真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)的絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

崔 敏，牛志雷，牛衛(wèi)峰，王培羱，梁 爽

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著新能源分布式發(fā)電技術(shù)、新型儲(chǔ)能技術(shù)、直流充電技術(shù)及直流變頻節(jié)能技術(shù)的迅猛發(fā)展。直流配電網(wǎng)又重新得到了青睞。直流配電網(wǎng)是相對(duì)于交流配電網(wǎng)而言的，其提供給負(fù)荷的是直流母線。直流負(fù)荷可以直接由直流母線供電，而交流負(fù)荷需要經(jīng)過(guò)逆變?cè)O(shè)備后供電，如果負(fù)荷中直流負(fù)荷比例較大，直流配電將會(huì)有較大優(yōu)勢(shì)。直流配電網(wǎng)線損小，可靠性高，無(wú)需相頻控制且接納分布式電源能力強(qiáng)。

1 背景技術(shù)

目前，在規(guī)劃建設(shè)的綜合能源、智慧能源及能源互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目中均會(huì)涉及到直流配電，直流生態(tài)體系在未來(lái)綜合能源電力互聯(lián)體系中正在逐步生成。直流配電系統(tǒng)省去了大量分散的整流器（AC/DC）和并網(wǎng)逆變器（DC/AC），簡(jiǎn)化了配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)效率和可靠性，降低了成本。以太陽(yáng)能和風(fēng)機(jī)為代表的可再生能源直流側(cè)并網(wǎng)變得更便捷和經(jīng)濟(jì)，并為未來(lái)LED照明和電動(dòng)汽車的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

直流配電系統(tǒng)根據(jù)分布式電源類型、負(fù)荷類型的不同存在單極浮地系統(tǒng)、偽雙極系統(tǒng)、真雙極直接接地系統(tǒng)、真雙極高阻接地系統(tǒng)及真雙極小電阻接地系統(tǒng)等多種模式和技術(shù)路線。真雙極系統(tǒng)存在正、負(fù)、零三極線，且存在多個(gè)直流電源、環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)；負(fù)載有的接入正零極、有的接入零負(fù)極，有的接入正負(fù)極，存在多種運(yùn)行切換方式，傳統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)手段已不能滿足新的要求。針對(duì)不同模式直流配電系統(tǒng)的直流絕緣監(jiān)測(cè)一般多借鑒變電站直流電源系統(tǒng)直流絕緣監(jiān)測(cè)方法，但變電站直流電源系統(tǒng)均為單極浮地系統(tǒng)，因此針對(duì)其他模式直流配電系統(tǒng)的直流絕緣監(jiān)測(cè)方法，需要根據(jù)實(shí)際配電系統(tǒng)的特性重新構(gòu)建與論證。

2 解決方法

本文提供一種可以適用于真雙極小電阻接地直流配網(wǎng)主接線結(jié)構(gòu)的直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。真雙極小電阻接地直流配網(wǎng)主接線結(jié)構(gòu)如圖1所示，具備多直流電源共存、直流環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)、多種運(yùn)行方式靈活切換、正負(fù)零三極線結(jié)構(gòu)及單極負(fù)載非均衡接入等特征，已有的平衡橋監(jiān)測(cè)方法因需要注入電源已不再適用。本方案通過(guò)靈活配置漏電流傳感器，通過(guò)支路、接地回路、聯(lián)絡(luò)線路漏電流檢測(cè)以及母線電壓監(jiān)測(cè)來(lái)計(jì)算絕緣電阻，判斷絕緣異常。

直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括直流絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)、直流絕緣監(jiān)測(cè)從機(jī)、直流漏電流傳感器、電壓采樣回路、漏電流傳感器通信采樣回路、母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置采樣回路及后臺(tái)通信回路等構(gòu)成。

（1）直流絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)CAN網(wǎng)和直流絕緣監(jiān)測(cè)從機(jī)通信組網(wǎng)，直流絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)具備和監(jiān)控后臺(tái)通信的485通信接口。

（2）直流漏電流傳感器采用磁飽和檢測(cè)原理，需要套裝在相應(yīng)的母線進(jìn)線電纜、直流饋出線電纜及母線聯(lián)絡(luò)線電纜位置，根據(jù)電纜規(guī)格選取不同直徑規(guī)格的漏電流傳感器。

（3）電壓采樣回路，一端連接正負(fù)零三極母線，一端接入直流絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)或直流絕緣監(jiān)測(cè)從機(jī)的電壓采集端子。

（4）漏電流傳感器通信采樣回路。直流漏電流傳感器通過(guò)手拉手連接后接入直流絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)或直流絕緣監(jiān)測(cè)從機(jī)CT采樣端子。

（5）母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置采樣回路主要完成各母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的合位常開(kāi)節(jié)點(diǎn)位置采樣。

本方案的技術(shù)路線具體如下[1]。

第一，針對(duì)真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)絡(luò)，提出的漏電流傳感器及絕緣監(jiān)測(cè)儀配置方案如圖2所示，每段±750 V母線以及接地電阻回路各配置一臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)儀，每臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)儀分別完成對(duì)應(yīng)母線電壓采集、相應(yīng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置采集及母線所連支路漏電流傳感器信號(hào)采集，具體配置如表1所示[2]。

圖1 真雙極小電阻接地直流配網(wǎng)主接線結(jié)構(gòu)

圖2 真雙極小電阻接地直流配網(wǎng)直流絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備配置

表1 真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)絡(luò)直流絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備配置

第二，針對(duì)真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)絡(luò)，區(qū)分直流配電系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行與閉環(huán)運(yùn)行兩種工況，根據(jù)不同位置配置的漏電流傳感器因直流系統(tǒng)絕緣異常檢測(cè)到的漏電流變化情況，提出直流絕緣異常識(shí)別及告警邏輯[3]。

當(dāng)直流配電系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，即任何兩個(gè)直流電源（PCS1、PCS2及微網(wǎng)路由器直流側(cè)）不構(gòu)成環(huán)路時(shí)，某段母線段或者所連饋出支路發(fā)生正、負(fù)極接地或者絕緣異常將和該直流電源中性接地線所連接的50 Ω接地電阻構(gòu)成回路。首先，通過(guò)在50 Ω接地電阻柜位置所配置漏電流傳感器，可以測(cè)得對(duì)應(yīng)直流電源設(shè)備零極接地電流；其次，根據(jù)該直流配電系統(tǒng)幾個(gè)重要聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)，可以判定對(duì)應(yīng)的母線連接關(guān)系；再次，根據(jù)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置配置的漏電流傳感器漏電流情況，可以判定對(duì)應(yīng)母線絕緣異常；從次，根據(jù)該母線段饋出線配置的漏電流傳感器判出對(duì)應(yīng)饋出支路絕緣或者母線絕緣異常；最后，如果某段母線上級(jí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)監(jiān)測(cè)到漏電流，但該母線所連饋出支路均未檢測(cè)到漏電流，則判定為該段母線絕緣異常，否則判出對(duì)應(yīng)支路絕緣異常。

當(dāng)直流配電系統(tǒng)必要情況下需要進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)行，兩個(gè)電力電子設(shè)備進(jìn)行功率對(duì)推，存在功率環(huán)流，且正負(fù)極功率不平衡（極端情況單極運(yùn)行）時(shí)，就會(huì)有功率流過(guò)零極母線；對(duì)于直接接地或者50 Ω小電阻接地兩種情況，接地回路均會(huì)構(gòu)成零極母線并聯(lián)回路，會(huì)在接地線中有不平衡功率流過(guò)，如圖3所示。直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的幾個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)位置及時(shí)進(jìn)行判別，并閉鎖此種工況下的直流絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警。同時(shí)，為了避免較大不平衡功率電流流過(guò)接地線，直流絕緣系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出告警，提醒運(yùn)行人員在此運(yùn)行工況下，斷開(kāi)其中一個(gè)直流電源設(shè)備的中性線接地回路，保持一點(diǎn)接地[4]。

圖3 直流配電環(huán)網(wǎng)運(yùn)行示意圖

第三，針對(duì)真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)絡(luò)，梳理不同類型的直流絕緣異常情況，如圖4所示，針對(duì)不通過(guò)位置不同類型直流絕緣異常進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)R1、R2、R3、R4、R5及R6分別接地時(shí)，各個(gè)電阻通過(guò)零極母線接地電阻均可構(gòu)成回路，從而產(chǎn)生電流，可以證明R1、R2、R3、R4、R5及R6上流過(guò)的電流就是支路漏電流傳感器測(cè)得的電流。各個(gè)電阻上的電壓又容易測(cè)得，因此可以計(jì)算出R1、R2、R3、R4、R5及R6等的電阻值，并判出接地所發(fā)生的極線。

（1）當(dāng)R0、R30及R40分別接地時(shí)，因零極母線已經(jīng)小電阻接地，無(wú)法測(cè)出漏電流并進(jìn)行預(yù)警，但是對(duì)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行影響不大。

（2）當(dāng)發(fā)生R1和R2同時(shí)接地、R5和R6同時(shí)接地，且直接接地或者接地電阻較小時(shí)，繼電保護(hù)裝置可以判出故障，直接跳閘，跳閘后無(wú)法測(cè)算饋出線接地電阻值。當(dāng)發(fā)生R1和R2同時(shí)接地、R5和R6同時(shí)接地，接地電阻較大，且兩個(gè)接地點(diǎn)電阻值不相等時(shí)，可以測(cè)出漏電流，但是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出R1、R2或R5、R6接地電阻值，并判出對(duì)應(yīng)接地極線。當(dāng)發(fā)生R1和R2同時(shí)接地、R5和R6同時(shí)接地，接地電阻較大，且電阻值相等時(shí)，無(wú)漏電流，無(wú)法測(cè)出R1、R2或R5、R6接地電阻值，不會(huì)報(bào)警。但是這種完全同阻，且電阻值較大的接地情況出現(xiàn)的極少，屬于偶然事件。

圖4 直流絕緣異常類型示意圖

（3）當(dāng)發(fā)生R3和R30同時(shí)接地、R4和R40同時(shí)接地，且直接接地或者接地電阻較小時(shí)，保護(hù)裝置可以判出故障，直接跳閘，跳閘后無(wú)法測(cè)算饋出線接地電阻值。當(dāng)發(fā)生R3和R30同時(shí)接地、R4和R40同時(shí)接地，且接地電阻較大時(shí)，無(wú)論兩個(gè)接地點(diǎn)電阻值相等與否，可以測(cè)出漏電流，準(zhǔn)確測(cè)出R3或R4接地電阻值，并判出對(duì)應(yīng)接地極線。

第四，針對(duì)真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)絡(luò)，需要多臺(tái)直流絕緣監(jiān)測(cè)儀共享信息，且一臺(tái)直流絕緣監(jiān)測(cè)儀需要接入多個(gè)漏電流傳感器信息的特征，提出系統(tǒng)的通信組網(wǎng)與信息上送方式如圖5所示。多臺(tái)漏電流傳感器直流通過(guò)CAN網(wǎng)通信，完成信息共享；每臺(tái)直流絕緣監(jiān)測(cè)儀接入漏電流傳感器時(shí)采用手拉手并接方式，為每臺(tái)漏電流傳感器提供12 V工作電源及RS232或RS485通信接入；直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)直流配電后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信采用RS485通信方式，采用MODBUS通信規(guī)約[5]。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)給定的真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)主接線結(jié)構(gòu)，提出配合直流絕緣監(jiān)測(cè)使用的漏電流傳感器以及直流絕緣監(jiān)測(cè)儀配置方案；基于自動(dòng)識(shí)別配電網(wǎng)母線連接關(guān)系及運(yùn)行方式，提出直流絕緣異常判別及告警邏輯；基于不同類型絕緣異常發(fā)生時(shí)漏電流變化特性，提出該直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可識(shí)別的絕緣異常類型；根據(jù)直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備配置情況，提出直流絕緣監(jiān)測(cè)儀配置方案及多臺(tái)直流絕緣監(jiān)測(cè)儀的通信組網(wǎng)方式。該真雙極小電阻接地直流配電網(wǎng)直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法完全能夠滿足工程的實(shí)際需求，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖5 直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信組網(wǎng)示意圖