基于變頻投切電阻的直流系統絕緣檢測方法

吳瑜坤 ，李書瀚，王 巖

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012；2.國網吉林供電公司，吉林 吉林 132001)

直流系統是電力系統控制與保護的基礎，是系統安全的保障，繼電保護裝置、自動控制裝置等能否正常工作都取決于直流系統是否穩定[1]。近些年，直流系統的絕緣問題越來越引起有關方面的重視，其中最常見的問題就是直流系統接地故障[2-4]。如果系統中同時出現兩支路的單端接地，就可能造成設備的損壞或爆炸，嚴重時可能對整個變電站和輸電系統造成危害，因此當出現單端接地情況時就應及時測量并進行報警。

目前，直流系統檢測方法主要有三大類：電橋法、低頻注入法和直流漏電流法。低頻注入法是通過在母線中注入交流電流，把交流傳感器安裝在待測支路上，通過傳感器測量得到電流信號，即可分析待測支路的絕緣情況，最終完成絕緣監測的目的[5]。這種方法是現在所使用的檢測方法精度最高的一種，但是因為在直流系統中直接加入了交流電流，會給母線帶來很大的紋波，而且整個測量過程受分布電容的影響較大，因此，有必要研究一種新的檢測方法，在減小干擾的情況下使檢測精度最高。

本文提出一種變頻投切電阻法的支路故障絕緣檢測方法，通過以改變頻率二次投切電阻，將直流轉換為交流，根據傳感器測量得到交流電流信號和投切電阻電壓信號即可得到支路接地電阻阻值。這種方法是對注入信號法的改進，不投入交流信號即可利用交流傳感器進行絕緣監測，并且解決分布電容對檢測的影響。

1 變頻投切電阻法

變頻投切電阻法的原理是直流系統由正負110 V母線構成，由于大地是良導體，故正負母線上對地存在分布式電容C+、C-。母線上也分別存在對地電阻R+、R-，其分別與相應分布電容并聯接地，而直流系統負載采用兩根支路電線直接掛載到母線上，通過增加投切接地電阻支路RT+、RT-的方式增加一條電流支路以構成新的電路平衡(見圖1)，圖1中RT+、RT-為投切接地支路電阻，Rd、Cd分別為故障支路接地電阻和電容，C為等效電容。該方法通過在母線與大地間以不同的兩次頻率投切電阻，在支路端口處安裝有測量支路電流的交流傳感器，穩定后測量得到的信號即為待測支路流過的交流信號。若該支路發生單極性接地故障時，通過傳感器數據，結合投切電阻部分有關數據即可得到確定支路的絕緣情況。此方法無法對雙端接地情況同時進行監測，可以依次向正負母線投切電阻來檢測雙端接地絕緣情況。

圖1 變頻投切電阻法原理

直流系統絕緣檢測的母線檢測方法已經非常完善，方法簡單且都可以保證測量的精度。根據文獻[6]提出的正負極母線投入檢測電阻的方法，并結合變頻投切電阻的原理，在進行正負母線投切電阻時，將投切開關K1長時間閉合，不按頻率開關閉合，先對母線故障電阻進行檢測，可求得母線電阻：

R+=(U-I1RT-I2RT)/I2

(1)

R-=(U-I1RT-I2RT)/I1

(2)

式中：U為母線電壓；I1、I2為投入故障電阻后，正母線故障電流和負母線故障電流；RT為投入母線的故障電阻，也是投切電阻的阻值。

此方法測量誤差較小，滿足母線電阻測量需要。下面對變頻投切電阻法測量支路進行描述。

1.1 變頻投切電阻法測量支路電阻

通過增加投切接地電阻支路RT+、RT-的方式增加一條電流支路以構成新的電路平衡，由此采用交流互感器測量支路的漏電流以提高檢測精度，再通過電路關系求解出該支路的接地電阻。當某支路正極出現單端接地故障，在負母線投切電阻RT，投切支路會經投切開關將直流信號轉化成一個方波信號，方波交流電壓通過母線電阻和電容并聯后會輸出一個三角波電壓，相當于向支路加入了一個三角波交流信號，但三角波的電壓值十分小，其等效簡化測量圖見圖2。

圖2 變頻投切法測量等效圖

通過在支路的傳感器測得流過支路的交流電流，選擇合適的投切頻率后，經兩次投切操作，即可得到支路電阻阻值。由于母線分布電容的值是等效形成的，為了保證交流信號的形成，在投切電阻兩端并聯一個與母線分布電容大小相等的等效電容C，用于交流信號的穩定產生。

1.2 變頻投切電阻法計算公式

假定待測故障支路接地故障電阻值為Rd，根據加裝在支路處的交流傳感器，直接得到該支路的漏電流I；根據安裝在投切支路兩端的電壓表，變頻投切電阻法的電路關系為：

(3)

(4)

式中：Id1、Id2為兩次投切后支路交流電流；f1、f2為兩次投切電阻頻率；U1、U2為投切電阻后投切支路兩端電壓。

計算過程中，將支路分布電容等效值用第一次測量電流表示，帶入第二次測量電流，推導得出：

(5)

(6)

(7)

式中：α為兩次投切頻率的平方比；β為兩次投切后投切支路的測量電壓值的平方比。

公式(5)即為變頻投切電阻法電阻計算方式。若支路正負極同時出現接地故障，先向一極投切電阻計算接地情況，然后再向另一極投切電阻計算接地情況。計算方法不受分布電容影響，計算過程中忽略其存在，這種接地情況依然適用。

2 電路參數選取

2.1 投切后三角波的形成

如果在輸入電壓Ui處加方波電壓，則電容C輸出電壓Uo，積分電路見圖3。當滿足：時間常數τ遠大于tW，方波寬度tW遠小于RC數值時，在輸出端即可得到圖4的電壓波形。

圖3 積分電路

圖4 輸入輸出電壓

當t=t1時，輸入電壓此時由零增大到最高值，輸出端電壓不能變化，兩端電壓為零；當t1

在使用變頻投切電阻法時，分布電容會和投切電阻近似形成積分電路，先把直流經投切支路轉變為方波交流信號，后又經積分電路將方波信號轉變為三角波信號。為了消除母線分布電容會對投切造成的不確定影響，與投切支路并聯一個與分布電容相近的等效電容完成電路。等效電容的并聯保證三角波信號更加穩定的輸出，一般220 kV變電站直流系統母線分布電容為70～100 μF，因此選取模擬電容的值為100 μF。

2.2 投切支路對投切頻率影響

變電站直流系統母線分布電容大約為70 ～100 μF，因此每條支路的分布電容大約為1 μF[7]。由于投切電阻后形成的三角波也是有頻率的，它的頻率取決于投切的頻率。圖5為投切電阻形成交流信號原理圖，圖6是RC串并聯電路的阻抗特性曲線。

圖5 RC串并聯電路

圖6 RC串并聯電路轉折頻率與阻抗特性

當頻率小于f01時，電容相當于開路，沒有電流經過。為了保證電容能夠產生最大的電壓，要近似于短路，因此頻率的選擇必大于f02，其中f02的計算公式為：

(8)

電阻和電容的值決定轉折頻率的大小。當輸入頻率大于轉折頻率f02時，此時電容的容抗相對于電阻很小，則電流不從R2流過，全經過電容，完成積分電路，因此會使得電容上產生較大的電壓。當電阻R1設置為20 kΩ，電阻R2模擬值為100 kΩ時，電容70 μF，轉折頻率為f02=0.136 Hz，故投切頻率需要大于0.136 Hz。即使電容變大或者投切電阻變大，頻率也會變小，因此只需大于0.136 Hz即可。

2.3 待測支路對投切頻率影響

RC并聯電路由電阻和電容并聯而成，也就是模擬了實際大地中電阻和分布電容的存在方式。這樣的電路既可以通過直流，也可以通過交流。當連接在直流電路中時，因為電容器件的特性，無法通過直流電流，即電阻上流過全部的直流電流。而對電路通交流時，都可以有電流經過，具體電流大小取決于電阻的阻值和電容的容抗。表1分析了支路可能存在各種分布電容在不同低頻交流信號下本身的等效容抗值。

表1 支路容抗變化 kΩ

變頻投切電阻法需要使用交流傳感器進行測量，仍受到分布電容的影響。若分布電容的容抗值因為頻率過高導致容抗值很小，將不會有交流電流從電阻流過，計算結果不能代表接地電阻的準確，影響絕緣檢測[8]，因此要求抗值應盡可能大，使交流電流更多從電阻中流過。

為了使交流信號通過接地支路并不對測量產生影響，結合DL/T 724—2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》規定電阻小于25 kΩ應報警要求，并在過程中簡化計算，選擇1 Hz和2 Hz作為投切頻率。

3 仿真驗證

3.1 仿真環境

在Multisim平臺搭建實驗電路，使用直流電源模擬220 V直流系統，通過壓控開關投切電阻，用方波交流信號控制壓控開關以一定頻率的打開和關斷，實現電阻投切。仿真示意圖見圖7。

圖7 仿真示意圖

VCC模擬直流系統電壓220 V。U′為控制壓控開關開斷的交流源，壓控開關開通狀時態電阻1 Ω，關閉狀態時電阻1 MΩ，開通時近似于短路，不分擔電壓，關斷時電阻很大，無法流過電流。U′提供頻率為1 Hz和2 Hz的方波信號，控制開關的開斷。R4為1 Ω的分析電阻，通過示波器采集信號模擬電流值。

R1C1為模擬母線對地支路，R2C2為模擬故障支路。R1模擬母線接地，取值100 kΩ，C1取100 μF，C2取1 μF。R3為投切電阻，取值20 kΩ。為了保證電壓的穩定輸出，在投切電阻旁并聯等效分布電容的C3，同取100 μF。待測支路R2即為待求值Rd。

3.2 仿真結果

仿真中通過示波器可以得到待測支路三角波電壓和投切支路方波電壓波形圖。仿真過程中修改支路電阻R2，在不同的接地故障下進行兩次投切操作后，測量投切支路電壓和待測支路電流，最后計算電阻，結果見表2。

表2 仿真實驗結果

3.3 仿真結果分析

根據表2，可以看出在用文中方法進行支路接地故障測量時，電阻在DL/T 724—2000規定的小于25 kΩ范圍內，檢測精度很高，誤差不超過1%，符合國家有關規定的絕緣檢測能力要求。在需觀察預警的50 kΩ范圍內，檢測精度小于5%，有很高的檢測能力[9]。但是隨著接地電阻的增大，支路電流會越來越小，傳感器的檢測難度也會越來越大，會對數據造成一定程度的影響。且隨著接地電阻阻值的增加，因為投切形成的電壓隨著電阻的增大不斷變小，流經支路的交流電受分布電容的影響會更加明顯，使得通過支路的電流不再是完整的三角波，對檢測造成困難。圖8為投入100 kΩ模擬故障時待測支路示波器2的波形。分布電容的存在使得三角波發生變化，雖然電流值沒有超出交流傳感器的檢測范圍，但是對于故障計算的精度卻造成了很大的影響。

圖8 模擬100 kΩ故障時待測支路電壓

4 結論

通過介紹目前使用的直流絕緣檢測的各種方法，為提高檢測能力，提出了一種變頻投切電阻的檢測方法。在支路出現故障需要進行絕緣檢測判斷絕緣情況時，母線上并聯投切電阻支路將進行投切電阻操作，使得母線接地部分簡化成一個已知頻率的三角波交流信號，根據接地支路漏電流值計算得出接地電阻阻值。該方法在測量時使用測量精度高的交流傳感器，計算時不受母線電阻以及分布電容的影響，利用直流系統產生交流信號，不額外安裝交流源，改善了傳統信號注入法問題。通過仿真模擬，得到了變換后穩定的三角波輸出電壓，對電阻50 kΩ以內的故障模擬計算，結果證明了投切電阻法的可行性，但在具體參數和交流傳感器的選擇上，還需要進一步完善。