基于改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)

摘 要：直流系統(tǒng)在電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行中具有十分重要作用，在對(duì)直流系統(tǒng)中的絕緣電阻與交流竄入進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的方法，往往不能準(zhǔn)確的進(jìn)行檢測(cè)，需要改進(jìn)的相應(yīng)的測(cè)試方法，通過采用改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，可以有效的滿足測(cè)量的要求，然后通過仿真對(duì)實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用不平衡電橋直流系統(tǒng)的測(cè)試能夠滿足要求。

關(guān)鍵詞：不平衡電橋；直流系統(tǒng)；故障檢測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.177

直流系統(tǒng)是變電站與發(fā)電廠重要的保護(hù)系統(tǒng)，能夠有效的保障變電站和發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)維護(hù)發(fā)電廠的設(shè)備具有十分中重要的作用，直流系統(tǒng)的供電可靠性要求非常高，它直接影響了整個(gè)變電站乃至電網(wǎng)的運(yùn)行安全運(yùn)行，特別是在電網(wǎng)中的電壓等級(jí)在不斷提升的情況下，直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對(duì)保證電網(wǎng)的穩(wěn)定也提出了更高的要求。對(duì)直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測(cè)，能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的接地故障，以判斷直流系統(tǒng)中的母線對(duì)地絕緣電阻是否滿足要求，通過對(duì)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的故障，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 不平衡電橋的直流系統(tǒng)的應(yīng)用常見故障檢測(cè)方法

直流系統(tǒng)在工作的過程中，常常會(huì)出現(xiàn)直流系統(tǒng)接地和交流竄入兩種情況，這也是變電站與發(fā)電廠系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中常見的兩種故障。對(duì)于直流系統(tǒng)的接地故障檢測(cè)，一般采用的方法是交流信號(hào)注入法與不平衡電橋法進(jìn)行檢測(cè)，交流信號(hào)注入法主要采用的方法是，在電路的母線和接地之間注入低頻交流電流信號(hào)，判斷交流信號(hào)的變化情況，以便于查找接地故障，進(jìn)而能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)故障的檢測(cè)，采用這種方法檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)，而且方法比較簡單，但是它的缺點(diǎn)也十分明顯，檢測(cè)的結(jié)果容易受到分布式電容的影響，而且影響也比較大。而采用不平衡電橋的方式主要是根據(jù)電橋的原理，通過對(duì)電路中的控制開關(guān)的通斷進(jìn)行控制，并將2個(gè)數(shù)值相等的電阻竄入到電路中，并按照實(shí)際的需求，分別投切進(jìn)電路中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)接地電阻測(cè)量，但是不平衡電橋測(cè)量方法功能相對(duì)單一，測(cè)量的技術(shù)與方法還需要進(jìn)一步提高。交流竄入故障主要采用的檢測(cè)方法有差分電壓檢測(cè)方法與隔直電容法進(jìn)行檢測(cè)，差分電壓法檢測(cè)的主要工作過程是，在直流電路的母線正/負(fù)極和接地之間進(jìn)行有效的控制，并接入合適的交流電壓采樣電路，然后根據(jù)采樣電壓的基本要求，對(duì)采樣電壓進(jìn)行分析與計(jì)算，進(jìn)而判斷直流電路可能出現(xiàn)的故障；隔直電容法的檢測(cè)方法是基于電容具有“隔直通交”的作用原理，對(duì)直流電路中出現(xiàn)的問題進(jìn)行檢測(cè)，它通過在直流系統(tǒng)正極或負(fù)極對(duì)接地之間，竄入一定的電壓，一般采用含有電容的電路來實(shí)現(xiàn)隔離直流電壓的作用，采用這種方法一般是對(duì)直流電路系統(tǒng)出現(xiàn)的故障進(jìn)行定性分析，而無法實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量與分析。為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流系統(tǒng)接地故障和交流竄入故障的綜合檢測(cè)，需要對(duì)直流電路的檢測(cè)方式進(jìn)行分析，通過改進(jìn)不平衡電橋法，可以高效提高直流電路故障的檢測(cè)方式，可以通過理論分析和硬件平臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試改進(jìn)的方法進(jìn)行有效性和可行性驗(yàn)證。

2 基于改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)的方法

2.1 改進(jìn)的基本電路分析

基于改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)的方法（也稱為IUB法），主要的檢測(cè)工作原理電路圖如下圖1所示。其中，+KM和-KM為站內(nèi)直流母線，在改進(jìn)不平衡電橋時(shí)，需要在其后級(jí)電路為IUM電路拓?fù)?，便于?duì)電路中的電流進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合對(duì)直流電路中的電流或者電壓的變化情況進(jìn)行分析，通常對(duì)電路中的電阻作如下規(guī)定：R1=R4，R2=R3，R，7=R8，以形成不平衡電橋。當(dāng)電路開關(guān)K3-K5閉合時(shí)，R，-R8組成的電路就形成了典型的不平衡電橋，這時(shí)通過測(cè)量K1、K2在交替接通與斷開時(shí)，直流電流會(huì)出現(xiàn)不同的電流方向，二者對(duì)應(yīng)的拓?fù)湎碌碾娮鑂兩端的電壓U1，這樣，就可以計(jì)算出不平衡電路中的正極接地電阻R4和負(fù)級(jí)接地電阻R3的阻值變化情況，進(jìn)而能夠?qū)﹄娐分惺欠癯霈F(xiàn)異常電流進(jìn)行判斷。在K1-K3都保持?jǐn)嚅_狀態(tài)的情況下，如果K4斷開、K5閉合時(shí)，對(duì)電橋中的電阻R2兩端的電壓值進(jìn)行測(cè)量，然后利用公式對(duì)電路中電流的變化情況進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以方便的計(jì)算出負(fù)極交流竄入電壓值的變化情況，同樣，K閉合、K5斷開的情況下，可以對(duì)R3兩端的電壓U3進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而可以求出電路中正極交流竄入的電壓值，進(jìn)而能有效的對(duì)判斷電路中的電壓變化情況。

2.2 實(shí)際效果分析

在利用改進(jìn)不平衡電橋的直流系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)對(duì)直流系統(tǒng)的直流電壓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)電路的實(shí)際變化情況進(jìn)程測(cè)量，結(jié)合電路中不同開關(guān)閉合與斷開的情況下，對(duì)直流系統(tǒng)中的電壓進(jìn)行測(cè)量，具體在測(cè)量的過程中，需要依次接通或者斷開相應(yīng)的快關(guān)，測(cè)量的接地電阻和交流竄入電壓的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。其中，用“1”表示電路中的開關(guān)閉合，“0”表示電路中的開關(guān)斷開。

（1）直流系統(tǒng)電路中的接地電阻檢測(cè)。在對(duì)直流系統(tǒng)中的不平衡電橋中的接地電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先，需要將快關(guān)K1-K3斷開，并將電路中的K4和K5閉合，并對(duì)電阻R2兩端的直流電壓進(jìn)行測(cè)量，然后，結(jié)合電路中的電壓、電流、電阻的關(guān)系，計(jì)算出直流系統(tǒng)的正、負(fù)母線電壓Uk；其次，將電路中的K2斷開，其余的開關(guān)閉合，對(duì)電路R兩端的直流電壓進(jìn)行測(cè)量，得到電壓值為U1，同時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)中的竄入電流進(jìn)行計(jì)算；第三，將電路中的快關(guān)K1斷開，并電路中的其余開關(guān)閉合，并對(duì)電阻R2兩端的直流電壓值U”1進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合相應(yīng)的公式，對(duì)直流系統(tǒng)正、負(fù)母線電壓Uk進(jìn)行計(jì)算。具體的接地電阻的一系列的計(jì)算公式如下：

其中，式中的UK代表整個(gè)直流系統(tǒng)的直流母線電壓，U4為直流系統(tǒng)中的開關(guān)K2閉合時(shí)，測(cè)量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的電壓，U”4為電路中開關(guān)K1斷開時(shí)，而其他開關(guān)閉合時(shí)，測(cè)量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的對(duì)地電壓，U4為直流電路中的開關(guān)K1斷開時(shí)，其它開關(guān)閉合時(shí)，測(cè)量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的對(duì)地電壓，U”1為電路中開關(guān)K1斷開時(shí)，而其他開關(guān)閉合時(shí)，測(cè)量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的對(duì)地電壓，R+為直流系統(tǒng)中的正母線接地電阻，R-為直流系統(tǒng)中的負(fù)母線接地電阻。

這樣，通過上面的分析，就可以快速的對(duì)不平衡電橋中的正負(fù)接地電阻的值進(jìn)行求解，具體計(jì)算方法如下：

直流系統(tǒng)中交流竄入電壓的檢測(cè)。在對(duì)直流系統(tǒng)中的交流竄入進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要結(jié)合表1中設(shè)備的步驟5與步驟4之間的直流電路中的開關(guān)通斷情況，分析隔直電容接入電路中的正、負(fù)交流竄入的狀態(tài)下，對(duì)直流系統(tǒng)的電壓進(jìn)行檢測(cè)，這時(shí)，分別測(cè)量直流系統(tǒng)中的電阻R5兩端交流電壓的值為U2、U”2，然后，根據(jù)相應(yīng)的公式，可以計(jì)算出直流系統(tǒng)的正、負(fù)母線交流竄入電壓值，具體的計(jì)算方法如下：

在計(jì)算的過程中，式中的U2為電路中開關(guān)K2閉合而其他開關(guān)斷開時(shí)，電路中電阻R5兩端的電壓值，U”2為電路中開關(guān)K閉合而其他開關(guān)斷開時(shí)，電路中電阻R5兩端的電壓值，UAC+為測(cè)量直流系統(tǒng)中的正母線兩端的交流竄入對(duì)地電壓，UAC-為測(cè)量直流系統(tǒng)中的負(fù)母線兩端的交流竄入對(duì)地電壓。這樣，通過直流電路系統(tǒng)中的電流值與竄入電流值進(jìn)行測(cè)量之后，就可以有效的對(duì)電路中的電壓值的變化情況進(jìn)行分析。

3 仿真分析

3.1 仿真測(cè)試方法

通過對(duì)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)之后，并確定了接地電阻與竄入電壓的計(jì)算分析方法，就可以采用MATLAB/Simulink軟件，對(duì)改進(jìn)后的直流電路系統(tǒng)的可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行仿真分析，分析。在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，如果直流電路系統(tǒng)中的接地電阻值低至30-40kΩ時(shí)，就可以認(rèn)為直流電路系統(tǒng)的接地產(chǎn)生了故障。在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，為保證不會(huì)對(duì)整個(gè)改進(jìn)的直流電路造成損害，我們?cè)O(shè)置直流系統(tǒng)的正母線接地電阻為10kΩ，并將直流系統(tǒng)的負(fù)母線接地電阻設(shè)置為15kΩ，保證電阻能夠滿足仿真測(cè)試的要求。設(shè)定直流系統(tǒng)額定電壓分別為48V和110V兩種情況，對(duì)直流電路中的各個(gè)電阻、電容等元件參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

在對(duì)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)的各個(gè)元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)定之后，就可以根據(jù)上述確定的電阻計(jì)算方法，對(duì)直流電路中的各個(gè)需求電壓U1、U”1、U2、U”2的值進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)電路中的電壓為48V時(shí)，對(duì)各個(gè)需求參數(shù)的值測(cè)量值如表3所示。其中，“1”代表開關(guān)閉合，“0”代表電路開關(guān)的閉合。

然后，將表3的測(cè)量值，帶入到直流電路中的電阻測(cè)量公式中，就可以對(duì)各個(gè)測(cè)量的參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而能夠與測(cè)量的檢測(cè)故障參數(shù)對(duì)比，具體的計(jì)算結(jié)果與存在的誤差情況如表4所示。

采用同樣的方法，可以對(duì)直流電路中接入110V的電壓進(jìn)行仿真測(cè)試，也可以得到相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，通過對(duì)相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，說明改進(jìn)不平衡電橋?qū)﹄娐分械臋z測(cè)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，可有效應(yīng)用于直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)及交流竄入故障的檢測(cè)，而且檢測(cè)的效果也十分明顯。例如，在采用48V DC接入到直流系統(tǒng)中，通過測(cè)量與計(jì)算，仿真得到的接地電阻檢測(cè)誤差小于0.250%，交流竄入檢測(cè)誤差小于0.150%，都在實(shí)踐電路的控制要求之下，說明能夠有效的對(duì)直流電路中的接地電阻與竄入電流進(jìn)行測(cè)量，在直流系統(tǒng)中接入110V DC電壓時(shí)，通過仿真測(cè)試，得到的接地電阻檢測(cè)誤差小于0.060%，而實(shí)際測(cè)量的交流竄入檢測(cè)誤差也小于0.160%，說明在電壓變化的情況，系統(tǒng)也能夠滿足相應(yīng)的要求，進(jìn)而能夠說明在基于不平衡電橋改進(jìn)直流電路系統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)能夠滿足要求。

3.2 實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述改進(jìn)不平衡電橋的檢測(cè)技術(shù)與方法，在實(shí)驗(yàn)室搭建改進(jìn)不平衡電橋電路實(shí)物模型，并結(jié)合相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)相應(yīng)的電阻值與竄入電流值進(jìn)行測(cè)量，將元件參數(shù)設(shè)置為表2中48V系統(tǒng)對(duì)應(yīng)參數(shù)值，然后通過實(shí)際試驗(yàn)對(duì)直流系統(tǒng)中接地電阻與竄入電流進(jìn)行測(cè)量，具體的測(cè)量結(jié)果如表5所示。

然后，將實(shí)際實(shí)驗(yàn)中表5的測(cè)量值，帶入到直流電路中的電阻測(cè)量公式中，就可以對(duì)各個(gè)測(cè)量的參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而能夠與測(cè)量的檢測(cè)故障參數(shù)對(duì)比分析，判斷具體的改進(jìn)技術(shù)的測(cè)試效果，具體的計(jì)算結(jié)果與存在的誤差情況如表6所示。

通過表6的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以知道，基于改進(jìn)不平衡的直流系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)能夠滿足實(shí)際的要求，而且采用該方法檢測(cè)得到的仿真實(shí)驗(yàn)正、負(fù)母線接地電阻和交流竄入值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量值之間的誤差小于5%，在實(shí)際應(yīng)用中，能夠準(zhǔn)確真實(shí)的反應(yīng)出直流電路系統(tǒng)可能存在的接地電阻與交流竄入的故障。

4 結(jié)束語

在對(duì)電網(wǎng)中直流電路系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，往往會(huì)存在多種問題，通過改進(jìn)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)可以有效的對(duì)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析，本研究就是基于不平衡電橋和隔直電容原理，通過電路的接地電阻與交流竄入等情況進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)不平衡電橋法的檢測(cè)技術(shù)，并通過MATLAB/Simulink軟件仿真進(jìn)行測(cè)試，并在實(shí)驗(yàn)室中通過硬件平臺(tái)進(jìn)行研究，接地電阻和交流竄入的檢測(cè)精度滿足直流系統(tǒng)運(yùn)行要求，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明改進(jìn)不平衡電橋的直流電路系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)能夠有效的對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)。

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作者簡介：羅志強(qiáng)（1969-），男，廣東中山人，本科，講師，電工高級(jí)技師，研究方向：電氣運(yùn)行與控制智能化。