生改變。向系統中注入掃頻電壓信號,電壓信號在系統中產生的電流幅值隨頻率變化曲線發生改變。不同系統運行狀況對應的阻抗變化與注入信號頻率有關。選擇系統諧振頻率為特定頻率測量系統阻抗,可以增加阻抗變化的分辨度,有助于提取基于阻抗變化的系統運行狀況判據。

在中壓直流供電系統中,在中心站點注入掃頻電壓信號,獲得不同系統運行狀況下掃頻源輸出端電流掃頻曲線及系統諧振頻率。比較不同系統運行狀況下電流掃頻曲線的變化,提取特定諧振頻率。計算在該特定諧振頻率下,注入信號源輸出端對地阻抗值,基于對地阻抗值的變化對系統運行狀況進行判斷。注入掃頻信號幅值較低,僅為1～2 V,遠低于中壓直流供電系統的運行電壓,經過變壓輸入到系統設備后,在設備正常工作電壓范圍內,不會影響設備正常工作,不會對系統正常工作造成干擾,簡單易行,理論上可以用于實時檢測設備運行狀況。

2 中壓直流供電系統模型的建立

根據具體實現功能,中壓直流供電系統主要由中心站點、傳輸線路以及遠端站點組成,如圖1所示。其中,中心站點包括直流電源、檢測裝置以及控制系統;傳輸線路用于將中心站點電能傳輸到遠端站點,為遠端站點供電;遠端站點內布置有用電設備。

圖1 中壓直流供電系統拓撲結構

圖2 中壓直流供電系統等效電路模型

為簡化研究,對中壓直流供電系統拓撲結構等效變換,建立等效電路模型,如圖2所示。考慮到中心站點內高壓直流配電單元一般為變壓器或整流器,由遠端站點內產生的故障信號與高壓直流隔開。因此,可以用兩組分別產生相同電壓幅值、極性相反的三相半波整流電路,等效中心站點內的直流電壓源,搭建中壓直流供電系統仿真模型,如圖3所示。圖中Cf為濾波電容,值為4 700 μF,濾除半波整流產生的較大幅值的紋波,保證線路中直流的低紋波;Rn與Rp為鉗位電阻,同時作為首端線對地絕緣電阻,等效阻值為2 MΩ,電阻一端與直流正極性線路及直流負極性線路連接,另一端接地,以保證直流正極性線路及直流負極線線路上電壓保持平衡;Cn與Cp為遠端站點內設備對地等效電容,分別為設備輸入端正、負極對地雜散電容,容值較小,本文取6 nF,分別連接于直流正、負極性線路與大地之間;RL為遠端站點內設備的等效阻抗,取為5 Ω。

圖3 中壓直流供電系統仿真模型

傳輸電纜線路可以利用電纜分布參數來等效替代,中壓直流供電系統中電纜線路長度一般為0.01～1 km。在較高頻率下,電纜的阻抗主要由分布電感與對地電容決定,電纜電導與電阻可以忽略不計[11-13]。

考慮工程實際,直流傳輸電纜一般為雙芯電纜或三芯電纜,其中雙芯分別作為正、負極性傳輸線路,另外一根芯線或屏蔽層作為接地。假定電纜為均勻傳輸線[14-16],則可以根據電磁場理論推導得到雙芯電纜的對地電容C及分布電感L的近似表達式為

(1)

(2)

式中:S為雙芯電纜導體間的中心距離,mm;d為雙芯電纜導體外徑,mm;D為雙芯電纜導體的絕緣外徑,mm;ε為絕緣材料相對介電常數。

本文選用型號為UL2464 2*8AWG的屏蔽控制電纜,計算可得C=1.185×-7F/km,L=2.786×10-4H/km。實際測量1 km雙芯電纜的對地電容為0.12 μF,理論計算值與實際值能夠吻合。

3 高頻阻抗檢測法

在中壓直流供電系統中,遠端站點內設備外殼通過接地電纜接地,傳輸電纜的接地芯線或屏蔽層單獨接地。遠端接地狀態可以分為正常接地狀態、遠端接地斷開狀態、遠端接地與電纜接地均斷開狀態。正常接地狀態即遠端站點內設備和傳輸電纜正常接地;遠端接地斷開狀態即只有遠端站點內設備接地斷開,傳輸電纜屏蔽層正常接地;遠端接地與電纜接地均斷開狀態即遠端站點內設備接地與電纜屏蔽層的接地均斷開。中壓直流供電系統遠端站點不同接地狀態電路拓撲如圖4所示。

(a)正常接地狀態

(b)遠端接地斷開狀態

(c)遠端與電纜接地均斷開狀態圖4 不同接地狀態電路拓撲

中壓直流供電系統遠端站點接地狀態處于不同狀態時,電路拓撲結構發生較大變化,其中對地回路中的元件參數變化尤其明顯。在高壓直流正極性線路靠中心站點側與地之間并聯一個高頻交流源支路,可以通過檢測高頻交流源輸出側對地阻抗的變化來檢測遠端站點的接地狀態,如圖5所示。其中,在高頻交流源輸出端串聯隔直電容C1,防止高壓直流流入高頻交流源;在直流源與高頻交流支路間串聯隔交電感L1,防止高頻交流流入直流源。通過測量高頻回路中高頻交流源輸出端對地阻抗及其相位,可以對遠端接地狀態進行判斷。

在遠端站點不同接地狀態時的高頻回路拓撲中,可以列寫求解高頻回路對地阻抗的節點電壓方程如下

圖5 阻抗檢測電路圖

(3)

(4)

(5)

Un1～Un5為圖5中①～⑤處節點電壓;B計算式為

正常接地狀態、遠端接地斷開狀態、遠端接地與電纜接地均斷開狀態時,阻抗矩陣分別為A0、A1、A2,表達式如下

A0=

由式(3)～(5)可看出,不同接地狀態時高頻回路接地阻抗,隨高頻交流源頻率的改變而改變。仿真中選擇高頻交流頻率為10 kHz,仿真驗證可得:當C1選為100 nF、L1選為1 H時,不同接地狀態時Z區分度相對最大;傳輸電纜長度為150 m時,遠端站點正常接地狀態時高頻回路對地阻抗Z0=1.26-j272.37 Ω,遠端接地斷開狀態時高頻回路對地阻抗Z1=1.27-j284.72 Ω,遠端接地與電纜接地均斷開狀態時高頻回路對地阻抗Z2=1×106-j141.62 Ω。

中心站點與遠端站點間的傳輸電纜對地電容值較大,且傳輸電纜對地電容隨傳輸電纜長度增加而增大,遠端站點內對地電容值較小。傳輸電纜的對地電容會將遠端站點內對地電容接地狀態掩蓋,遠端接地斷開對Z的影響隨傳輸電纜長度增加而減小。該方法可以區分遠端站點不同接地狀態,也可以區分遠端及電纜全部接地斷開狀態,但對只有遠端接地斷開狀態時區分度相對較差。

測量Z的方式中,遠端設備等效阻抗為正負極線間等效阻抗,阻抗的大小對本方法造成的影響可以忽略。當遠端設備增加或者變更設備時,Cn、Cp及RL發生變化,但該變化被傳輸電纜對地電容所掩蓋,對Z測量的影響可以忽略。

在中壓直流供電系統中,還會出現傳輸電纜接地斷開而遠端接地正常的狀態。由于傳輸電纜對地電容遠大于遠端設備對地電容,該狀態可以近似等效于遠端及電纜接地全部斷開狀態,通過高頻阻抗檢測法可以將其區分出來。當傳輸電纜接地斷開而遠端接地正常時,不會影響遠端設備的正常工作,也不會導致設備外殼帶電,因而本文不對其展開分析。

4 掃頻阻抗檢測法

4.1 掃頻曲線分析

高頻回路對地阻抗與交流源頻率有關,改變交流源頻率,不同接地狀態時Z會隨之發生變化。為了提高不同接地狀態時Z的區分度,用掃頻源代替高頻交流源,對交流回路進行掃頻分析,測量掃頻源輸出側電流隨頻率變化的曲線[17-18],可得到不同接地狀態高頻回路中掃頻源輸出側電流諧振頻率[19-21]。掃頻電路如圖6所示。

圖6 掃頻電路圖

基于PSPICE軟件,對掃頻源輸出側電流的頻率曲線進行仿真[22-23]。設置掃頻范圍為1～1 250 kHz,步長為10 Hz。仿真可得150、500、1 000 m電纜線路中不同遠端接地狀態時掃頻源輸出側電流掃頻曲線,如圖7所示,其中0、1及2分別表示正常接地狀態、遠端接地斷開狀態及遠端與電纜接地斷開狀態。

從圖7b可以看出,當中壓直流供電系統中遠端接地與電纜接地全部斷開時,網絡中沒有完整回路,此時接地回路中電流幅值趨近于0,不隨掃頻頻率變化而變化。當網絡處于正常接地狀態或遠端接地斷開狀態時,電流掃頻曲線諧振點頻率以及同一諧振點處電流幅值有較大區別。通過比較掃頻曲線,可以對中壓直流供電系統中遠端接地處于正常接地狀態或接地斷開狀態進行簡單的區分判斷。正常接地狀態、遠端接地斷開狀態時的掃頻曲線諧振頻率如表1所示。

由圖7b可以看出,在700 kHz附近諧振點處不同曲線諧振頻率差值較大,且在該諧振頻率處流過C1的諧振電流幅值較高。根據表1,正常接地狀態掃頻曲線該點處諧振頻率f0為663.7 kHz,遠端接地斷開狀態掃頻曲線該點處諧振頻率f1為678.9 kHz,遠端接地與電纜接地全部斷開狀態該點處無諧振。663.7 kHz為正常接地狀態高頻回路發生諧振,電流幅值較大,此頻率不是遠端接地斷開狀態回路諧振頻率。因而在663.7 kHz處,正常接地狀態時電流幅值遠高于遠端接地斷開狀態時電流幅值。相比于選用10 kHz作為交流高頻源頻率,利用掃頻諧振方法選擇高頻交流源頻率可以增大遠端接地斷開狀態與正常接地狀態的區分度。

表1 不同接地狀態掃頻曲線諧振頻率

(a)150 m

(b)500 m

實際檢測中,每一次檢測都基于掃頻曲線的方法較為復雜,對操作人員要求較高,且僅通過掃頻曲線提出判據難度很大。在進行多線路接地狀態檢測時,僅通過掃頻曲線的方式難以甄別多條線路中發生接地故障。將掃頻曲線方法與高頻阻抗法相結合,可以有效解決單條線路檢測復雜度及多線路接地狀態檢測的問題。針對一固定線路,首先測得其掃頻曲線,通過掃頻曲線可以得到不同接地狀態時電路拓撲的諧振點頻率。綜合考慮不同接地狀態時同一諧振點頻率差值與該點諧振電流幅值,選定高頻交流電壓源頻率。在該頻率下,正常接地狀態時Z與遠端及電纜接地均斷開狀態時的差別較大,區分度較高,可以準確分辨出遠端站點接地狀態。

(c)1 000 m圖7 不同長度電纜電流掃頻曲線

4.2 單條線路接地狀態

在中壓直流供電系統中,中心站點只與一個遠端站點連接,利用掃頻阻抗法對遠端站點接地狀態進行檢測。基于PSCAD,對單條線路中遠端站點接地狀態進行仿真,仿真電路如圖5所示。

考慮傳輸電纜對地電容對遠端接地狀態檢測準確度的影響,改變傳輸電纜長度,檢測不同傳輸電纜長度下遠端接地狀態,結果如圖7所示。掃頻曲線中諧振峰頻率與電纜分布電感、電纜對地雜散電容有關,電感與電容越小,諧振點頻率越高。電感、電容與電纜長度成正比,因而電纜長度越長,諧振點頻率越低,設置掃頻范圍上限頻率越低。其中,150 m線路中分布電感為4.179 μH,對地電容為1.777 5 nF;500 m線路中分布電感為13.93 μH,對地電容為5.925 nF;1 000 m線路中分布電感為27.86 μH,對地電容為11.85 nF。

圖8 多線路情況阻抗檢測電路

為了進一步對遠端接地狀態進行判定,綜合考慮不同電流掃頻曲線諧振頻率差值與諧振電流幅值,分別選定2.187 MHz、663.7 kHz及335.0 kHz作為150、500及1 000 m線路的高頻回路頻率,計算結果如表2所示。

由表2可以看出,當選定正常接地狀態諧振頻率作為高頻回路中高頻交流源頻率時,遠端不同接地狀態時Z的區分度比10 kHz交流源頻率時的阻抗區分度更大,可以通過掃頻阻抗的方法對單條線路中遠端接地狀態進行檢測。

表2 不同長度傳輸電纜線路高頻對地阻抗

4.3 多條線路接地狀態

中壓直流供電系統中心站點與多個遠端站點連接,利用掃頻阻抗法對遠端站點接地狀態進行檢測。基于PSCAD,對兩條線路中遠端站點接地狀態進行仿真,仿真電路如圖8所示。其中,Lc1與Cc1為線路1中傳輸電纜的分布電感與對地電容;Lc2與Cc2為線路2中傳輸電纜的分布電感與對地電容。

考慮傳輸電纜對地電容對遠端接地狀態檢測準確度的影響,改變傳輸電纜長度,對不同傳輸電纜長度情況下遠端接地狀態進行檢測。分別對500 m & 1 000 m及300 m & 800 m雙傳輸線路進行掃頻阻抗計算。當線路1與線路2傳輸電纜長度分別為500 m與1 000 m時,對線路進行掃頻分析,分別測量得到不同接地狀態下的電流掃頻曲線如圖9所示。其中,00、01、02、10、11、12、20、21及22分別表示500 m線路正常接地且1 000 m線路正常接地、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠端接地斷開、500 m線路正常接地且1 000 m線路遠端與電纜接地斷開、500 m線路遠端接地斷開且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠端接地斷開且1 000 m線路遠端接地斷開、500 m線路遠端接地斷開且1 000 m線路遠端與電纜接地斷開、500 m線路遠端與電纜接地斷開且1 000 m線路正常接地、500 m線路遠端與電纜接地斷開且1 000 m線路遠端接地斷開、500 m線路遠端與電纜接地斷開且1 000 m線路遠端與電纜接地斷開。

圖9 500 m & 1 000 m多線路不同接地狀態電流掃頻曲線

根據圖9,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態時電流的諧振頻率。以兩條線路中均正常接地時電流諧振頻率作為基準值,比較不同接地斷開狀態時的諧振頻率。當諧振頻率為247 kHz時,其他接地斷開狀態與正常接地諧振頻率差值最大。選擇247 kHz為高頻交流源的頻率,如圖9所示,由測量線路輸入端對地電壓Ea、高頻源輸出電壓U、流過隔直電容C1的電流Is、流過線路1的電流I1以及流過線路2的電流I2,可以計算得到不同接地狀態時的線路1對地阻抗Z11、線路2對地阻抗Z12以及高頻輸出端對地阻抗Zs,不同接地狀態時500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路阻抗如表3所示。

當線路1與線路2傳輸電纜長度分別為300 m與800 m時,對線路進行掃頻分析,得到不同接地狀態下的電流掃頻曲線如圖10所示。根據圖10,可以得到500 m & 1 000 m雙傳輸電纜線路中不同接地狀態時電流的諧振頻率。以兩條線路中均正常接地時電流諧振頻率作為基準值,比較不同接地斷開狀態時諧振頻率,當諧振頻率為357 kHz時,其他接地斷開狀態與正常接地諧振頻率差值最大。選擇357 kHz為高頻交流源的頻率,如圖8所示電路,可以計算得到Z11、Z12以及Zs見表4。

根據表3與表4,當網絡中發生接地斷開故障時,各線路對地阻抗的幅值發生較大變化。定義參數α表示線路對地阻抗幅值的變化程度計算得到雙傳輸電纜線路中不同接地狀態時的α值,如表5所示。從中可以看出:認為遠端與電纜接地均斷開的狀況比遠端接地斷開狀況更加惡劣;當較長線路發生的接地故障比較短的線路發生的接地故障更加惡劣時,即01、02、12狀態時,α值比正常接地時大;當較短線路發生的接地故障比較長的線路中發生的接地故障更加惡劣時,即10、20、21狀態時,α值比正常接地時的比較小。

圖10 300 m & 800 m多線路不同接地狀態電流掃頻曲線

狀態Zs/ΩZ11/ΩZ12/Ω001.00-j68.451.97-j8.202.01-j7.91011.00-j69.341.93-j9.822.06-j9.860279.26-j101.720.51-j45.1414.78-j214.18101.00-j68.812.01-j9.141.97-j8.44111.00-j69.761.96-j10.902.02-j10.471279.31-j107.090.44-j51.6416.25-j244.99200.87-j73.312.31-j24.581.40-j13.92210.87-j75.052.29-j29.381.41-j16.64221.00×106-j35.581.50×106-j2.88×1042.99×106+j1.14×105

表4 300 m & 800 m雙傳輸電纜線路不同接地狀態對地阻抗

α=|Z2|/|Z1|

(6)

綜合考慮對地阻抗幅值以及α值的變化,可以對遠端接地狀態及接地故障所在線路進行檢測判斷。當線路1阻抗比正常接地時對地阻抗大,說明有接地斷開故障存在,若α值比正常接地時的α值大,說明接地斷開故障在較長線路中出現,且更加惡劣;若值α比正常接地時的α值小,說明接地斷開故障在較短線路中出現,且更加惡劣。

表5 不同傳輸電纜線路中各接地狀態

4.4 接地狀態檢測算法

針對遠端站點接地狀態檢測的問題,基于掃頻阻抗的計算提出檢測算法,算法流程見圖11。

圖11 接地狀態檢測算法流程圖

對單條線路或多條線路進行人為選擇,當對單條線路中的接地狀態進行檢測時,保證一次正常接地狀態,對正常接地狀態下的電路掃頻曲線進行測量,并測量計算每一諧振頻率點處的對地阻抗。測量實際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,將該實際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線進行對比,若諧振點頻率均值之差未超過設定閾值,則認為線路接地正常;否則測量計算實際線路的諧振點處對地阻抗Z1,并與正常對地阻抗Z0進行比較,若二者之差超過閾值,則認為線路存在接地斷開故障。

當對多條線路中的接地狀態進行檢測時,保證一次正常接地狀態,測量得到該狀態下的電路掃頻曲線,并計算每一諧振頻率點處的各線路對地阻抗以及α值,以此為基準值。測量實際線路中高頻源輸出端電流掃頻曲線,比較實際線路掃頻曲線與正常掃頻曲線,根據諧振點頻率差值選取特定諧振頻率,在該諧振點頻率下,測量實際線路中各線路對地阻抗,并與基準值進行比較。若對地阻抗差值超過設定閾值,則測量計算實際線路中的α值,將實際線路α值與基準值對比,若二者差值超過設定閾值,認為線路存在接地斷開故障。根據實際線路中各線路對地阻抗與α值的變化趨勢,可以對接地斷開故障所在線路進行判斷。

5 結 論

本文對中壓直流供電系統中的遠端站點接地狀態進行了研究,提出了一種基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統遠端站點接地狀態檢測方法,得到以下結論。

(1)在中壓直流供電系統中心站點電源輸出側并聯高頻交流支路,測量高頻交流源輸出側對地阻抗,可以用于檢測中壓直流供電系統中遠端站點接地狀態。仿真研究發現,當選擇遠端站點正常接地狀態諧振頻率作為高頻交流源頻率、遠端站點發生接地斷開狀態時,高頻回路對地阻抗區分度更大。

(2)研究高頻交流源輸出側電流掃頻曲線,發現遠端站點不同接地狀態時的掃頻電流諧振頻率會發生改變,遠端站點發生接地斷開故障時的平均諧振頻率比遠端站點正常接地狀態時的平均諧振頻率更高,且平均諧振頻率隨中壓直流供電系統傳輸電纜長度的增加而降低。

(3)與正常接地狀態相比,遠端站點發生接地斷開故障時,對地阻抗與電流掃頻曲線均會發生較大改變,可以作為檢測中壓直流供電系統單條線路中遠端站點接地狀態的判據。

(4)對地阻抗與α值的變化趨勢可以作為判據,檢測中壓直流供電系統多條線路中遠端站點的接地狀態,并對接地斷開故障所在線路定位。

總之,在中壓直流供電系統中心站點輸出側并聯高頻交流支路,利用本文提出的基于掃頻阻抗的中壓直流供電系統遠端站點接地狀態檢測方法,可以準確判斷中壓直流供電系統單條線路是否發生接地斷開故障,也可以準確判斷及定位發生在中壓直流供電系統多條線路中的遠端站點接地斷開故障,在工程實踐中具有較高的實用價值。