直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)新方法的研究

王松楠，孟憲彬，王懷科，李 勐，余 銀

(1.珠海供電公司，廣東 珠海市5190003;2.東北電力設(shè)計(jì)院送電電氣，長(zhǎng)春130000;3.黑龍江省甘南縣電業(yè)局調(diào)度中心，黑龍江甘南162100;4.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春130021;5.超高壓輸電公司柳州局，廣西柳州545006)

發(fā)電廠、變電站的直流系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大復(fù)雜的多分支供電網(wǎng)絡(luò)，其接地故障率一直排在電氣故障率的首位，接地故障種類繁多，情況復(fù)雜，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有著十分嚴(yán)重的潛在危險(xiǎn)。直流系統(tǒng)主要為發(fā)電廠、變電站的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)回路等二次設(shè)備提供可靠的不間斷電源，還為發(fā)電廠有些運(yùn)行設(shè)備提供電力供應(yīng)，它的穩(wěn)定直接影響著電力系統(tǒng)中一次、二次設(shè)備的正常運(yùn)行［1－3］。支路接地是直流系統(tǒng)最常見的故障，若直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障后未被即時(shí)處理，多種條件將引起裝置的可能誤動(dòng)、拒動(dòng)，以至損壞設(shè)備，造成大面積停電、系統(tǒng)瓦解等嚴(yán)重后果。

目前常用的檢測(cè)方法是低頻信號(hào)注入法［4－5］(通常為10～30 Hz)，由于直流系統(tǒng)中高次諧波和工頻分量等干擾信號(hào)的存在，當(dāng)對(duì)地電容大于2uf時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致低頻信號(hào)被淹沒，不易準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻和對(duì)地電容值，而變電站的直流系統(tǒng)對(duì)地電容往往大于2 uf，這使得低頻信號(hào)注入法難以準(zhǔn)確檢測(cè)。而漏電流測(cè)量法所使用傳感器使用的是絕對(duì)值測(cè)量，由于傳感器溫漂、零漂及剩磁的影響，漏電流測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)起來還非常困難。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)做了大量研究，將先進(jìn)的信號(hào)處理方法運(yùn)用于支路接地電阻的檢測(cè)［6－8］，尤其是以小波變換為基礎(chǔ)的時(shí)頻分析方法獲得廣泛的應(yīng)用，提高了檢測(cè)精度，但在對(duì)地電容較大的情況下，其檢測(cè)精度還有待提高。文獻(xiàn)［6］在小波分析的基礎(chǔ)上，以小波熵作為特征參數(shù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能化的直流系統(tǒng)接地故障識(shí)別。文獻(xiàn)［7］以ARM微處理器進(jìn)行嵌入式開發(fā)設(shè)計(jì)，提出了基于小波變換的接地故障檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)［8］以小波變換和分形理論為基礎(chǔ)，利用凹凸度參數(shù)和分形維數(shù)確定環(huán)網(wǎng)接地故障。基于小波變換的檢測(cè)方法能較好地抑制噪聲，但在信噪比低的情況下信號(hào)失真比較嚴(yán)重，且存在小波基函數(shù)不易選取、計(jì)算量大等不足［9－11］。二維線性跟蹤器是一種無限沖激響應(yīng)濾波器，它是根據(jù)最小方差原則與梯度下降方法，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換得到［13－15］，它具有幅頻特性和相頻特性，能夠提取特定頻率的輸入信號(hào)，并可以得到信號(hào)幅值和相位的估計(jì)。

本文將基于微商跟蹤法檢測(cè)方法應(yīng)用于直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)，將采集到的擾動(dòng)電壓及電流信號(hào)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，分別得到電壓微分信號(hào)和電流微分信號(hào)，從而計(jì)算出絕緣電阻值，使用最小二乘法線性擬合［12］，計(jì)算出直流系統(tǒng)接地電阻值，從而避開對(duì)地電容的影響。仿真結(jié)果表明該方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高、計(jì)算量小、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能全面反映支路的運(yùn)行狀態(tài)。

變電站的直流系統(tǒng)對(duì)地電容往往大于2 uf，它是各個(gè)支路分布電容的并聯(lián)值，而每個(gè)支路的分布電容較小。在此條件下，提出了利用暫態(tài)電流信號(hào)分量的直流接地故障檢測(cè)方法，當(dāng)在正負(fù)母線上投入檢測(cè)電阻時(shí)，對(duì)于絕緣下降的故障支路，傳感器將隨著絕緣下降的程度而產(chǎn)生大小不同的暫態(tài)電流過程。

1 微商跟蹤法的物理特征及表達(dá)式

實(shí)驗(yàn)是在油水兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)完成的，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。油、水分別經(jīng)過油泵和水泵抽出，經(jīng)電磁流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入油水兩相混合器，從油水兩相混合器出來的油水混合物，流經(jīng)實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量后，進(jìn)入油水分離器，將油水進(jìn)行分離并循環(huán)使用。

現(xiàn)在電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化的執(zhí)行過程中對(duì)信號(hào)的要求不能以統(tǒng)計(jì)的概率分析過程的數(shù)據(jù)，這樣的信息只能作為人工判斷的參考。智能化、自動(dòng)化的執(zhí)行信號(hào)應(yīng)該確保為真值。

電工理論中:電壓U－正負(fù)母線到地電壓，電流I－傳感器電流，電阻R－支路絕緣電阻。

該表達(dá)式的測(cè)量關(guān)系是基于絕對(duì)值的方式。

微商跟蹤法是在母線加上一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)其表現(xiàn)為:電壓－正負(fù)母線到地電壓改變量，電流?I－傳感器電流改變量，電阻R－支路絕緣電阻。

該表達(dá)式給出測(cè)量關(guān)系是基于相對(duì)值的方式，它不存在調(diào)零電路和放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電路。它是以擾動(dòng)信號(hào)的基準(zhǔn)點(diǎn)為參考點(diǎn)，解決了絕對(duì)值測(cè)量的溫漂、零漂及直流測(cè)量剩磁的影響，從而得到相同的絕緣電阻。

以上是微商跟蹤法的基本理論思想，數(shù)字仿真及實(shí)測(cè)均證實(shí)了該算法的可行性。公式簡(jiǎn)單、實(shí)用，只用到簡(jiǎn)單的濾波，沒有繁瑣的解題及小波分析過程，而得到的結(jié)果快速、準(zhǔn)確。

2 接地電阻和對(duì)地電容參數(shù)的關(guān)系

由于目前的直流系統(tǒng)存在較大的對(duì)地電容，從而影響了接地電阻的檢測(cè)精度，且容易導(dǎo)致誤判。直流系統(tǒng)的對(duì)地電容，是由多支路電容并聯(lián)，裝置濾波電容等構(gòu)成，進(jìn)而造成直流系統(tǒng)對(duì)地電容大的現(xiàn)象。由于對(duì)地電容會(huì)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的電壓幅值的上升率有一定影響，這是可以通過延時(shí)或根據(jù)測(cè)量電壓上升率來確定的。

由電路定律式(3)，用最小二乘法擬合，可確定支路接地電阻值R和支路對(duì)地電容C，接地支路絕緣電阻與支路電容的關(guān)系。Ii第i條支路漏電流，Ci第i條支路電容。

經(jīng)過數(shù)字仿真及實(shí)測(cè)得到的結(jié)論為:每條支路的電容較小，對(duì)于傳感器的電流信號(hào)的暫態(tài)過程遠(yuǎn)小于母線的暫態(tài)過程，所以傳感器支路電容對(duì)電流的測(cè)量參數(shù)沒有什么影響。

3 實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)接地故障監(jiān)測(cè)的原理

直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)過程，首先監(jiān)測(cè)母線絕緣電阻，根據(jù)直流系統(tǒng)的絕緣情況選擇支路檢測(cè)，目前的檢測(cè)技術(shù)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是直流系統(tǒng)絕緣小于25 kΩ進(jìn)入檢測(cè)，而設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程的要求正負(fù)母線對(duì)地絕緣應(yīng)不小于100 kΩ，要維持設(shè)計(jì)規(guī)程要求的絕緣指標(biāo)需要正負(fù)母線對(duì)地絕緣小于100 kΩ報(bào)警，在我們的設(shè)計(jì)中不是正負(fù)母線對(duì)地絕緣小于100 kΩ報(bào)警，而是支路絕緣小于100 kΩ報(bào)警，它是以分辨出支路的絕緣水平為檢測(cè)目標(biāo)。直流系統(tǒng)測(cè)量高阻值的絕緣參數(shù)是較容易的，測(cè)量高阻值支路絕緣非常困難，涉及傳感器受到10千伏的空間強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，傳感器分辨率、溫漂、零漂、剩磁的因素影響，支路的漏電流信號(hào)微弱到微安級(jí)。使用不平衡電橋檢測(cè)法，組合開關(guān)2、開關(guān)3、開關(guān)4，結(jié)合研制的高精度可拆裝的直流弱電流傳感器作為絕緣檢測(cè)時(shí)(分辨率可達(dá)0.01 mA，并在檢測(cè)前能自動(dòng)校零)，能準(zhǔn)確地測(cè)量較高的絕緣值R+、R－。該直流電流傳感器對(duì)交流信號(hào)非常不敏感。因此我們采用不平衡電阻探測(cè)法，來精確檢測(cè)直流母線的絕緣狀況。

4 結(jié) 論

現(xiàn)在電網(wǎng)智能化、自動(dòng)化的執(zhí)行過程中對(duì)信號(hào)的要求不能以統(tǒng)計(jì)的概率分析的數(shù)據(jù)為依據(jù)。智能化、自動(dòng)化的執(zhí)行信號(hào)應(yīng)該確保為真值，要么是1否則為0。在一個(gè)控制系統(tǒng)中自動(dòng)化執(zhí)行的信息可能不只是一個(gè)數(shù)據(jù)，因此涉及到的信息都要確保為真值。

本文提出的基于微商跟蹤法的直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)方法，能直接準(zhǔn)確測(cè)量出故障信號(hào)，從而完成接地電阻和對(duì)地電容的聯(lián)合測(cè)量，全面反映出支路的運(yùn)行狀態(tài)，為直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)提供了新思路。該方法與基于小波變換的檢測(cè)方法相比，在頻率成分復(fù)雜、強(qiáng)噪聲環(huán)境下，無需對(duì)信號(hào)預(yù)處理，檢測(cè)步驟簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高。Matlab仿真結(jié)果表明該方法計(jì)算量小、響應(yīng)速度快，有較好的實(shí)用價(jià)值。

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