間接零點漂移消除法的直流系統絕緣監測研究

錢烈江，李長云，徐 曦，2，崔兆蕾

(1.湖南工業大學電氣與信息工程學院,湖南 株洲 412000;2.湖南省智能信息感知及處理技術實驗室,湖南 株洲 412000)

0 引言

絕緣性是直流系統穩定運行的重要指標，其優劣直接關系到變電站、發電廠和鋁電解等需要直流系統場所的正常運行[1-5]。在直流系統中，支路單點接地為頻發性絕緣故障，其對直流系統的影響較小，即便發生，直流系統也能正常運行。但是若沒有及時發現，當其他支路也發生接地線故障時，幾個接地點通過地端形成信號回路，會導致多點接地的嚴重故障，引發短路和保護裝置誤操作。因此，對直流系統接地故障的及時發現和定位顯得尤為重要[2-3]。

針對以上問題，本文提出一種新型、有效的間接零點漂移消除法，以及時發現故障支路。該方式是對以往幾種傳統方法的改進與結合：通過單個采樣電阻對正負母線的交替投切，獲得直流系統的兩個瞬態；通過對獲取的瞬態值進行建模對比分析，計算出電路的漏電流和絕緣電阻阻值。在此，采用單個電阻的投切是為了減少電阻在投切過程中對直流電網系統電壓的波動。該方式可消除直流系統中電容的影響，及時、準確地定位單個或者多個故障支路，并且有效消除傳感器的零點漂移和溫漂的影響，排除它們引起的誤報和漏報，提高監測的準確度。

1 間接零點漂移消除法原理分析

直流系統的絕緣監測大致分為三類：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里注入低幅值、低頻率的交流信號，但是這樣做會造成直流電網絡的波動，增大其紋波系數，影響電網質量。另外，受電網中其他諧波信號和對地電容的影響，很難直接定位到故障的發生點，需要排除其他同頻率注入信號的干擾信號，并從對地電容中找出電阻性電流[2,9]，以確定真實的絕緣電阻。直流漏電流法是一種簡單的巡檢定位方式，通過檢測直流系統中支路對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，影響了檢測的準確性和靈敏度。電橋法通過在正負母線對地絕緣電阻上并聯電阻，形成平衡電橋。利用平衡電橋原理，若支路一端發生接地故障，會導致電橋不平衡，從而發出漏電警告[10-11]。但是當正負母線對地絕緣電阻的阻值因故障變小時，由平衡電橋原理可知，此時電橋仍處于平衡狀態，這就會導致絕緣性故障的漏報。此外，電橋法只能監測母線的絕緣性而無法對故障支路進行定位。

間接消除法是結合電橋法和直流漏電流流監測法改進而產生的監測方式。直流漏電流監測法是對母線電壓和檢測電阻投切后的支路對地絕緣電阻進行監測[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，所以在此基礎上分別向正負母線投切檢測電阻后獲得這兩次電路的母線電壓，并通過對支路漏電流和支路對地絕緣電阻值作差后的絕對值進行綜合計算。該方法的關鍵點在于投切電阻時間上的把握，必須做到瞬態變化。電流傳感器的基準零點值I0是關于時間和溫度等因素的非線性函數。當投切時間極短，就可以看成是一個固定的常數，所以可以忽略兩次投切變化中傳感器基準零點漂移量的影響，以及零度漂移對直流系統支路對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

在盡量減少對直流系統影響的情況下，分別交替地向母線正負極投入檢測電阻。在實際應用中，直流系統多采用兩段單母線的接線方式，在此只截取一段進行分析。直流系統母線接線原理如圖1所示。

圖1 直流系統母線接線原理圖

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

假設電子開關定時閉合S1和S2，根據傳統的絕緣電阻計算：

(2)

當S1打開、S2閉合時:對地電壓表Um+是母線對地電壓而非絕緣電阻對地電壓；而Um-是檢測電阻R兩端的電壓。在實際情況下，Um+明顯大于Um-，因此式(2)中母線對地絕緣電阻值是不準確的。本文采用電子開關定時自動切換S1和S2。當S1閉合、S2打開時，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S1打開、S2閉合時，負極母線接入檢測電阻等效電路如圖3所示。

圖3 負極母線接入檢測電阻等效電路圖

(4)

(5)

1.2 漏電流傳感器零點漂移的抑制

當直流系統發生接地故障時，為盡快縮小故障的范圍、提高對接地故障的快速響應，本文對傳統的支路檢測方式作了改進。系統正常運行時，如圖1所示，I1+=I1-,傳感器漏電流之差為零，系統不報警。但是在支路漏電流檢測中，通常會忽略傳感器的零點漂移。傳感器測得的漏電流為：

Imx=Imx+-Imx-

(6)

式中：Imx+和Imx-分別為x支路正負極流進和流出的漏電流。當支路絕緣性發生故障時，Imx不為零，但是又忽略了零點漂移變化這一微弱的量。根據歐姆定律，可知測得的絕緣電阻值將會有很大的誤差。真實的傳感器漏電流是：

Imx=Imx+-Imx-+I0

(7)

傳感零點漂移的影響因素有很多，但是在實際應用過程中可以發現，溫度是最重要的影響因素。由于溫度具有不會瞬時變化這一物理特性，本文采用兩次很短時間內交替投切的方式檢測電阻。對所獲得的兩組漏電流量取絕對變化，由于時間很短，可以忽略這時間內變化的環境因素，因此傳感器基準漏電流f(I0)的變化可以看作常數。根據基爾霍夫定律，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，計算機獲得的母線絕緣電阻值Rx、Ry只能判斷母線對地的絕緣情況，無法判斷支路發生的接地故障。為及時掌握直流系統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，進而推算出本支路的絕緣電阻值大小，并實現支路故障的及時定位。

在圖1的直流系統接線模式下，假設1#支路正負極同時經絕緣電阻接地，此時等效電路圖如圖4所示。當電子開關閉合S1時，I1+和I1-分別為支路正負極接地漏電電流，微機檢測出此時的母線間電壓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，當電子開關閉合S2時，支路負極母線接入檢測電阻等效電路如圖5所示。可得此時檢測電阻R端電壓Um-，漏電流傳感器漏電流I2。由于兩次切換時間很短，可以忽略母線電壓的變動。

圖5 支路負極母線接入檢測電阻等效圖

(12)

聯立式(11)、式(12)，可得：

[Um-(Um++Um-)]

(13)

可得：

(14)

當2#支路發生正極R2+單極接地時，計算機同樣可以測得兩組母線間電壓Um，檢測電阻分別接正負母線時端電壓Um+和Um-，以及兩種情況下傳感器漏電值ΔI。

(15)

在直流系統絕緣故障中，多點接地是最嚴重的情況。當發生多點接地時，絕緣系統是否能正常工作，是直流系統絕緣保護的重要參考點。

經過以上的分析，該檢測方式同樣適用于2點以上支路同極性同時接地檢測。所以，當支路發生多點同時絕緣性下降的時候，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。電阻的投切過程會影響正負極電壓的波動。切換電阻越小，電阻波動越大，檢測越靈敏；而電壓的波動大小將直接影響該二次保護裝置的判斷角度。根據直流系統繼電保護與安全事故防范措施中的相關規定，二次保護裝置動作值(如繼電器，光耦合器等元件的保護動作電壓)設計范圍為0.55～0.7 V，所以繼電器等保護裝置兩端電壓最大值要小于0.55 V[16]。為了滿足檢測的準確度要求，必須將對地電壓幅值變化控制在5%U。根據以上的要求，可以求出：模擬接地絕緣電阻的報警閥值為25 kΩ；220 V直流系統中切換電阻的阻值是80～120 kΩ；110 V直流系統切換電阻值是40～60 kΩ[16]。

2 試驗驗證及結果分析

根據圖1網絡結構搭建回路進行模擬測試，對本文提出的檢測方式進行驗證。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級和1.0級。因此，本文選擇0.5級、5～10 mA的穿心式智能漏電流傳感器。根據以上描述，報警閥值為25 kΩ,在模擬試驗中分別選擇24～200 kΩ范圍內的電阻接入正負母線進行模式測試，以驗證其是否能準確報警，以及測試誤差是否在規定范圍內；而投切電阻R選擇100 kΩ[16]。

在試驗中，首先將母線正負極的絕緣電阻接地,正極分別接入24～200 kΩ的絕緣電阻,負極接入30～200 kΩ的絕緣電阻。母線絕緣測試和支路絕緣測試數據分別如表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)計算出的母線對地絕緣電阻的阻值在工業設計要求的5%以內，達到了安全生產的要求。當絕緣阻值偏大時，絕對誤差也越大，但是相對誤差也在要求范圍內。其主要原因還在于檢測儀器精度問題，導致了誤差被放大。

由表1可知該方式運行的可靠性和準確性。當母線先出現故障時,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，電子開關定時的分別接入S1和S2,從而獲得不同的直流電壓和漏電流。利用式(5)獲得間接消除零點漂移后的電阻值，并將其作為判斷標準。

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要求的5%以內,符合安全生產要求。隨著電阻值從大到小試驗,結果中絕對誤差和相對誤差隨之變小。其中主要原因在于當電阻值較大時，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，所以導致誤差會偏大。由最后一組數據可以看出，當2#直接正極接地時，3#支路對地絕緣正常，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，證明了該改進方式的可行性。

表2 支路絕緣測試

3 結束語

本文對傳統絕緣檢測方法進行了改進，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漂移溫漂的影響，以及實際生產中的誤報和漏報。其能夠對單點和多點正負母線絕緣同時下降的故障進行監測和報警，并有效地對故障范圍進行定位。