一種新型的直流接地故障報(bào)警電路研究

艾 勝 曾啟帆 任 強(qiáng) 徐 榮 陳德鵬

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,湖北 武漢 430033；江蘇大全集團(tuán)2，江蘇 揚(yáng)中 212200)

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一種新型的直流接地故障報(bào)警電路研究

艾 勝1曾啟帆1任 強(qiáng)1徐 榮2陳德鵬1

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,湖北 武漢 430033；江蘇大全集團(tuán)2，江蘇 揚(yáng)中 212200)

為及時(shí)、有效地進(jìn)行直流接地故障報(bào)警，提高變頻系統(tǒng)的可靠性，提出了一種基于電橋平衡法的新型直流接地故障報(bào)警電路。通過改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，采用小阻值的檢測(cè)電阻，減小了電路體積且降低了成本。該電路在實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)直流接地短路故障的同時(shí)，不會(huì)降低系統(tǒng)的絕緣性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。搭建了仿真模型，對(duì)電路進(jìn)行驗(yàn)證，并制作實(shí)際電路進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了電路的有效性。

變頻器 檢測(cè)電路 電磁兼容 接地故障 電橋平衡法 在線監(jiān)測(cè)

0 引言

直流系統(tǒng)單極接地是變頻系統(tǒng)常見的絕緣破壞故障，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)多點(diǎn)接地時(shí)，極有可能造成更嚴(yán)重的短路故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞。此外，故障會(huì)對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性產(chǎn)生影響，從而影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此，及時(shí)、有效地進(jìn)行直流接地故障報(bào)警對(duì)提高變頻系統(tǒng)的可靠性非常必要[1-2]。

目前，對(duì)于接地故障檢測(cè)的研究方興未艾。國(guó)內(nèi)外常見的接地故障檢測(cè)方法主要有交流信號(hào)注入法、直流漏電流法、電橋平衡法等[3]。交流信號(hào)注入法(簡(jiǎn)稱交流法)[4-7]和直流漏電流法檢測(cè)法(簡(jiǎn)稱直流法)[8-10]都存在體積大、部件多、成本高的問題。交流法需要注入低頻信號(hào)，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且無(wú)法完全解決分布電容對(duì)其的影響。直流法需要頻繁切換接地電阻，容易造成誤保護(hù)動(dòng)作。

電橋平衡法通過一個(gè)橋式電路阻值的變化來(lái)檢測(cè)接地故障[11]。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需信號(hào)發(fā)生器和傳感器等器件，成本低，且測(cè)量與分布電容無(wú)關(guān)，適用于各功率等級(jí)變頻器。電橋平衡法要求檢測(cè)電阻的阻值非常大。本文提出一種新的接地故障報(bào)警電路，大大減小了電阻阻值；通過各方面改進(jìn)，進(jìn)一步降低了成本、增強(qiáng)了實(shí)用性。

1 電路方案

1.1 傳統(tǒng)的平衡橋式接地故障檢測(cè)電路分析

傳統(tǒng)的平衡橋式接地故障檢測(cè)電路如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)接地故障檢測(cè)電路

正常情況下，P-N之間連接2個(gè)電阻R1和R2，由于電阻R1和R2的阻值相同，2個(gè)電阻上的電壓均為母線電壓的一半，此時(shí)檢測(cè)電阻Rs兩端僅有漏電流產(chǎn)生的壓降(一般較小)。當(dāng)P極發(fā)生絕緣故障時(shí)，也相當(dāng)于圖1中的開關(guān)S閉合，也相當(dāng)于在P極與地之間接了1個(gè)小電阻R3。此時(shí)，由于電橋平衡被打破，電阻Rs上電壓發(fā)生變化，通過檢測(cè)Rs兩端電壓變化就能檢測(cè)出絕緣故障。同理可知，當(dāng)N極發(fā)生絕緣故障時(shí)，過程相似。不同之處是，P極發(fā)生絕緣故障與N極發(fā)生絕緣故障在檢測(cè)電阻Rs上的電流相反，導(dǎo)致Rs兩端電壓不同，所以PLC必須對(duì)電壓方向進(jìn)行判斷。

當(dāng)P極發(fā)生絕緣故障，其電路方程為：

(1)

為便于理解，方程式中用(R3+Rs)//R1表示R3和Rs電阻串聯(lián)后與R1的并聯(lián)電阻值。根據(jù)以上電路方程，即可實(shí)現(xiàn)所需的絕緣報(bào)警電路設(shè)計(jì)值。

傳統(tǒng)的平衡橋式接地故障檢測(cè)電路存在以下問題：

①由于漏電流檢測(cè)電阻Rs的接入，系統(tǒng)絕緣電阻僅為R1+Rs，為保證檢測(cè)精度，電阻一般在100 kΩ以內(nèi)。該電阻的引入導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣降低。

②當(dāng)發(fā)生P極對(duì)地短路或者N極對(duì)地短路的極端故障時(shí)，電阻R2或者R1要承受整個(gè)直流母線電壓，功耗較大，因此選用的R1和R2的功率和體積較大，成本也較高。

1.2 接地故障報(bào)警電路

基于平衡電橋法的接地故障報(bào)警電路原理圖如圖2所示。

圖2 接地故障檢測(cè)電路原理圖

正常情況下，P-N之間母線電壓通過R1、D1、R4及D4路徑對(duì)電容C1與C2充電。當(dāng)充電結(jié)束后，忽略二極管正向壓降，C1與C2兩端的電壓均約為母線電壓的一半，此時(shí)檢測(cè)電阻Rs兩端沒有電壓。下面用開關(guān)S模擬P極發(fā)生接地故障。用R5模擬接地電阻，當(dāng)P極對(duì)地絕緣發(fā)生問題時(shí)(S閉合時(shí))，圖2電路的等效電路如圖3所示。P-N之間通過接地電阻R5、檢測(cè)電阻Rs、R4及D4路徑對(duì)C2進(jìn)行充電，C1通過D2、R2、R5與Rs路徑放電。隨著C2充電與C1放電的進(jìn)行，流過Rs的電流逐漸減小，其兩端電壓也隨之減小，當(dāng)C2充電與C1放電結(jié)束后，C2電壓為母線電壓，C1電壓為0 V。此過程中，Rs流經(jīng)電流變化明顯，因此通過檢測(cè)Rs兩端電壓變化就能檢測(cè)出接地故障。由于圖2中左右電路的功能是對(duì)稱的，同理可知，當(dāng)N極發(fā)生接地故障時(shí)，過程相似。不同的是，此時(shí)C1進(jìn)行充電、C2進(jìn)行放電，并且流過檢測(cè)電阻Rs的電流與P極發(fā)生接地故障時(shí)的電流方向相反。P極接地故障等效電路原理圖如圖3所示。

圖3 P極接地故障等效電路原理圖

以圖3電路為例，P極接地故障發(fā)生瞬間的電路方程如下(忽略二極管的管壓降)：

(2)

通過式(2)可以解得檢測(cè)電阻兩端電壓Us為：

(3)

由于R2與R4相同，C1與C2相同，因此，R2與R4上的電流變化趨勢(shì)一樣。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，本電路中接地故障設(shè)定的閾值為130 kΩ，即當(dāng)對(duì)地絕緣電阻R5≤130 kΩ時(shí)，認(rèn)定推進(jìn)變頻器發(fā)生接地故障。故障時(shí),檢測(cè)電壓在2～5 V范圍內(nèi)。為了方便后續(xù)電路對(duì)檢測(cè)電壓的處理，選取Rs=1.1 kΩ。根據(jù)上述電路原理，當(dāng)Us>2.28 V時(shí)，表明P極發(fā)生接地故障。同理，當(dāng)Us<-2.28時(shí)，表明N極發(fā)生接地故障。

1.3 絕緣電阻電壓檢測(cè)電路

絕緣電阻電壓檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)接地故障檢測(cè)的另一個(gè)關(guān)鍵部分。該部分電路將接地故障信號(hào)處理并轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，便于上位機(jī)接收?qǐng)?bào)警。為了防止前端監(jiān)測(cè)電路故障對(duì)后端電路的影響，在檢測(cè)電壓Us兩端接二極管進(jìn)行保護(hù)。由于Us方向有正負(fù)，并且考慮將電壓鉗位在2.5 V左右，因此在Us兩端正反向，分別將4個(gè)二極管串聯(lián)連接。

檢測(cè)電路采用MC33161芯片，以實(shí)現(xiàn)正過壓和負(fù)過壓監(jiān)測(cè)。

限定值U1與U2可以由式(4)與式(5)求得，將引腳輸入設(shè)置為負(fù)過壓監(jiān)測(cè)，限定值U3與U4可以由式(6)與式(7)求得。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Uth1與Uth2為芯片內(nèi)部比較器的門檻電壓，均為1.27 V；UH1與UH2為芯片內(nèi)部的滯回電壓。

檢測(cè)電路中還采用了SN55451B光纖驅(qū)動(dòng)芯片(包含2個(gè)與門通道)，這里只用1個(gè)通道。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，輸出低電平，光纖頭發(fā)光，以此作為報(bào)警信號(hào)傳給主控制器。

2 仿真分析

為驗(yàn)證提出電路的可行性和有效性，在PSCAD軟件平臺(tái)上搭建了接地故障報(bào)警仿真電路模型。P極絕緣故障的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 P極接地故障仿真圖

圖4(a)中，實(shí)線代表Us，虛線對(duì)應(yīng)檢測(cè)輸出信號(hào)Uout發(fā)生跳變的時(shí)刻。而Uout具體波形如圖4(b)所示。接地故障發(fā)生瞬間，Us=-2.25 V，小于設(shè)置的-1.9 V閾值。Uout開始為低電平，之后隨著C2充電和C1放電，Us的絕對(duì)值開始逐漸減小，直到Us>-1.82 V，Uout變?yōu)楦唠娖?。從時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出與原理分析一致，Uou維持低電平的時(shí)間為8 ms左右。

在正常情況下，檢測(cè)電路輸出信號(hào)Uout為高電平，光纖頭不發(fā)光；當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，Uout為低電平，光纖頭發(fā)光，發(fā)出接地故障報(bào)警信號(hào)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證接地故障報(bào)警電路的正確性，制作電路板并搭建相應(yīng)的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)中，利用接地電阻R5和開關(guān)的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)接地故障的產(chǎn)生。這里僅測(cè)量檢測(cè)電阻Rs的兩端電壓Us與MC33161的輸出電壓。

令R5=120 kΩ，從試驗(yàn)波形可知，當(dāng)P極發(fā)生接地故障時(shí)，檢測(cè)電阻Rs兩端電壓Us波形、檢測(cè)電路輸出信號(hào)Uout與圖5一致。Uout持續(xù)一段時(shí)間的低電平，證明此電路能夠滿足P極接地故障報(bào)警要求；當(dāng)N極接地故障時(shí)，Uout同樣持續(xù)一段時(shí)間的低電平，證明此電路也能夠滿足N極接地故障報(bào)警要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

變頻器的接地故障檢測(cè)關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性?；陔姌蚱胶夥?，改進(jìn)了故障檢測(cè)電路，增大了檢測(cè)電容，減小了檢測(cè)電阻的阻值，使得電路更加小巧；減小了故障時(shí)各器件承受的功率，增加了電路壽命。從理論分析、仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的接地故障報(bào)警電路能夠同時(shí)滿足P極接地故障與N極接地故障要求，表明此電路方案正確可行。該電路體積小、成本低，在實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)直流對(duì)地短路故障的同時(shí)不會(huì)降低系統(tǒng)絕緣，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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Research on a New Type of Alarm Circuit for DC Grounding Fault

In order to timely and effectively implement alarm for DC grounding faults, and improve the reliability of the inverter system, a novel DC grounding fault alarm circuit based on bridge balance method is presented.By modifying the circuit structure, and adopting small value detection resistor, the volume is decreased and the cost is reduced.The circuit provides high applicability because in online monitoring of DC short circuit to ground, the systematic insulation is not deteriorated.The simulation model is built for simulation verification, and practical circuit is fabricated for tests to verify the effectiveness of the circuit.

Inverter Detection circuit Electromagnetic compatibility Grounding fault Bridge balance method Online monitoring

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51490681)；

國(guó)家973基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2015CB251004)。

艾勝(1985—)，男，2009年畢業(yè)于海軍工程大學(xué)電氣工程專業(yè)，在讀博士研究生，助理研究員；主要從事大容量電力電子變換技術(shù)的研究。

TH86;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611026

修改稿收到日期：2016-05-05。