事件驅(qū)動(dòng)型直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)PSIM仿真研究

程玉凱，楊建波

（國(guó)網(wǎng)福建電力公司漳州供電公司，漳州 363000）

0 引言

變電站直流系統(tǒng)的負(fù)荷包括繼電保護(hù)裝置、通信裝置、UPS 和事故照明等，是二次設(shè)備正常運(yùn)行的重要保障.隨著變電站規(guī)模的擴(kuò)大，直流系統(tǒng)負(fù)荷數(shù)量越來(lái)越多，運(yùn)行環(huán)境越來(lái)越惡劣［1］.直流系統(tǒng)因存在單點(diǎn)絕緣下降或接地必須及時(shí)處置，否則將出現(xiàn)兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地，導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)［2］.正源于此，變電站內(nèi)大多配置了絕緣監(jiān)測(cè)裝置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)母線、支路對(duì)地絕緣狀態(tài)，幫助運(yùn)行人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障.

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的原理主要有平衡電橋法、不平衡電橋法、電壓監(jiān)視法、低頻注入法、漏電流法等［3］，這些方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺陷，單獨(dú)采用其中一個(gè)方法均無(wú)法達(dá)到理想效果，因此有必要對(duì)這些方法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)整合，通過(guò)事件驅(qū)動(dòng)方式，制定合理的控制策略，達(dá)到快速、準(zhǔn)確監(jiān)視絕緣狀態(tài)的目的［4］.目前，越來(lái)越多的絕緣監(jiān)測(cè)廠家放棄了低頻注入法，因?yàn)樵摲椒ú坏珪?huì)造成直流電壓波紋系數(shù)增大，而且由于分布電容的存在導(dǎo)致絕緣測(cè)量不準(zhǔn)確.目前電橋法和漏電流法測(cè)量絕緣電阻已成為主流方式［5］.本文提出了一種依靠事件驅(qū)動(dòng)的方式，在不同時(shí)間選擇不同的方法，減少了正常情況下直流電壓波動(dòng)，加快了絕緣能力降低或接地情況下絕緣電阻的計(jì)算速度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性.

1 系統(tǒng)監(jiān)視及絕緣電阻計(jì)算

1.1 系統(tǒng)監(jiān)視

系統(tǒng)正常時(shí)，采用監(jiān)視平衡電橋兩端電壓（即正負(fù)母線對(duì)地電壓）的方式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，其原理如圖1 所示.

圖1 電壓測(cè)量原理圖

圖1 中，R+、R-為正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻，R為平衡橋電阻，U+、U-為平衡電阻兩端的電壓、U為正負(fù)極母線兩端電壓.

根據(jù)戴維南定理可得：

式（1）中有R+、R-兩個(gè)未知數(shù)，無(wú)法求解.

用U表示正負(fù)母線之間的電壓，滿(mǎn)足下式：

聯(lián)立式（1）和式（2）可得：

由式（3）可以看出，正負(fù)極母線對(duì)地電壓與正負(fù)極母線間電壓之比可以反映R+、R-的相對(duì)大小.當(dāng)R+=R-時(shí)，=0.5；當(dāng)R+>R-時(shí)，>0.5；當(dāng)R+

1.2 母線絕緣電阻測(cè)量

對(duì)于母線絕緣電阻的測(cè)量，本文采用平衡橋和不平衡橋原理相結(jié)合的方式進(jìn)行計(jì)算.其原理如圖2 所示.

圖2 母線絕緣電阻測(cè)量原理圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)S 在斷開(kāi)位置時(shí)滿(mǎn)足式（2），當(dāng)開(kāi)關(guān)S 在閉合位置時(shí)，滿(mǎn)足下式：

用U1+、U1-表示S 斷開(kāi)時(shí)，平衡電阻兩端的電壓，用U2+、U2-表示S 閉合時(shí)平衡電阻兩端的電壓.聯(lián)立式（2）和（4）可得：

通過(guò)式（5）即可得到正負(fù)極母線絕緣電阻.

本方法通過(guò)斷合開(kāi)關(guān)S 得到平衡電橋和不平衡電橋兩種接線方式下關(guān)于正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻的方程組，通過(guò)求解得到正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻大小.值得注意的是，開(kāi)關(guān)S 斷合會(huì)造成母線電壓頻繁波動(dòng)，不利于直流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定［6］.

1.3 支路絕緣電阻測(cè)量

高精度直流互感器的應(yīng)用使得支路絕緣電阻測(cè)量成為可能，其測(cè)量原理如圖3 所示.

圖3 支路絕緣電阻測(cè)量原理圖

由圖3 可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)S 斷開(kāi)時(shí)，假設(shè)支路漏電流傳感器測(cè)得的漏電流為ΔI1，則滿(mǎn)足：

當(dāng)開(kāi)關(guān)S 閉合時(shí)，假設(shè)支路漏電流傳感器測(cè)得的漏電流為ΔI2，則滿(mǎn)足：

聯(lián)立式（6）和式（7），得到

那么對(duì)于支路來(lái)說(shuō)其對(duì)地綜合等效電阻Rd可表示為：

由上式可知開(kāi)關(guān)S 斷開(kāi)和閉合兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)正/負(fù)電壓變化量與漏電流變化量之比即為支路等效電阻.

多支路發(fā)生單極接地時(shí)，均可根據(jù)式（9）快速得到支路絕緣電阻值，因而式（9）也可作為判斷支路是否發(fā)生絕緣下降或接地的參考指標(biāo).

2 事件驅(qū)動(dòng)型絕緣電阻測(cè)量流程

直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可分為三種：正常運(yùn)行狀態(tài)、絕緣下降狀態(tài)和接地狀態(tài).這三個(gè)狀態(tài)是可以互相轉(zhuǎn)換的，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，母線或支路易出現(xiàn)老化或受潮的現(xiàn)象，正常運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為絕緣下降狀態(tài).此時(shí)若放任故障點(diǎn)繼續(xù)存在，那么絕緣下降狀態(tài)就會(huì)轉(zhuǎn)換為完全失地狀態(tài).若此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)人員找到故障點(diǎn)并成功隔離，系統(tǒng)就會(huì)由絕緣下降狀態(tài)/接地狀態(tài)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)［7-8］.

由式（3）可知，U+與U之比可以反映正負(fù)極母線絕緣電阻的相對(duì)變化，因此可以選擇值的大小判斷母線是否出現(xiàn)單極絕緣下降.

系統(tǒng)進(jìn)入絕緣下降或接地狀態(tài)后，首先應(yīng)判斷故障點(diǎn)出現(xiàn)在母線上還是在支路上.當(dāng)支路上存在故障點(diǎn)時(shí)，典型特征為漏電流互感器電流出現(xiàn)較大變化.利用這一特征即可識(shí)別故障點(diǎn)的位置.若系統(tǒng)中有k條支路，那么每條支路漏電流用ΔI0k表示，其中k=1,2,3,???,n，當(dāng)滿(mǎn)足下式時(shí)，可以認(rèn)為支路k存在故障點(diǎn).

若規(guī)定了漏電流傳感器正方向，則可以根據(jù)ΔI0k的正負(fù)判斷支路故障點(diǎn)靠近正極還是負(fù)極.

僅單支路存在故障點(diǎn)時(shí)，絕緣電阻的計(jì)算結(jié)果可以按照式（8）或式（9）得到，多條支路均有故障點(diǎn)時(shí)，各支路絕緣電阻計(jì)算可以按照式（9）得到.

若支路漏電流ΔI0k未大于閾值，可以認(rèn)定故障點(diǎn)在母線上，此時(shí)可以按照式（5）求得絕緣電阻的大小.

若此時(shí)求得的R+、R-均小于閾值RLJ+、RLJ-時(shí)，判斷正負(fù)極母線絕緣同時(shí)下降/失地，反之，則報(bào)單極絕緣下降或失地.

事件驅(qū)動(dòng)型絕緣電阻測(cè)量流程如圖4 所示.

圖4 事件驅(qū)動(dòng)型絕緣電阻測(cè)量流程圖

3 PSIM仿真

3.1 平衡電阻選擇

變電站內(nèi)直流系統(tǒng)電源是直流充電機(jī)和蓄電池，由于蓄電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)，蓄電池單節(jié)電壓按照2.25 V，數(shù)量按照104 塊計(jì)算，正常情況下正負(fù)母線間電壓滿(mǎn)足：U=234 V.絕緣正常情況下，正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻為100 kΩ.

U+>137 V 或U+<97 V

再根據(jù)式（3），可得

此時(shí)滿(mǎn)足

R<70.18

即設(shè)置平衡電阻小于70.18 kΩ，此時(shí)當(dāng)電壓預(yù)報(bào)警后，啟動(dòng)母線絕緣電阻測(cè)量絕緣電阻大小滿(mǎn)足報(bào)警的要求.平衡電阻選擇過(guò)小容易導(dǎo)致絕緣下降影響運(yùn)行，因此在工程實(shí)際中，一般選擇20～50 kΩ為宜.

3.2 支路漏電流閾值選擇

若選擇平衡電阻R=50 kΩ，當(dāng)支路正極對(duì)地絕緣電阻為50 kΩ，支路負(fù)極對(duì)地絕緣電阻為100 kΩ時(shí)，根據(jù)式（3）可得：

同理可得：

因而，漏電流可表示為：

由此可知，當(dāng)支路單極絕緣電阻報(bào)警時(shí)，支路漏電流閾值應(yīng)小于0.6686 mA，此時(shí)支路絕緣下降方可報(bào)警.

3.3 仿真平臺(tái)搭建

在PMIS 仿真平臺(tái)搭建仿真模型，基本參數(shù)如下：母線兩極電壓U=234 V，正負(fù)極母線對(duì)地絕緣電阻為100 kΩ，平衡電阻為50 kΩ，負(fù)極并列投切電阻為100 kΩ，投切周期為0.01 s.漏電流閾值為0.5 mA，支路數(shù)量為3，仿真時(shí)間為0.1 s.

電壓監(jiān)視模型如圖5 所示.

圖5 電壓監(jiān)視模型圖

U1+與U2+的生成模型圖如圖6 所示.

圖6 U1+與U2+的生成模型圖

U1-、U2-、ΔI1、ΔI2也可通過(guò)圖6 所示模型得到.

3.3.1 模擬單極母線絕緣下降

在0.05 s 時(shí)，負(fù)極母線絕緣電阻下降至40 kΩ，此時(shí)啟動(dòng)母線絕緣電阻計(jì)算模塊.

正母線對(duì)地電壓和負(fù)母線監(jiān)測(cè)絕緣電阻波形如圖7 所示.

圖7 正母線對(duì)地電壓和負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形圖

由圖7 可知，0.05 s 負(fù)母線絕緣電阻下降后，負(fù)極并列電阻R0投入，正極母線對(duì)地電壓出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)負(fù)極母線絕緣電阻測(cè)量值經(jīng)過(guò)0.005 s 后，跟蹤計(jì)算得到的母線絕緣電阻在40 kΩ 左右，該值與預(yù)設(shè)電阻值是一致的.

3.3.2 模擬多支路絕緣下降

在支路1 中設(shè)置0.5 s 時(shí)綜合等效絕緣電阻由50 kΩ 降低為25 kΩ，在支路2 設(shè)置0.75 s 時(shí)綜合等效絕緣電阻由50 kΩ 降低為25 kΩ，支路3 等效絕緣電阻不變，一直為50 kΩ.

3 條支路綜合等效絕緣電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形如圖8 所示.

圖8 3條支路絕緣等效電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形圖

如圖8 所示，支路1 和支路2 綜合等效絕緣電阻分別在0.055 s 和0.08 s 后下降為25 kΩ，支路3 綜合等效絕緣電阻一直為50 kΩ.由此可知，采用式（9）可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)各支路綜合等效絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測(cè).

4 結(jié)論

直流電源是變電站內(nèi)重要的二次能源系統(tǒng)，其可靠運(yùn)行是保障變電站設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵.本文提出的直流系統(tǒng)絕緣電阻監(jiān)測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)在于，在直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不必用高頻開(kāi)關(guān)的閉合構(gòu)建不平衡橋，因而不會(huì)導(dǎo)致直流電壓的波動(dòng).當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣故障時(shí)，首先識(shí)別支路和母線故障，通過(guò)不同方法快速求得支路或者母線對(duì)地絕緣阻值，展示了絕緣下降的程度，為現(xiàn)場(chǎng)人員查找故障點(diǎn)提供了可靠的參考.通過(guò)在PSIM 軟件中搭建仿真模型，驗(yàn)證了所提方法的正確性和準(zhǔn)確性.但需要指出的是，本文所提方法仍然有一定的局限性，即當(dāng)直流系統(tǒng)兩極同時(shí)下降且下降比例相差不大時(shí)，該方法不能進(jìn)行有效識(shí)別，此問(wèn)題的解決方案需要進(jìn)一步的研究.