直流操作电源系统中绝缘监测方法的改进

直流操作电源系统中绝缘监测方法的改进

1平衡桥基本原理及在设备中的应用由于医院和核设备的直次电源系统可以为负载提供间歇性电源。由于负载分布广泛，环境恶劣，可能会出现隔离和泄漏。与通信基站用48V直流电源的正输出与大地相连不同,电力用直流操作电源输出正、负母线均不接地,故一点绝缘下降或接地,对直流系统和直流负荷工作无任何影响,但必须及时发现和消除,否则当出现另一点绝缘下降或接地,就会造成直流电源输出正负母线通过大地形成回路,可能会引起保护装置误动作,甚至直流断路器跳闸或熔断器熔断,导致二次回路失去直流工作电源,故电力用直流操作电源系统均安装绝缘监察装置。早期发电厂和变电站的直流系统采用电桥平衡技术来检测接地故障,当直流母线某一级的对地电阻下降到某一门槛值时,电桥失去平衡,有电流流过继电器检测电阻,继电器动作,绝缘监察装置发出接地报警信号。由平衡桥原理可知,该方法不能反映直流系统正、负母线绝缘均等下降的情况,且只能判断直流系统的整体绝缘状态,不能实现故障分支定位。发生绝缘故障后,现场运行维护人员对直流系统采取拉路寻找、分段处理的步骤,逐步确定接地支路。当直流馈出支路较多时,采用拉路法会耗费较多的时间。故目前该方法只用于支路数不多、回路简单、自动化水平较低及对供电可靠性要求不高的35kV及以下变电站和10kV开闭所中的直流系统。为实现不停电的支路查找要求,从20世纪90年代末开始,采用信号寻迹法的微机型直流接地巡检仪开始在110kV及以上变电站和发电厂得到广泛应用。其在直流馈出支路安装毫安级的电流互感器(CT)。当该装置检测到正负母线对地绝缘电阻低于门槛值时,装置在正母线注入一个低频交流信号,在CT的二次侧检测各支路低频电流的幅值和相位,进而计算出各支路的绝缘电阻。该方法成功地实现了不停电查找接地支路的要求,但须向被测直流系统施加交流信号,测量精度受分布电容影响大。对于分布电容较大的系统,对地容性漏电流远大于阻性漏电流,很难精确提取有功分量,影响正确检测。若发生多支路同时接地情况,该装置不能同时检测出所有接地支路,只能检测出接地电流最小的支路,只有排除此支路的接地故障后,才能依次检出其它接地支路。为提高检测精度,在此基础上变频探测法得到应用,变频探测是向直流系统依次加入两个不同频率同幅值的交流信号进行检测。从原理上看,该方法基本解决了受分布电容大小影响的不足,但当系统分布电容很大时,要求电流互感器有较大的动态范围和测量精度,这在实际工程中很难办到。由于目前发电厂和变电所直流系统均采用高频开关电源模块并联输出模式,信号寻迹法中向直流系统施加的低频交流信号易受到电源模块的高频开关信号的干扰,导致测量精度下降。2多管路接地电阻值的计算基于不平衡桥的差流检测法与信号寻迹法几乎同时开始得到应用,其利用不平衡桥检测母线绝缘状况,再结合直流漏电流传感器实现对分支故障进行检测。该方法无须向系统注入低频信号,与系统分布电容大小无关,检测灵敏度较高,因此采用该方法的微机型直流接地巡检仪是目前市场上的主流产品。图1为不平衡桥检测母线绝缘状况的原理,其中K+和K-为可控开关,R为绝缘检测电阻。当K+闭合K-断开时,测量正母线对地电压为u+;当K+断开K-闭合时,测量负母线对地电压为u-;若正负母线间电压为um,则可得式(1):对式(1)推导,可得式(2):根据式(2)所计算的绝缘电阻值,可判定直流系统绝缘状况,能判定绝缘下降的极性。由于是对K+和K-定时切换,即使两极绝缘电阻同时均等下降,此法也有效,克服了传统平衡桥测绝缘状况的弊端。如图2所示,为实现直流馈出支路绝缘下降查找功能,在每个直流馈出支路套装非接触式直流漏电流传感器,可检测出任一分支正负导线的流入与流出电流差值的大小与方向。在K+或K-闭合期间,若无绝缘电阻下降或接地故障,穿越漏电流传感器的正极电流I+和负极电流I-大小相等、方向相反,即I+=I-,两者的差值为零则漏电传感器输出为0。K+闭合K-断开时,若分支电路负极绝缘电阻下降,分支负极接地电阻RZ-与正母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路,分支电路负极存在漏电流,穿越漏电流传感器的正负极电流之差为IZ-。K+断开K-闭合时,若分支电路正极绝缘电阻下降,分支正极接地电阻RZ+与负母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路,分支电路正极存在漏电流,穿越漏电流传感器的正负极电流之差为IZ+。根据各支路的直流漏电传感器是否输出为0和输出电压的极性即可判断出该支路是否有接地故障和接地的极性。但具体接地的电阻值的计算则要根据支路接地点的情况进行分析和计算。图3为单支路接地的等效电路,其模拟正负均接地的情况,图3(a)为K+闭合K-断开时的等效电路,图3(b)为K+断开K-闭合时的等效电路。式(1)中的u+=IZ-R,u-=IZ+R,则通过推导式(2)可得式(3)。图4为多支路出现接地故障的等效电路。图4(a)为多支路负接地,而正极无接地,即RZ1+~RZn+为无穷大,且K+闭合K-断开时的等效电路,则通过式(4)可计算出RZ1-~RZn-的具体数值。同理,当出现多支路正接地无负接地时,可根据K+断开K-闭合时测得的IZ1+~IZn+计算出RZ1+~RZn+的具体数值。绝缘检测最复杂的情况是多支路正负均有接地,图4(b)是多支路正负均有接地且K+闭合K-断开时的等效电路。流过RZ1-~RZn-的电流除包含流过检测电阻R的IZ1+~IZn+外,还包含流过RZ1+~RZn+的电流,即此时漏电传感器检测到的IZ1-~IZn-比实际流过RZ1-~RZn-的电流数值要小,若应用式(4)来具体计算RZ1-~RZn-的数值,其结果比实际接地电阻值要大。这是目前采用差流检测法检测直流系统绝缘的微机绝缘监察装置的通病。3地电阻分析实例前面的分析中是通过接地可控开关K+和K-的交错闭合和断开形成不平衡桥,引入已知的接地检测电阻R,再结合漏电传感器的输出来分析各直流馈出的绝缘状况。而实际上,当K+和K-均断开时,检测正、负母线对地电压和各漏电传感器的输出,可获取绝缘电阻计算中更多的已知量,为多支路正负均有接地的复杂情况提供支持。就两条馈出支路正负均有接地电阻为例进行分析。图5(a)为两条馈出支路正负均有接地电阻,K+和K-均断开时的状况。两条馈出支路通过大地形成回路,此时支路1和支路2的漏电传感器输出值符号相反而数值相等,设回路漏电流为图中所示的I11和I21,正负母线对地电压分别为u1+和u1-。按图5(a)中所示I11和I21的方向,则可得式(5):将RZ1-等效为两个电阻RZ11-和RZ12-并联,其中RZ11-流过的电流为IZ1+,RZ12-流过的电流为I11。则可得式(6):通过式(5)和式(6),可得式(7):图5(b)为K+闭合K-断开时的状况。其中I12为大地流到馈出支路1的漏电流,I22为大地流到馈出支路2的漏电流,正负母线对地电压分别为u2+和u2-。按上述方法推导可得式(8):联立式(7)和式(8),可求得RZ1+和RZ1-:图5(c)为K+断开K-闭合时的状况。其中I13为馈出支路1流到大地的漏电流,I23为馈出支路2流到大地的漏电流,正负母线对地电压分别为u3+和u3-。按上述推导方法可得式(10):进而得到式(11)。上述方法同样适合多馈出支路正负均有接地电阻的故障状况。4试验结果及分析选用直流漏电传感器LDCS-10mA,其输出电压±5V对应差流±10mA。使用稳压电源输出48V模拟正负母线,用万用表测量所有选用的电阻,选用2个30kΩ电阻(实测为29.8kΩ)作为母线检测电阻,进行2支路正负均接地实验。实验结果证明上述测量和计算方法有效。经测试表明,降低母线检测电阻可提高测量精度。在实际工程应用中,母线检测电阻数值的选取要考虑母线电阻的功率和漏电传感器的最大检测能力。实际上母线检测电阻的数值选取应根据实际应用场合仔细计算,该数值对于检测精度有很大的影响。5定位进线监测基于不平衡桥的差