基于故障錄波的直流系統瞬時接地監測系統研究

全杰雄，溫才權，黃永豐，劉英男，于大洋

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西梧州 543002；2.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061）

在電力系統中，直流系統為通信、監控設備、繼電器保護裝置提供穩定可靠的直流電源[1]。目前，變電站直流系統的接地故障依賴于絕緣監測裝置進行監測，多采用平衡橋加切換橋的方式。文獻[2]中規定：直流系統對地絕緣故障報警響應時間應不大于100 s，支路選線響應時間不大于180 s。對于幾十毫秒不穩定接地故障，絕緣監測裝置無法檢測，經常出現人員到達現場接地已經消失，現有的便攜式接地查找儀在這種情況也無法起到接地查找作用，而使得接地查找無從下手，影響電力系統供電可靠性[3-5]。

綜上所述，設計一種基于故障錄波的直流系統瞬時接地監測系統，通過采集瞬時電壓電流波形，實現直流系統瞬時接地故障監測。

1 系統原理及模擬試驗

1.1 瞬時接地故障類型判斷

直流電源系統發生瞬時接地的故障類型分為正極瞬時接地故障和負極瞬時接地故障，故障過程包括故障發生階段和故障復歸階段[6-10]。當發生負極瞬時接地時，在故障發生階段，正極對地電壓受系統電容的作用會逐漸上升直到穩定，最終穩定的電壓值由平衡橋電阻值與發生的瞬時接地電阻值以及接地的時間而決定。在故障復歸階段，正極對地電壓受系統電容的作用會逐漸下降直到穩定，而最終穩定的電壓值由平衡橋電阻值決定。

當發生正極瞬時接地時，在故障發生階段，正極對地電壓因為系統電容的作用會逐漸下降直到穩定，而最終穩定的電壓值由平衡橋電阻值與發生的瞬時接地電阻值以及接地的時間而決定。在故障復歸階段，正極對地電壓因為系統電容的作用會逐漸上升直到穩定，而最終穩定的電壓值由平衡橋電阻值決定。若系統電容為0，正極對地電壓或負極對地電壓會馬上達到穩態值，如圖1 虛線所示；否則正極對地電壓或負極對地電壓則按照指數曲線的方式進行變化直到穩態值，如圖1 中實線所示。

圖1 系統電容對故障恢復影響示意圖

因此，發生正極瞬時接地故障時，母線電壓變化特征：正極對地電壓的變化過程是先下降再上升，負極對地電壓是先上升再下降；發生負極瞬時接地故障時，正極對地電壓的變化過程是先上升再下降，負極對地電壓先下降再上升。通過監測正負極母線對地電壓是否發生突變和電壓復歸，判定是否發生瞬時接地故障，再通過正負極母線對地電壓的變化趨勢區分瞬時接地故障的類型，實現瞬時接地故障的監測。

1.2 瞬時接地特征量提取及故障判斷

在發生瞬時接地時，接地支路漏電流會存在明顯的變化，而電容較大的無接地支路由于電容的充放電，也會存在較大的電流變化，需減少分布電容對測量的影響。對于饋線支路電容引起的特征量變化考慮采用阻容相位差異和曲線變化方向的方式進行檢測，根據阻容相位差異區分是發生瞬時接地故障引起的特征量變化還是電容性饋線的特征量變化。結合系統母線對地電壓變化加以確認判斷，避免出現誤判現象。

瞬時接地故障母線電壓會波動，投入帶電容的直流負荷時，電容充放電也會引起母線電壓波動，監測系統需區分母線電壓波動是投入負荷引起還是瞬時接地引起，電阻性瞬時接地故障支路才認為是故障支路，電容性瞬時接地支路則認為是干擾。

設計如圖2 所示的模擬試驗，其中V為直流系統母線電壓，R為平衡橋電阻，C為系統正負極對地電容，R1為模擬瞬時接地電阻，C1為支路對地電容，CT1為接地支路漏電流，CT2為容性支路漏電流，K1為模擬開關。

圖2 阻容接地模擬試驗

從圖3 可以看到在瞬時接地發生時，正極母線電壓因為系統電容C+和C-的作用逐漸上升直到穩定。接地支路漏電流CT1有一個逐漸下降的過程，容性支路漏電流CT2因電容充放電會產生一個正向的脈沖后馬上產生一個較小的反向脈沖。因此監測系統對母線對地電壓進行緩存，監測到漏電流特征信號后判定瞬時接地故障。瞬時接地特征量如表1 所示。

表1 瞬時接地特征量

圖3 特征量變化

從圖3 可以看出，瞬時接地電流瞬間增大逐漸減小至0，而投入電容性負荷電流受充放電影響方向會有正負變化，以此特征來區分瞬時接地還是投入電容性負荷。瞬時接地故障特征判斷如表2 所示。

表2 瞬時接地故障特征判斷

2 系統設計

2.1 系統架構

現有的絕緣監測裝置均采用分立式設計[11-14]，由裝置主機、選線模塊、電流傳感器三部分組成。一個選線模塊連接若干個電流互感器，可以同時監測若干路饋線。一臺主機通過RS485 總線以一主多從的方式連接幾個到十幾個選線模塊，主機一般情況下都是以波特率4 800 b/s 或9 600 b/s，點對點一問一答的方式逐個輪詢選線模塊，數據交換時間1～8 s 左右，無法監測毫秒級的瞬時接地故障。

為了實現瞬時接地定位功能，所設計的監測系統主機與選線模塊之間的通信方式采用CAN_bus 的方式，CAN(Controller Area Network)現場總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。采用多主方式，網絡中的各節點可以根據總線訪問優先權采用無損結構逐位仲裁方式競爭向總線發送數據，使得網絡各節點之間的通信數據實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。系統架構如圖4 所示。

圖4 系統架構

2.2 瞬時接地故障錄波監測

在絕緣監測裝置上引入故障錄波，實現故障錄波關鍵在于故障時刻點的判斷以及啟動錄波采集數據任務。利用絕緣裝置現有的硬件架構及接口，通過絕緣裝置對母線電壓的監測實現故障時母線對地電壓變化曲線的錄波功能，通過安裝在饋線支路上的電流互感器對支路電流的突變進行故障錄波。根據裝置記錄的數據波形，可以快速找到故障點位置。

理想情況下，直流電源系統無交流成分，當發生交流竄入時，直流系統會存在50 Hz 的交流信號[15-16]，根據奈奎斯特采樣定理，絕緣裝置的故障錄波功能采樣頻率不能小于100 Hz。為了滿足10 ms 瞬時接地故障的檢測，數據采集間隔必須小于10 ms 的采樣間隔，即10 Hz 的采樣頻率。綜合考慮到絕緣裝置的硬件資源以及屏幕顯示的分辨率和顯示數據長度等原因，采樣頻率設為1 kHz，即1 ms 進行一次定時采樣及計算。數據采集主要分為兩部分：一是直流系統母線對地電壓的采集，保存500 ms 的母線對地波形，采集原理圖如圖5 所示；二是故障回路電流變化情況，保存5 000 ms的波形，采集原理圖如圖6所示。

圖5 直流系統母線對地電壓的采集原理圖

圖6 饋線電流采集原理圖

該文采用高性能的STM32F7 系列芯片，具備分時多任務系統的實時信號處理，可快速判斷故障時刻點并啟動錄波，同時完成數據記錄存儲、錄波分析、通信管理、功能巡檢、顯示等功能。

如圖7 所示，母線對地故障錄波圖分為兩部分：A時段故障前和B時段故障后，以電壓突變量作為故障判斷的啟動量Un，當母線正極對地電壓或負極對地電壓突變量ΔV＜Un，即系統沒有發生故障，由S時刻開始按A時段的順序執行緩存，如果A時段緩存滿后按照先進先出的方式緩存。當母線正極對地電壓或負極對地電壓突變量ΔV≥Un，即此時刻T系統發生了故障，由T時刻開始按照B時段的順序執行采樣數據緩存，直到緩存滿B時段的數據。A時段：系統對地電壓出現擾動開始前的狀態數據，輸出原始記錄波形及有效值，記錄時間約為250 ms。B時段：系統對地電壓出現擾動后初期的狀態數據，輸出原始記錄波形及有效值，記錄時間約為250 ms。

圖7 采樣時段順序

2.3 程序流程

系統程序判斷流程如圖8 所示，系統采集直流系統母線各處電壓后，先判斷是否處于錄波狀態，若處于錄波中，判斷錄波時長，若錄波時長大于T2，則退出錄波繼續測電壓；若錄波時長小于T2，則繼續存儲數據錄波，完成錄波后繼續監測母線電壓。若非錄波狀態，則比較電壓波動變化，若電壓波動ΔVt小于或等于預設波動閾值ΔV，則繼續進行母線電壓監測；若電壓波動ΔVt大于預設波動閾值ΔV，則生成錄波記錄，并進行數據存儲。完成錄波后，母線電壓監測主機收集各母線電壓監測從機相同時間的錄波數據，進行對比分析，找出波動趨勢最大的母線電壓監測從機，確定直流系統母線故障的具體位置。

圖8 系統程序判斷流程

3 實驗測試

以1 kHz 的采樣頻率實時采集母線對地電壓，并記錄母線故障前后共500 ms 的波形信息。而饋線電流記錄故障前后共5 s 的波形信息。判斷依據：如果母線正負極對地電壓突變超過接地巡檢電壓突變量，啟動瞬時波形采集。

模擬在金屬性接地無干擾情況下，接地接入時間為10 ms、20 ms 的瞬時接地故障，實驗結果如表3所示。

表3 實驗設置及結果

從波形分析，裝置采集母線對地電壓波形與示波器采集波形一致，饋線支路漏電流特征為先下降后上升，裝置判斷為負極金屬性接地，該判斷結果正確。

4 結論

該文針對直流系統瞬時接地不易查找問題，通過分析瞬時接地故障類型，通過模擬實驗，提取瞬時接地特征量母線對地電壓和饋線電流。根據監測特征量，提出了一種基于故障錄波監測的直流系統瞬時接地監測系統。通過實驗測試，驗證所設計系統可快速判斷和定位瞬時接地故障支路，提高直流系統可靠性。