基于變頻投切電阻的直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)方法

吳瑜坤 ，李書(shū)瀚，王 巖

(1.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林供電公司，吉林 吉林 132001)

直流系統(tǒng)是電力系統(tǒng)控制與保護(hù)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)安全的保障，繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置等能否正常工作都取決于直流系統(tǒng)是否穩(wěn)定[1]。近些年，直流系統(tǒng)的絕緣問(wèn)題越來(lái)越引起有關(guān)方面的重視，其中最常見(jiàn)的問(wèn)題就是直流系統(tǒng)接地故障[2-4]。如果系統(tǒng)中同時(shí)出現(xiàn)兩支路的單端接地，就可能造成設(shè)備的損壞或爆炸，嚴(yán)重時(shí)可能對(duì)整個(gè)變電站和輸電系統(tǒng)造成危害，因此當(dāng)出現(xiàn)單端接地情況時(shí)就應(yīng)及時(shí)測(cè)量并進(jìn)行報(bào)警。

目前，直流系統(tǒng)檢測(cè)方法主要有三大類(lèi)：電橋法、低頻注入法和直流漏電流法。低頻注入法是通過(guò)在母線中注入交流電流，把交流傳感器安裝在待測(cè)支路上，通過(guò)傳感器測(cè)量得到電流信號(hào)，即可分析待測(cè)支路的絕緣情況，最終完成絕緣監(jiān)測(cè)的目的[5]。這種方法是現(xiàn)在所使用的檢測(cè)方法精度最高的一種，但是因?yàn)樵谥绷飨到y(tǒng)中直接加入了交流電流，會(huì)給母線帶來(lái)很大的紋波，而且整個(gè)測(cè)量過(guò)程受分布電容的影響較大，因此，有必要研究一種新的檢測(cè)方法，在減小干擾的情況下使檢測(cè)精度最高。

本文提出一種變頻投切電阻法的支路故障絕緣檢測(cè)方法，通過(guò)以改變頻率二次投切電阻，將直流轉(zhuǎn)換為交流，根據(jù)傳感器測(cè)量得到交流電流信號(hào)和投切電阻電壓信號(hào)即可得到支路接地電阻阻值。這種方法是對(duì)注入信號(hào)法的改進(jìn)，不投入交流信號(hào)即可利用交流傳感器進(jìn)行絕緣監(jiān)測(cè)，并且解決分布電容對(duì)檢測(cè)的影響。

1 變頻投切電阻法

變頻投切電阻法的原理是直流系統(tǒng)由正負(fù)110 V母線構(gòu)成，由于大地是良導(dǎo)體，故正負(fù)母線上對(duì)地存在分布式電容C+、C-。母線上也分別存在對(duì)地電阻R+、R-，其分別與相應(yīng)分布電容并聯(lián)接地，而直流系統(tǒng)負(fù)載采用兩根支路電線直接掛載到母線上，通過(guò)增加投切接地電阻支路RT+、RT-的方式增加一條電流支路以構(gòu)成新的電路平衡(見(jiàn)圖1)，圖1中RT+、RT-為投切接地支路電阻，Rd、Cd分別為故障支路接地電阻和電容，C為等效電容。該方法通過(guò)在母線與大地間以不同的兩次頻率投切電阻，在支路端口處安裝有測(cè)量支路電流的交流傳感器，穩(wěn)定后測(cè)量得到的信號(hào)即為待測(cè)支路流過(guò)的交流信號(hào)。若該支路發(fā)生單極性接地故障時(shí)，通過(guò)傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合投切電阻部分有關(guān)數(shù)據(jù)即可得到確定支路的絕緣情況。此方法無(wú)法對(duì)雙端接地情況同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以依次向正負(fù)母線投切電阻來(lái)檢測(cè)雙端接地絕緣情況。

圖1 變頻投切電阻法原理

直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)的母線檢測(cè)方法已經(jīng)非常完善，方法簡(jiǎn)單且都可以保證測(cè)量的精度。根據(jù)文獻(xiàn)[6]提出的正負(fù)極母線投入檢測(cè)電阻的方法，并結(jié)合變頻投切電阻的原理，在進(jìn)行正負(fù)母線投切電阻時(shí)，將投切開(kāi)關(guān)K1長(zhǎng)時(shí)間閉合，不按頻率開(kāi)關(guān)閉合，先對(duì)母線故障電阻進(jìn)行檢測(cè)，可求得母線電阻：

R+=(U-I1RT-I2RT)/I2

(1)

R-=(U-I1RT-I2RT)/I1

(2)

式中：U為母線電壓；I1、I2為投入故障電阻后，正母線故障電流和負(fù)母線故障電流；RT為投入母線的故障電阻，也是投切電阻的阻值。

此方法測(cè)量誤差較小，滿足母線電阻測(cè)量需要。下面對(duì)變頻投切電阻法測(cè)量支路進(jìn)行描述。

1.1 變頻投切電阻法測(cè)量支路電阻

通過(guò)增加投切接地電阻支路RT+、RT-的方式增加一條電流支路以構(gòu)成新的電路平衡，由此采用交流互感器測(cè)量支路的漏電流以提高檢測(cè)精度，再通過(guò)電路關(guān)系求解出該支路的接地電阻。當(dāng)某支路正極出現(xiàn)單端接地故障，在負(fù)母線投切電阻RT，投切支路會(huì)經(jīng)投切開(kāi)關(guān)將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)方波信號(hào)，方波交流電壓通過(guò)母線電阻和電容并聯(lián)后會(huì)輸出一個(gè)三角波電壓，相當(dāng)于向支路加入了一個(gè)三角波交流信號(hào)，但三角波的電壓值十分小，其等效簡(jiǎn)化測(cè)量圖見(jiàn)圖2。

圖2 變頻投切法測(cè)量等效圖

通過(guò)在支路的傳感器測(cè)得流過(guò)支路的交流電流，選擇合適的投切頻率后，經(jīng)兩次投切操作，即可得到支路電阻阻值。由于母線分布電容的值是等效形成的，為了保證交流信號(hào)的形成，在投切電阻兩端并聯(lián)一個(gè)與母線分布電容大小相等的等效電容C，用于交流信號(hào)的穩(wěn)定產(chǎn)生。

1.2 變頻投切電阻法計(jì)算公式

假定待測(cè)故障支路接地故障電阻值為Rd，根據(jù)加裝在支路處的交流傳感器，直接得到該支路的漏電流I；根據(jù)安裝在投切支路兩端的電壓表，變頻投切電阻法的電路關(guān)系為：

(3)

(4)

式中：Id1、Id2為兩次投切后支路交流電流；f1、f2為兩次投切電阻頻率；U1、U2為投切電阻后投切支路兩端電壓。

計(jì)算過(guò)程中，將支路分布電容等效值用第一次測(cè)量電流表示，帶入第二次測(cè)量電流，推導(dǎo)得出：

(5)

(6)

(7)

式中：α為兩次投切頻率的平方比；β為兩次投切后投切支路的測(cè)量電壓值的平方比。

公式(5)即為變頻投切電阻法電阻計(jì)算方式。若支路正負(fù)極同時(shí)出現(xiàn)接地故障，先向一極投切電阻計(jì)算接地情況，然后再向另一極投切電阻計(jì)算接地情況。計(jì)算方法不受分布電容影響，計(jì)算過(guò)程中忽略其存在，這種接地情況依然適用。

2 電路參數(shù)選取

2.1 投切后三角波的形成

如果在輸入電壓Ui處加方波電壓，則電容C輸出電壓Uo，積分電路見(jiàn)圖3。當(dāng)滿足：時(shí)間常數(shù)τ遠(yuǎn)大于tW，方波寬度tW遠(yuǎn)小于RC數(shù)值時(shí)，在輸出端即可得到圖4的電壓波形。

圖3 積分電路

圖4 輸入輸出電壓

當(dāng)t=t1時(shí)，輸入電壓此時(shí)由零增大到最高值，輸出端電壓不能變化，兩端電壓為零；當(dāng)t1

在使用變頻投切電阻法時(shí)，分布電容會(huì)和投切電阻近似形成積分電路，先把直流經(jīng)投切支路轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ń涣餍盘?hào)，后又經(jīng)積分電路將方波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣ㄐ盘?hào)。為了消除母線分布電容會(huì)對(duì)投切造成的不確定影響，與投切支路并聯(lián)一個(gè)與分布電容相近的等效電容完成電路。等效電容的并聯(lián)保證三角波信號(hào)更加穩(wěn)定的輸出，一般220 kV變電站直流系統(tǒng)母線分布電容為70～100 μF，因此選取模擬電容的值為100 μF。

2.2 投切支路對(duì)投切頻率影響

變電站直流系統(tǒng)母線分布電容大約為70 ～100 μF，因此每條支路的分布電容大約為1 μF[7]。由于投切電阻后形成的三角波也是有頻率的，它的頻率取決于投切的頻率。圖5為投切電阻形成交流信號(hào)原理圖，圖6是RC串并聯(lián)電路的阻抗特性曲線。

圖5 RC串并聯(lián)電路

圖6 RC串并聯(lián)電路轉(zhuǎn)折頻率與阻抗特性

當(dāng)頻率小于f01時(shí)，電容相當(dāng)于開(kāi)路，沒(méi)有電流經(jīng)過(guò)。為了保證電容能夠產(chǎn)生最大的電壓，要近似于短路，因此頻率的選擇必大于f02，其中f02的計(jì)算公式為：

(8)

電阻和電容的值決定轉(zhuǎn)折頻率的大小。當(dāng)輸入頻率大于轉(zhuǎn)折頻率f02時(shí)，此時(shí)電容的容抗相對(duì)于電阻很小，則電流不從R2流過(guò)，全經(jīng)過(guò)電容，完成積分電路，因此會(huì)使得電容上產(chǎn)生較大的電壓。當(dāng)電阻R1設(shè)置為20 kΩ，電阻R2模擬值為100 kΩ時(shí)，電容70 μF，轉(zhuǎn)折頻率為f02=0.136 Hz，故投切頻率需要大于0.136 Hz。即使電容變大或者投切電阻變大，頻率也會(huì)變小，因此只需大于0.136 Hz即可。

2.3 待測(cè)支路對(duì)投切頻率影響

RC并聯(lián)電路由電阻和電容并聯(lián)而成，也就是模擬了實(shí)際大地中電阻和分布電容的存在方式。這樣的電路既可以通過(guò)直流，也可以通過(guò)交流。當(dāng)連接在直流電路中時(shí)，因?yàn)殡娙萜骷奶匦?，無(wú)法通過(guò)直流電流，即電阻上流過(guò)全部的直流電流。而對(duì)電路通交流時(shí)，都可以有電流經(jīng)過(guò)，具體電流大小取決于電阻的阻值和電容的容抗。表1分析了支路可能存在各種分布電容在不同低頻交流信號(hào)下本身的等效容抗值。

表1 支路容抗變化 kΩ

變頻投切電阻法需要使用交流傳感器進(jìn)行測(cè)量，仍受到分布電容的影響。若分布電容的容抗值因?yàn)轭l率過(guò)高導(dǎo)致容抗值很小，將不會(huì)有交流電流從電阻流過(guò)，計(jì)算結(jié)果不能代表接地電阻的準(zhǔn)確，影響絕緣檢測(cè)[8]，因此要求抗值應(yīng)盡可能大，使交流電流更多從電阻中流過(guò)。

為了使交流信號(hào)通過(guò)接地支路并不對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，結(jié)合DL/T 724—2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定電阻小于25 kΩ應(yīng)報(bào)警要求，并在過(guò)程中簡(jiǎn)化計(jì)算，選擇1 Hz和2 Hz作為投切頻率。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 仿真環(huán)境

在Multisim平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)電路，使用直流電源模擬220 V直流系統(tǒng)，通過(guò)壓控開(kāi)關(guān)投切電阻，用方波交流信號(hào)控制壓控開(kāi)關(guān)以一定頻率的打開(kāi)和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電阻投切。仿真示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 仿真示意圖

VCC模擬直流系統(tǒng)電壓220 V。U′為控制壓控開(kāi)關(guān)開(kāi)斷的交流源，壓控開(kāi)關(guān)開(kāi)通狀時(shí)態(tài)電阻1 Ω，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)電阻1 MΩ，開(kāi)通時(shí)近似于短路，不分擔(dān)電壓，關(guān)斷時(shí)電阻很大，無(wú)法流過(guò)電流。U′提供頻率為1 Hz和2 Hz的方波信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷。R4為1 Ω的分析電阻，通過(guò)示波器采集信號(hào)模擬電流值。

R1C1為模擬母線對(duì)地支路，R2C2為模擬故障支路。R1模擬母線接地，取值100 kΩ，C1取100 μF，C2取1 μF。R3為投切電阻，取值20 kΩ。為了保證電壓的穩(wěn)定輸出，在投切電阻旁并聯(lián)等效分布電容的C3，同取100 μF。待測(cè)支路R2即為待求值Rd。

3.2 仿真結(jié)果

仿真中通過(guò)示波器可以得到待測(cè)支路三角波電壓和投切支路方波電壓波形圖。仿真過(guò)程中修改支路電阻R2，在不同的接地故障下進(jìn)行兩次投切操作后，測(cè)量投切支路電壓和待測(cè)支路電流，最后計(jì)算電阻，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表2，可以看出在用文中方法進(jìn)行支路接地故障測(cè)量時(shí)，電阻在DL/T 724—2000規(guī)定的小于25 kΩ范圍內(nèi)，檢測(cè)精度很高，誤差不超過(guò)1%，符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定的絕緣檢測(cè)能力要求。在需觀察預(yù)警的50 kΩ范圍內(nèi)，檢測(cè)精度小于5%，有很高的檢測(cè)能力[9]。但是隨著接地電阻的增大，支路電流會(huì)越來(lái)越小，傳感器的檢測(cè)難度也會(huì)越來(lái)越大，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成一定程度的影響。且隨著接地電阻阻值的增加，因?yàn)橥肚行纬傻碾妷弘S著電阻的增大不斷變小，流經(jīng)支路的交流電受分布電容的影響會(huì)更加明顯，使得通過(guò)支路的電流不再是完整的三角波，對(duì)檢測(cè)造成困難。圖8為投入100 kΩ模擬故障時(shí)待測(cè)支路示波器2的波形。分布電容的存在使得三角波發(fā)生變化，雖然電流值沒(méi)有超出交流傳感器的檢測(cè)范圍，但是對(duì)于故障計(jì)算的精度卻造成了很大的影響。

圖8 模擬100 kΩ故障時(shí)待測(cè)支路電壓

4 結(jié)論

通過(guò)介紹目前使用的直流絕緣檢測(cè)的各種方法，為提高檢測(cè)能力，提出了一種變頻投切電阻的檢測(cè)方法。在支路出現(xiàn)故障需要進(jìn)行絕緣檢測(cè)判斷絕緣情況時(shí)，母線上并聯(lián)投切電阻支路將進(jìn)行投切電阻操作，使得母線接地部分簡(jiǎn)化成一個(gè)已知頻率的三角波交流信號(hào)，根據(jù)接地支路漏電流值計(jì)算得出接地電阻阻值。該方法在測(cè)量時(shí)使用測(cè)量精度高的交流傳感器，計(jì)算時(shí)不受母線電阻以及分布電容的影響，利用直流系統(tǒng)產(chǎn)生交流信號(hào)，不額外安裝交流源，改善了傳統(tǒng)信號(hào)注入法問(wèn)題。通過(guò)仿真模擬，得到了變換后穩(wěn)定的三角波輸出電壓，對(duì)電阻50 kΩ以內(nèi)的故障模擬計(jì)算，結(jié)果證明了投切電阻法的可行性，但在具體參數(shù)和交流傳感器的選擇上，還需要進(jìn)一步完善。