直流操作电源中绝缘监测的方法

直流操作电源中绝缘监测的方法

1“地”适所处环境l基本概念,可能出现创直接供水系统的系统是用于控制工厂和安全仪的装置、信号装置、保护装置、自动装置和自动化系统的操作业务。它的可靠性直接影响到能源系统的运行的安全。由于直流系统分布广,元器件多,所处环境各异,可能会出现绝缘下降,甚至一点接地现象。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。2最大电流直流式接地巡检仪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,其原理如图1所示。其中R+和R-分别为正负直流母线对地电阻,R为检测装置内部的检测电阻,RJ为继电器检测电阻。当R+和R-很大时,只有微小的不平衡电流流过RJ。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RJ,继电器动作,绝缘监察装置发出接地报警信号。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。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,当直流馈出支路较多时,采用拉路法会耗费较多的时间,要考虑直流缺电的影响,如对合闸回路,应考虑拉路后一段时间内不能合闸和重合闸的情况。特别是对直流控制电源,拉路前应采取必要措施防止直流失电可能引起继电保护、自动装置不正确动作,危及电力系统的安全运行。故目前该方法只用于支路数不多、控制、继电保护、自动装置回路简单、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)如图2所示。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,尽管其幅值与直流母线电压相比很小,但对安全性要求很高的电力系统来说,施加的交流信号毕竟会带来不安全因素。而且其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,才能依次检出其他接地支路。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,而且该方法仍然对直流系统会造成一定的干扰。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。3单管路接地故障的等效电路检测差流检测法是较为新颖的方法,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,对直流系统不会造成干扰,且与系统分布电容大小无关,检测灵敏度较高。图3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。为实现直流馈出支路绝缘下降查找功能,将图2中的电流互感器换成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或接地,分支负极接地电阻为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极电流和负极电流之差为IZ-。K+断开K-闭合时,若分支电路正极绝缘电阻下降或接地,分支正极接地电阻为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极电流和负极电流之差为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,其具体情况可按单支路接地和多支路接地来区分。图5为单支路接地的等效电路,其模拟正负均接地的情况,图5(a)为K+闭合K-断开时的等效电路,图5(b)为K+断开K-闭合时的等效电路。显然式(1)中的u+=IZ-R,u-=IZ+R,则通过推导式(2)可得式(3)。图6为多支路出现接地故障的等效电路。先考虑多支路同极性接地的情况,图(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(b)是多支路正负均有接地且K+闭合K-断开时的等效电路。由于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。下面对差流检测法检测馈出支路绝缘情况进行总结,如表1所示。虽然在多支路正负均有接地故障时,差流检测法无法准确计算出各支路的接地电阻,但其仍然能进行接地故障支路定位和接地极性判断。而无论接地电阻数值大小,都应对该支路进行检修,故该缺点不影响差流检测法的具体应用。4模块设计与检测单元结构目前,直流系统绝缘在线监测大多采用集中式的数据采集和处理系统。这种系统现场布线多,施工复杂,采集点到微机多为小信号模拟量的传送,易受电源现场的电磁干扰。当被监测直流系统范围很大时,问题尤为突出。本次设计以差流检测法为基础,研制分布式直流接地巡检系统,系统由一台监测主机和若干测试单元组成,测试单元内置单片机,通过直流漏电流传感器采集各直流输出回路的直流漏电流,并将检测值通过RS485总线上传至监测主机。监测主机采用不平衡桥技术,计算正负母线对地绝缘电阻值,结合各直流支路漏电流,定位接地支路,计算支路绝缘电阻,其原理框图如图7所示。其中测试单元内置单片机,其自带8路10位AD,可检测8个直流漏电传感器的输出电压。其原理框图如图8所示。为解决负电压的检测问题,对漏电传感器的输出电压进行电压提升和滤波后再进入单片机的AD进行测量。其通过通讯站号测试电路设置唯一站号,响应监测单元的召唤命令,将测得的各直流馈出支路漏电流IZ+和IZ-上传给监测单元。图9为监测单元结构框图。监测单元采用双微处理器结构。微处理器1控制开关控制电路实现K+和K-的分时切换,并通过内置AD配合隔离电压采集电路检测母线电压um、正母线对地电压为u+和负母线对地电压为u-,通过485总线召唤各测试单元,获得各支路漏电流数据,计算母线对地电阻和直流馈出各支路对地电阻,将故障信息传给微处理器2。微处理器2为双串口的51派生单片机,配置液晶显示模块和键盘组成的人机交互界面,实现数据显示和参数设置,并通过485总线将测试单元数目和告警电阻阀值等参数传给微处理器1。同时可通过上行的232/485口与上位机进行通讯,将测得的绝缘数据实现远传。电压采集电路和开关控制电路如图10所示。其中AQV210为固态继电器,其受微处理器1的I/O口控制,切换检测电阻R1和R2分时与正、负母线相连接。R3、R4与R5、R6组成分压电路,通过精密隔离运放ISO124对正、负母线对地电压进行检测。5抗压强度和接地电阻的检测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,选用两个30kΩ电阻(实测为29.8kΩ)作为母线检测电阻进行母线接地和分支接地实验。实验数据表明,实验方法可有效检测出正负母线接地电阻均等下降的情况。实验数据表明,实验方法可有效检测出单支路正负均接地的情况。实验数据表明,实验方法可有效检测出多支路同极性均接地的情况。经测试表明,将母线检测电阻降为10kΩ时,测量精度可提高。