基于改進不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測研究

李瑋， 趙攀， 趙麗杰

(江蘇大唐國際呂四港發(fā)電有限責任公司，江蘇 啟東 226200)

0 引 言

直流系統(tǒng)在保障變電站和發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行方面起著至關重要的作用,其供電可靠性直接影響了整個變電站乃至電網的運行安全。隨著電網的不斷發(fā)展，電壓等級不斷提高，對直流系統(tǒng)也提出了更高的要求[1-2]。

直流系統(tǒng)接地和交流竄入是變電站內最常見的2種故障類型[3-6]。針對直流系統(tǒng)的接地故障檢測，目前常用的方法有交流信號注入法和不平衡電橋法。交流信號注入法采用在直流系統(tǒng)母線和大地之間注入低頻交流電流信號,查找接地故障來實現(xiàn)接地監(jiān)測。該方法簡單,易于實現(xiàn)。其缺點是檢測結果受系統(tǒng)分布電容影響較大[7-9]。不平衡電橋法根據電橋原理，通過控制開關通斷，將2個數值相等的電阻分別投切進電路實現(xiàn)接地電阻測量，但功能相對單一，經濟性有待提高[10-11]。

交流竄入故障的檢測包括差分電壓法和隔直電容法。差分電壓法通過在直流母線正/負極和大地之間接入交流電壓采樣電路，由采樣數據進行計算和判斷[12-14]。隔直電容法基于電容具有“隔直通交”的作用，通過在直流系統(tǒng)正極或負極對大地之間設置一個含有電容的電路隔離直流電壓[15-17]。上述方法大多是對于直流系統(tǒng)定性的分析，而無法實現(xiàn)定量檢測。

為實現(xiàn)對直流系統(tǒng)接地故障和交流竄入故障的綜合檢測，本文基于傳統(tǒng)不平衡電橋法和隔直電容法提出了改進的不平衡電橋法，并通過理論分析和硬件平臺試驗驗證了所提方法的有效性和可行性。

1 IUB法

IUB改進不平衡電橋法的檢測原理圖如圖1所示，+KM和-KM為站內直流母線，后級電路為IUM電路拓撲。為便于分析，通常取R1=R4，R2=R3，R7=R8。當K3～K5閉合時，R1～R8組成了傳統(tǒng)不平衡電橋，通過測量K1、K2交替通斷對應拓撲下R2兩端的電壓U1，可計算正級接地電阻R+和負級接地電阻R-的阻值。K1～K3均保持斷開狀態(tài)，當K4斷開、K5閉合時，測量R2兩端的電壓U2，可計算得到負極交流竄入電壓值；同理，K4閉合，K5斷開時可得正極交流竄入電壓值。

圖1 IUB電路原理圖

利用IUB電路檢測直流系統(tǒng)接地電阻和交流竄入電壓的實現(xiàn)步驟如表1所示，其中“1”表示對應開關閉合，“0”表示斷開。

表1 IUM檢測步驟

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

通過式(1)～式(7)求解，可得正負接地電阻。

(8)

(9)

(10)

(11)

2 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink對當直流系統(tǒng)故障進行了仿真分析。直流系統(tǒng)運行時，當接地電阻值低至30～40 kΩ時，認為系統(tǒng)發(fā)生了接地故障。

本次仿真在設置正母線接地電阻為10 kΩ，負母線接地電阻為15 kΩ。直流系統(tǒng)額定電壓分別為48 V和110 V，元件參數如表2所示。

表2 元件參數

表3 電壓測量值

將表3中測量值代入式(1)～式(11)，可得故障檢測參數,如表4所示。

表4 仿真結果與誤差

同理，110 V直流系統(tǒng)測量值見表5，仿真結果與誤差分析見表6。

表5 電壓測量值

表6 仿真結果與誤差

由表4和表6結果可知，該方法可有效應用于直流系統(tǒng)接地故障及交流竄入故障的檢測。在48 V DC系統(tǒng)中，接地電阻檢測誤差小于0.250%，交流竄入檢測誤差小于0.150%。110 V DC系統(tǒng)下的接地電阻檢測誤差小于0.060%，交流竄入檢測誤差小于0.160%。

3 試驗驗證

根據上述檢測方法，在實驗室搭建改進不平衡電橋電路實物模型，元件參數采用表2中48 V系統(tǒng)對應參數值，測量結果如表7所示。

表7 硬件平臺驗證測量值

同上文，將上述實際測量值代入式(1)～式(11)，計算得出接地電阻和交流竄入值，結果如表8所示。

表8 硬件平臺驗證結果與誤差

由表8可知，該檢測方法得的正、負母線接地電阻和交流竄入值與實際預設值的誤差均小于5%，能較為準確地反映出直流系統(tǒng)存在的接地或交流竄入故障。

4 結束語

本文基于不平衡電橋和隔直電容原理，提出了改進不平衡電橋法。通過MATLAB/Simulink軟件仿真和硬件平臺驗證了該檢測方法的合理性，接地電阻和交流竄入的檢測精度滿足直流系統(tǒng)運行要求。