直流操作電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

直流操作電源系統(tǒng)中絕緣監(jiān)測(cè)方法的改進(jìn)

1平衡橋基本原理及在設(shè)備中的應(yīng)用由于醫(yī)院和核設(shè)備的直次電源系統(tǒng)可以為負(fù)載提供間歇性電源。由于負(fù)載分布廣泛，環(huán)境惡劣，可能會(huì)出現(xiàn)隔離和泄漏。與通信基站用48V直流電源的正輸出與大地相連不同,電力用直流操作電源輸出正、負(fù)母線均不接地,故一點(diǎn)絕緣下降或接地,對(duì)直流系統(tǒng)和直流負(fù)荷工作無(wú)任何影響,但必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除,否則當(dāng)出現(xiàn)另一點(diǎn)絕緣下降或接地,就會(huì)造成直流電源輸出正負(fù)母線通過(guò)大地形成回路,可能會(huì)引起保護(hù)裝置誤動(dòng)作,甚至直流斷路器跳閘或熔斷器熔斷,導(dǎo)致二次回路失去直流工作電源,故電力用直流操作電源系統(tǒng)均安裝絕緣監(jiān)察裝置。早期發(fā)電廠和變電站的直流系統(tǒng)采用電橋平衡技術(shù)來(lái)檢測(cè)接地故障,當(dāng)直流母線某一級(jí)的對(duì)地電阻下降到某一門(mén)檻值時(shí),電橋失去平衡,有電流流過(guò)繼電器檢測(cè)電阻,繼電器動(dòng)作,絕緣監(jiān)察裝置發(fā)出接地報(bào)警信號(hào)。由平衡橋原理可知,該方法不能反映直流系統(tǒng)正、負(fù)母線絕緣均等下降的情況,且只能判斷直流系統(tǒng)的整體絕緣狀態(tài),不能實(shí)現(xiàn)故障分支定位。發(fā)生絕緣故障后,現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)直流系統(tǒng)采取拉路尋找、分段處理的步驟,逐步確定接地支路。當(dāng)直流饋出支路較多時(shí),采用拉路法會(huì)耗費(fèi)較多的時(shí)間。故目前該方法只用于支路數(shù)不多、回路簡(jiǎn)單、自動(dòng)化水平較低及對(duì)供電可靠性要求不高的35kV及以下變電站和10kV開(kāi)閉所中的直流系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)不停電的支路查找要求,從20世紀(jì)90年代末開(kāi)始,采用信號(hào)尋跡法的微機(jī)型直流接地巡檢儀開(kāi)始在110kV及以上變電站和發(fā)電廠得到廣泛應(yīng)用。其在直流饋出支路安裝毫安級(jí)的電流互感器(CT)。當(dāng)該裝置檢測(cè)到正負(fù)母線對(duì)地絕緣電阻低于門(mén)檻值時(shí),裝置在正母線注入一個(gè)低頻交流信號(hào),在CT的二次側(cè)檢測(cè)各支路低頻電流的幅值和相位,進(jìn)而計(jì)算出各支路的絕緣電阻。該方法成功地實(shí)現(xiàn)了不停電查找接地支路的要求,但須向被測(cè)直流系統(tǒng)施加交流信號(hào),測(cè)量精度受分布電容影響大。對(duì)于分布電容較大的系統(tǒng),對(duì)地容性漏電流遠(yuǎn)大于阻性漏電流,很難精確提取有功分量,影響正確檢測(cè)。若發(fā)生多支路同時(shí)接地情況,該裝置不能同時(shí)檢測(cè)出所有接地支路,只能檢測(cè)出接地電流最小的支路,只有排除此支路的接地故障后,才能依次檢出其它接地支路。為提高檢測(cè)精度,在此基礎(chǔ)上變頻探測(cè)法得到應(yīng)用,變頻探測(cè)是向直流系統(tǒng)依次加入兩個(gè)不同頻率同幅值的交流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。從原理上看,該方法基本解決了受分布電容大小影響的不足,但當(dāng)系統(tǒng)分布電容很大時(shí),要求電流互感器有較大的動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)量精度,這在實(shí)際工程中很難辦到。由于目前發(fā)電廠和變電所直流系統(tǒng)均采用高頻開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)輸出模式,信號(hào)尋跡法中向直流系統(tǒng)施加的低頻交流信號(hào)易受到電源模塊的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)的干擾,導(dǎo)致測(cè)量精度下降。2多管路接地電阻值的計(jì)算基于不平衡橋的差流檢測(cè)法與信號(hào)尋跡法幾乎同時(shí)開(kāi)始得到應(yīng)用,其利用不平衡橋檢測(cè)母線絕緣狀況,再結(jié)合直流漏電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)分支故障進(jìn)行檢測(cè)。該方法無(wú)須向系統(tǒng)注入低頻信號(hào),與系統(tǒng)分布電容大小無(wú)關(guān),檢測(cè)靈敏度較高,因此采用該方法的微機(jī)型直流接地巡檢儀是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。圖1為不平衡橋檢測(cè)母線絕緣狀況的原理,其中K+和K-為可控開(kāi)關(guān),R為絕緣檢測(cè)電阻。當(dāng)K+閉合K-斷開(kāi)時(shí),測(cè)量正母線對(duì)地電壓為u+;當(dāng)K+斷開(kāi)K-閉合時(shí),測(cè)量負(fù)母線對(duì)地電壓為u-;若正負(fù)母線間電壓為um,則可得式(1):對(duì)式(1)推導(dǎo),可得式(2):根據(jù)式(2)所計(jì)算的絕緣電阻值,可判定直流系統(tǒng)絕緣狀況,能判定絕緣下降的極性。由于是對(duì)K+和K-定時(shí)切換,即使兩極絕緣電阻同時(shí)均等下降,此法也有效,克服了傳統(tǒng)平衡橋測(cè)絕緣狀況的弊端。如圖2所示,為實(shí)現(xiàn)直流饋出支路絕緣下降查找功能,在每個(gè)直流饋出支路套裝非接觸式直流漏電流傳感器,可檢測(cè)出任一分支正負(fù)導(dǎo)線的流入與流出電流差值的大小與方向。在K+或K-閉合期間,若無(wú)絕緣電阻下降或接地故障,穿越漏電流傳感器的正極電流I+和負(fù)極電流I-大小相等、方向相反,即I+=I-,兩者的差值為零則漏電傳感器輸出為0。K+閉合K-斷開(kāi)時(shí),若分支電路負(fù)極絕緣電阻下降,分支負(fù)極接地電阻RZ-與正母線絕緣檢測(cè)電阻R通過(guò)大地形成回路,分支電路負(fù)極存在漏電流,穿越漏電流傳感器的正負(fù)極電流之差為IZ-。K+斷開(kāi)K-閉合時(shí),若分支電路正極絕緣電阻下降,分支正極接地電阻RZ+與負(fù)母線絕緣檢測(cè)電阻R通過(guò)大地形成回路,分支電路正極存在漏電流,穿越漏電流傳感器的正負(fù)極電流之差為IZ+。根據(jù)各支路的直流漏電傳感器是否輸出為0和輸出電壓的極性即可判斷出該支路是否有接地故障和接地的極性。但具體接地的電阻值的計(jì)算則要根據(jù)支路接地點(diǎn)的情況進(jìn)行分析和計(jì)算。圖3為單支路接地的等效電路,其模擬正負(fù)均接地的情況,圖3(a)為K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)的等效電路,圖3(b)為K+斷開(kāi)K-閉合時(shí)的等效電路。式(1)中的u+=IZ-R,u-=IZ+R,則通過(guò)推導(dǎo)式(2)可得式(3)。圖4為多支路出現(xiàn)接地故障的等效電路。圖4(a)為多支路負(fù)接地,而正極無(wú)接地,即RZ1+~RZn+為無(wú)窮大,且K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)的等效電路,則通過(guò)式(4)可計(jì)算出RZ1-~RZn-的具體數(shù)值。同理,當(dāng)出現(xiàn)多支路正接地?zé)o負(fù)接地時(shí),可根據(jù)K+斷開(kāi)K-閉合時(shí)測(cè)得的IZ1+~IZn+計(jì)算出RZ1+~RZn+的具體數(shù)值。絕緣檢測(cè)最復(fù)雜的情況是多支路正負(fù)均有接地,圖4(b)是多支路正負(fù)均有接地且K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)的等效電路。流過(guò)RZ1-~RZn-的電流除包含流過(guò)檢測(cè)電阻R的IZ1+~IZn+外,還包含流過(guò)RZ1+~RZn+的電流,即此時(shí)漏電傳感器檢測(cè)到的IZ1-~IZn-比實(shí)際流過(guò)RZ1-~RZn-的電流數(shù)值要小,若應(yīng)用式(4)來(lái)具體計(jì)算RZ1-~RZn-的數(shù)值,其結(jié)果比實(shí)際接地電阻值要大。這是目前采用差流檢測(cè)法檢測(cè)直流系統(tǒng)絕緣的微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置的通病。3地電阻分析實(shí)例前面的分析中是通過(guò)接地可控開(kāi)關(guān)K+和K-的交錯(cuò)閉合和斷開(kāi)形成不平衡橋,引入已知的接地檢測(cè)電阻R,再結(jié)合漏電傳感器的輸出來(lái)分析各直流饋出的絕緣狀況。而實(shí)際上,當(dāng)K+和K-均斷開(kāi)時(shí),檢測(cè)正、負(fù)母線對(duì)地電壓和各漏電傳感器的輸出,可獲取絕緣電阻計(jì)算中更多的已知量,為多支路正負(fù)均有接地的復(fù)雜情況提供支持。就兩條饋出支路正負(fù)均有接地電阻為例進(jìn)行分析。圖5(a)為兩條饋出支路正負(fù)均有接地電阻,K+和K-均斷開(kāi)時(shí)的狀況。兩條饋出支路通過(guò)大地形成回路,此時(shí)支路1和支路2的漏電傳感器輸出值符號(hào)相反而數(shù)值相等,設(shè)回路漏電流為圖中所示的I11和I21,正負(fù)母線對(duì)地電壓分別為u1+和u1-。按圖5(a)中所示I11和I21的方向,則可得式(5):將RZ1-等效為兩個(gè)電阻RZ11-和RZ12-并聯(lián),其中RZ11-流過(guò)的電流為IZ1+,RZ12-流過(guò)的電流為I11。則可得式(6):通過(guò)式(5)和式(6),可得式(7):圖5(b)為K+閉合K-斷開(kāi)時(shí)的狀況。其中I12為大地流到饋出支路1的漏電流,I22為大地流到饋出支路2的漏電流,正負(fù)母線對(duì)地電壓分別為u2+和u2-。按上述方法推導(dǎo)可得式(8):聯(lián)立式(7)和式(8),可求得RZ1+和RZ1-:圖5(c)為K+斷開(kāi)K-閉合時(shí)的狀況。其中I13為饋出支路1流到大地的漏電流,I23為饋出支路2流到大地的漏電流,正負(fù)母線對(duì)地電壓分別為u3+和u3-。按上述推導(dǎo)方法可得式(10):進(jìn)而得到式(11)。上述方法同樣適合多饋出支路正負(fù)均有接地電阻的故障狀況。4試驗(yàn)結(jié)果及分析選用直流漏電傳感器LDCS-10mA,其輸出電壓±5V對(duì)應(yīng)差流±10mA。使用穩(wěn)壓電源輸出48V模擬正負(fù)母線,用萬(wàn)用表測(cè)量所有選用的電阻,選用2個(gè)30k?電阻(實(shí)測(cè)為29.8k?)作為母線檢測(cè)電阻,進(jìn)行2支路正負(fù)均接地實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明上述測(cè)量和計(jì)算方法有效。經(jīng)測(cè)試表明,降低母線檢測(cè)電阻可提高測(cè)量精度。在實(shí)際工程應(yīng)用中,母線檢測(cè)電阻數(shù)值的選取要考慮母線電阻的功率和漏電傳感器的最大檢測(cè)能力。實(shí)際上母線檢測(cè)電阻的數(shù)值選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合仔細(xì)計(jì)算,該數(shù)值對(duì)于檢測(cè)精度有很大的影響。5定位進(jìn)線監(jiān)測(cè)基于不平衡橋的差