（电气工程专业论文）基于现场总线的直流对地绝缘监测及直流系统状态监测.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 发电厂、变电站用直流2 2 0 v 或1 1 0 v 配电系统作为保护、控制、信号、照明电 源，随着我国的电力工业步入了大电网与大机组的阶段，对运行中的设备可靠性要求 越来越高，但是传统直流系统大多数处于不可监测状态，直流系统支路对地绝缘降低 后查找困难或出现误报警等，以湛江发电厂4 3 0 0 m w 机组为例，直流系统只有简单 的故障报警。直流绝缘监测仪经常误报，且检测范围很小，还经常使用瞬时停电法查 找接地故障点，既危及机组安全又耗费大量人力；在发生负荷母线失压等情况下无报 警，这些现状是很危险的，研制新一代既能在线监测母线和各分支绝缘又能监测各分 支母线电压和各分支断路器状态的直流监测系统迫在眉睫。 本文针对目前直流系统绝缘监测装置不能检测末梢负荷绝缘的状况，针对直流泄 漏电流检测法灵敏度低且存在测量死区、交流信号注入法不能避免分布电容的影响等 等现状，论述了新的基于偏置电阻的现场总线型分布式直流系统对地绝缘检测原理， 并采用数字化直流泄漏电流传感器，在达到新的测量精度基础上研究了直流系统总体 及分支绝缘在线监测。 本文分析了电厂直流系统的结构特点和功能要求，采用f f 、d e v i c e n e t 和 c o n t r o l n e t 现场总线以及以太网组建监测网络，监测系统由数字式状态检测传感器、 前置监测模块、主控计算机、操作员站、远程计算机构成，它们通过f f 、d e v i e e n e t 和c o n t r o l n e t 现场总线相联后通过l a n 网络线与以太网相联、交换数据。 本文在分析了目前国内大型发电厂直流电源自动化程度的基础上，提出了包括负 荷支路对地绝缘在线检测、母线电源开关遥测、电压电流检测等功能的直流监测一体 化概念，采用现场总线分布式监测技术来研究直流系统监测。 关键字：直流系统在线监测绝缘故障现场总线 论文类型：应用研究 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l lp o w e rg e n e r a t i n gs t a t i o n sr e q u i r ed ca u x i l i a r yp o w e rs y s t e m st oo p e r a t et h o s ed c c o m p o n e n t sw h i c hm u s tb ea v a i l a b l es h o u l dal o s so fa cp o w e ro c c u r s o m ee x a m p l e so f s u c hc o m p o n e n t sa r ea u x i l i a r ym o t o r s ，c i r c u i tb r e a k e r s ，r e l a y s ，s o l e n o i d s ，a n di n v e r t e r s d c a u x i l i a r ys y s t e m si np o w e rp l a n t sa l ed e s i g n e db o t hf o r2 2 0va n d1 1 0v w i 也t h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ep o w e ri n d u s t r yi nt h el a s ts e v e r a ld e c a d e si nc h i n a , t h er e l i a b i l i t yo f e q u i p m e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，b u tt h ed cd i s t r i b u t i o ns y s t e mu s e di n p o w e rw a s h 7 tc o n t r o l l e da n dm o n i t o r e d ，p r o c e s s i n gf a t d t sb ym a n u a l ，d i a g n o s i sf a u l t sb y t h ee x p e r i e n c eo f h u m a n ，i ti sv e r yp e n d i n gt om a k et h em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h e d cd i s t r i b u t i o ns y s t e mi np o w e rp l a n tm o d e r n i z e a c c o r d i n gt o t h ef a c tt h a ti n s u l a t i o n d e t e c t i n ge q u i p m e n tc a n n o tm e a s u r et h e i n s u l a t i n gs t a t e o ft h el o a de n d ，l e a kc u r r e n tm e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yi sl o wa n dt h e i n s e r t i n gs i g n a lm e t h o dc a n n o ta v o i di n f l u e n c eo fd i s t r i b u t i o ne a p a c i t y t i l i st h e s i sp u t f o r w a r dan e wt h e o r yb a s e do nt h es t e e r i n gr e s i s t a n c et od e t e c tt h ei n s u l a t i o no fd i s t r i b u t e d d cs y s t e mo nl i n e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo fd e s i g n i n go fd cs y s t e mi n p o w e rp l a n t s ，t h i sp a p e rd e s i g n sam o n i t o rs y s t e m n l i st h e s i sp u tf o r w a r dad e s i g np a n e m u s i n gf i e l db u s ，f o re x a m p l e ：f f , d e v i c e n e ta n dc o n t r o l ，a n di n t r a n e t t h em o n i t o rs y s t e m i sc o n s i s t e do f s e n s o ru n i t ，m o n i t o ru n i t ，m a i nc o m p u t e r , o p e r a t o ru n i ta n dd i s t a n c ed e s k t o p a l lt h eu n i t sa r ec o n n e c t e du s i n gf i l e db u sa n di n t r a n e tt oe x c h a n g ed a t a o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea u t o m a t i o no fd cs y s t e mi np o w e rp l a n to fo u rc o u n t r y , t h i sp a p e rp r e s e n t sa no n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fa m a s t e ru n i t , ac o n t r o lu n i t ，ai n s u l a t i o ni n s p e c tu n i t ，as w i t c hc o n t r o lu n i t ，ac u r r e n ta n d v o l t a g ed e t e c tu n i t t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e di n d e t a i l ，a n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nr r ea l s oi n 缸o d u c e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d cs y s t e m ； o n l i n em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；i n s u l a t i o nf a u l t ：f i e l db u s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明，本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：蓐留亥 - v , o i - 年4 月谚日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“j ”) 学位论文作者签名：7 耄i 习苡指导教师签名：孑1 | ；昔；邑 阳s 年辟月；矿日爻甜年月堙日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 i 绪论 直流系统是电力系统非常重要的保护与控制电源，发电厂、变电站用直流2 2 0 v 或i i o v 配电系统作为保护、控制、信号、事故照明电源，随着我国的电力工业步入 了大电网和大机组的阶段，对运行中的设备可靠性要求越来越高f l l ，但是传统直流系 统大多数处于不可监测状态，直流系统支路对地绝缘降低后查找困难或出现误报警 等，以湛江发电厂4 3 0 0 m w 机组为饲，直流系统只有简单的故障报警，直流绝缘监 测仪经常误报，且检测范围很小。还经常使用瞬时停电法查找接地故障点，即危及机 组安全又耗费大量人力；在发生负荷母线失压或电源开关跳闸等情况下无报警，这些 现状是很危险的，研制新一代既能在线监测直流母线及其各分支正负极对地绝缘，又 能监测直流母线及其分支电压和各分支断路器状态的直流监测系统迫在眉睫。 目前，在大型火力发电厂中，直流系统能够实现的监测功能很少f 1 j 有一些装置 实现了如母线及部分分支绝缘监测功能，有一些装置实现了蓄电池组的电压监测功 能，但这些功能对于现代化大型发电厂来说远远达不到现场运行和维护功能要求，例 如不能在全厂范围内定位直流系统绝缘的故障点，不能全面监视直流系统的断路器和 母线运行状态，这些给运行值班人员进行直流系统故障处理，特别是接地故障点查找 带来很大的工作量甚至在寻找故障时出现误操作可能1 2 h 5 l ，只有解决目前对直流系统 监测设备现状，推广直流系统在线监测技术和设备，才能提高直流系统可靠性和减少 运行人员误操作可能，为此本文就直流对地绝缘及直流系统在线监测进行研究分析。 为了叙述方便，本文以发电厂的2 2 0 v 直流系统为例进行讨论，其结论也适用于 i i o v 、3 6 v 、2 4 v 系统。因此，若无特别说明，文中的直流系统专指2 2 0 v 直流系统。 本文研制的直流在线监测系统可以从技术上解决目前直流系统对地绝缘和状态 监测存在的缺点，有效提高直流系统的可靠性和减少操作人员的误操作成为可能，是 现代化发电厂减人增效、提高设备可靠性和自动化水平必不可少的，意义重大。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外现状及前景 目前国内外研制的直流系统监测器包括很多直流系统绝缘监测装置、少量的蓄电 池状态监测装置，但由于设备本身存在的不足，均未能有效而准确地监测直流系统故 障，及时发现和寻找故障原因，基于现场总线的分布式直流系统状态监测及对地绝缘 监测还未有成熟的装置出现【6 i 。 1 2 1 发电厂直流系统简介 发电厂的直流电源是一个十分庞大的多级多分支供电网络i 刀。为了保证电力系统 的安全性和可靠性，在发电厂通常采用蓄电池储能的直流电源作为控制、保护、信号、 事故照明、通讯电源。以湛江发电厂2 台3 0 0 m w 汽轮发电机组的直流控制系统为例， 图1 1 给出了直流控制系统的模型，其中l 1 为1 级母线及负荷，一般与充电器一起 安装在配电室内，蓄电池组安装在就近的隔壁配电室内，l 2 为2 级母线及负荷，l 3 为3 级母线及负荷，2 、3 级母线及负荷分布在全厂距离l 级母线2 0 m 1 5 0 0 m 距离的 范围内，每一段母线的负荷数在2 3 0 之间。 i 段母线 i i 段母线 图1 1 直流系统模型 华中科技大学硕士学住论文 1 2 2 耳前直流配电系统绝缘篮澍存在的闻题 直流电源作为电力系统非常重要的控制、保护及信号、事故照明、通讯电源，遍 及企业内设备的每个角落；直流系统发生事故将引发电力系统灾难性的设备损坏和系 统事故1 7 1 。为了提高直流电源供电的可靠性，这些电源均采用不接地方式运行，当发 生对地绝缘降低或接地故障时仪器报警，人为隔离故障点，保证直流系统的继续正常 运行。但目前的直流绝缘监测仪不能很好地有效查找故障点，以湛江发电厂使用的武 汉琴台w z j 2 型绝缘监测仪为例，只能监测母线绝缘和一级母线分支绝缘，对地电容 大的支路经常误发接地报警信号，失去了实用意义。除了级母线处的分支有接地传 感器之外，其它分支需另配备一套便携式绝缘检测装置查找，且因装置的灵敏度低， 每次用仪器检测不到故障点后，均采用瞬时停电法查找绝缘故障点，消耗了大量的人 力，而象湛江发电厂这样的现代化大型发电厂在运行时有很多重要直流电源是不允许 短时停电的，如发电机保护电源、热工控制和保护电源等，否则严重影响发电厂运行 设备的安全性，且因运行人员的精简导致接地故障的处理越来越被动，因此我们将此 作为现代化电厂必须解决的课题来研究。 目前使用直流绝缘监测仪主要采用一下几种方法1 2 1 1 5 l ：平衡电桥法、低频信号寻 迹法、变频探测法、直流泄漏电流“差流法”和载波相位法。 1 2 2 1 平衡电桥法 传统的直流系统一极接地绝缘监测采用电桥原理，用电桥法检钡0 直流接地故障的 原理是用直流系统正负极对地绝缘电阻和人为设置的两个电阻组成电桥，系统正常 时电桥平衡。当系统出现一点接地时，电桥平衡被破坏，继电器动作，发出声光报 警信号，利用附属的测量装置，可以确定是哪一极母线接地，并测出直流系统对地的 总的绝缘电阻值，然后通过换算可以确定出正负母线各自的绝缘电阻值。该系统无 法完成直流系统接地支路的自动判别，需要拉合保险才能对接地支路粗略定位，而在 很多情况下重要支路不允许这样操作，导致有的接地点长期存在而无法消除，给安全 生产埋下了事故隐患。该方法存在以下明显缺陷： 1 ) 当正负极绝缘电阻均等下降或数值接近时，即使其数值已经超越报警限，装 置也不能动作； 2 ) 当正负极对地绝缘电阻数值都很大但差值也很大时，装置会误报警； 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 只能判断是否越限，不能计算和显示绝缘电阻的数值； 4 ) 不能用来判断接地故障所在支路和进一步查找接地故障点。 尽管有上述缺点，但这种装置因具有电路简单和成本低廉的优点，在一些要求不 高的场合，其应用仍占主要地位。 1 2 2 2 低频信号寻迹法 图1 2 为注入低频交流信号法对直流系统接地电阻进行巡回检测的原理框图，为 克服电桥法的缺陷，人们最早考虑到的检测直流接地故障的方法，就是在直流正负母 线与地之间加一低频交流电压源4 i ，根据低频交流电压和电流的数值，即可求出直流 母线对地电阻的数值，根据低频交流电流的流通路径，可以判断出接地故障所在的支 路和故障点。由于直流系统供电线缆的物理特性，直流系统正负母线和线缆对地都存 在一定的分布电容，而且分布电容的大小随电缆长度、环境湿度和其他因素的不同而 不同，有的自动装置为提高电源品质还装有滤波电容，人为产生了支路对地电容。采 用低频信号的目的，是为了减小由于分布电容引起的容性电流的影响。 2 2 0 v 直流母线 图1 2 注入低频交流法直流系统对地绝缘电阻检测原理示意图 如图】2 所示，g 为低频交流信号源，c 为一隔直电容，r d 表示待测的接地电阻， t a l 、t a 2 为电流传感器。当支路对地绝缘很高时，通过电流传感器原边的正反方向 4 华中科技大学硕士学位论文 电流完全相等，总的效应为零，传感器输出为零，俐如觞支路发生接遗故障时，从该 支路的电流传感器t a l 可以测出从低频交流信号源到地的低频电流i 剐。 由于分布电容的存在，在采用恒定频率的交流信号时，必须同时测出低频交流电 流的幅值和相位，才可以计算出直流系统对地绝缘电阻的数值，用定频法，不但可以 求出直流系统对地电阻的数值，而且根据传感器所在支路的不同，可以判断出接地故 障所在的支路。其不足之处是：检测精度受系统分布电容的影响较大，为了减少电容 的影响，国内也研制了用相位比较法和电容补偿法实现的装置。 其不足之处是：操作困难、实现成本过高、检查速度太慢，故未得到推广。 1 2 2 3 变频探测法 由于定频法存在检测精度受系统分布电容影响较大的问题，后来有人提出交替改 变低频信号频率的检测方法，也称为变频法。其原理为：信号源g 交替产生频率为f l 、 龟的两个信号，通过故障支路交流电流传感器，测得两个频率下的交流电流有效值分 别为i t 、1 2 ，信号源电压有效值为恒值u ，根据电路定理测得接地电阻值。采用低频 信号变频探测的原理，可在一定程度上改善低频探测灵敏度受分布电容影响大的缺 陷，同时保留了低频信号寻迹简单的优点州。 其缺点是：( 1 ) 对故障母线不能定位，需要根据绝缘检查表确定是正母线还是负 母线的绝缘出现了问题，由于需要万用表测量母线电压值，需要运行人员对可能的故 障母线逐一查找，工作强度大；( 2 ) 由于受系统分布电容的影响，不能完全消除测量 死区。 1 2 2 4 直流泄漏电流“差流法” 用直流漏电流传感器套穿在各路直流回路的正负出线上，当回路绝缘水平正常时， 穿过传感器的直流电流大小相等，方向相反，即i + 十l = 0 ，此时传感器中的合成直流 磁场为零，其输出也就为零；当回路绝缘水平下降到一定范围或出现接地故障时，此 时i + + l 0 ，该回路中出现合成直流电流，对应该回路的传感器中合成直流磁场就不 为零，其输出也就不为零。因此，可以通过巡回检测各支路传感器的输出是否为零， 判定整个直流系统是否出现接地故障，以及确定故障回路。其优点是无需向直流系统 注入交流信号，能彻底排除对地电容干扰i i f 1 0 i j i l l 。 华中科技大学硕士学位论文 其不足之处是：这种检测方法是根据直流电桥原理来实现的，当周一支路上的正、 负线缆同时出现对地电阻同比例减小时，无法对接地点进行探测m l i ”i 。 1 2 2 5 载波相位法 根据电容对交流信号产生的相位移来检测低频电压信号与电流信号之间的相位 差来排除电容的影响。用低频信号所加载的间歇性的高频信号的起始时刻和长度分别 代表低频信号的电压相位和幅值，避免直接取电压信号。其优点是在一定程度上克服 了其它同类产品的缺陷，主要技术指标( 主要是所能检测的最大电阻值) 比同类产品 提商近一倍。其缺点是系统电容等于l o “f 时，能有效检测的最大电阻值为l o ko ， 仍不能满足电力部门接地规程所规定的2 0kq 作为接地判断标准的要求。同时也存在 判断具体故障支路时劳动强度大的问题【1 4 1 。 1 2 3 发电厂直流系统状态监测存在的问题 目前发电厂直流系统大量使用熔断器和小型空气断路器作为保护和隔离元件，但 这些元件的状态没有低成本的监测装置实现方案，使值班人员对直流系统的运行状态 不够明晰，降低t - r 作效率，日常维护中容易换错保险，在出现母线失压等故障时无 法快速判断哪一个支路或电源故障，从而会由于直流电源长时间停电引起扩大事故； 因为对直流系统的状态不能及时掌握，往往造成直流系统正常操作和事故处理的时间 较长n 。 1 2 4 直流配电系统监测技术的发展前景 随着电力系统自动化的发展，变电站逐渐实现了无人值守，发电厂实现了少人值 班。而另一方面，发电厂的单机容量越来越大，主电网的电压等级越来越高，这就对 厂内、站内直流系统的可靠性提出了更高的要求，急需能方便、快捷地查找故障点， 智能化地预报绝缘故障，对母线及其分支对地绝缘和母线电压、断路器状态进行监测， 而目前的直流系统监测装置均不能完全满足上述要求。近年来，随着以计算机为代表 的数字技术的突飞猛进以及一些新的科学分析方法的应用，给高性能直流系统在线监 测装置的研究提供了新的手段和可能。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作和章节安排 针对上述问题，我们与湛江发电厂合作，对直流系统在线监测给出一个较先进的 技术方案，本文完成的主要工作如下： 1 根据目前直流系统监测水平不高的现状，提出包括电压电流检测、对地绝缘检测、 母线电源开关遥测的直流系统监测一体化新概念： 2 根据目前直流绝缘监测装置均不能检测配电系统未端分支绝缘i ”，电桥法只能检 测母线总体绝缘，低频信号寻迹法及变频法受分布电容影响大，直流泄漏电流法测量 精度低等不足，提出新的基于偏置电阻的分布式直流系统对地绝缘检测方法，在直流 泄漏电流法的基础上，交替在正负极接入偏置电阻，在负荷末端安装直流泄漏电流传 感器，通过数据网络传送信息，达到较精确监测各分支绝缘的目的： 3 本文提出一种由数字式状态检测传感器、前置监测模块、现场总线、主控计算机、 操作员站、远程计算机组成直流系统状态监测网络的方法。 本文是上述工作的开始，对论文的章节安排如下： 第一章：介绍当前国内外直流系统对地绝缘监测和状态监测技术的研究状况，分 析了目前直流系统监测存在的问题，提出本文的工作内容。 第二章：根据对发电厂直流绝缘监测的需求分析，论述了新的基于现场总线的分 布式在线绝缘监测原理，并完成了这部分的硬件设计。 第三章：根据对发电厂直流系统状态监测的需求分析，设计了一种新的发电厂直 流系统状态在线监测方案，并完成了这部分的硬件设计。 第四章；发电厂直流电源在线监测系统的总体设计及系统的性能分析。 第五章：全文总结与展望。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 基于现场总线的直流母线及负荷在线绝缘监测 上一章分析了直流系统绝缘检测的现状，可见传统直流系统绝缘监测装景实现不 了远距离负荷分支的对地绝缘监测，存在直流系统支路对地绝缘降低后查找困难或出 现误报警等情况，以湛江发电厂4 x 3 0 0 m w 机组为例，直流系统只有简单的故障报警， 直流绝缘监测仪经常误报，且检测范围很小，值班人员经常使用瞬时停电法查找接地 故障点，即危及机组安全又耗费大量人力和时间；在发生负荷母线失压等情况下无报 警，这些现状都是很危险的，特别是现代化大型发电厂的管理水平越来越高，值班人 员越来越精简，不允许值班员为一个故障耗费大量时间，即占用人力又容易因设备的 故障引发扩大事故，所以，研制新一代既能在线监测各分支绝缘，又能监测各分支母 线电压和各分支断路器状态的直流监测系统已迫在眉睫。 本章根据目前最新的光电子技术、计算机现场总线技术和数字式直流泄漏电流传 感器技术，提出了新的直流系统绝缘监测方法。 2 1分布式直流系统绝缘监测工作原理 2 1 1 发电厂对直流系统绝缘监测的制造要求分析 发电厂的直流系统的结构特点是多级、多分支、多地域，并集中在电缆距离3 k m 的范围内，直流系统对地绝缘测量的要求是： 1 ) 1 分钟刷新测量数据： 2 ) 测量精度达到5 ； 3 ) 成本不能太高，成本太高则失去了实用价值： 4 ) 现场抗干扰能力强； 5 ) 自动化水平高，不需求值班人员进行大量的操作； 6 ) 故障记录、故障分析功能齐全，有现场设备的监测画面，便于设备监测及事故 处理： 7 ) 有齐全的运行抄表功能和故障报表功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 发电厂对直流系统绝缘监测装置的规划 基于上述发电厂对直流系统绝缘监测的制造要求分析，要全部完成以上功能要求 并较低成本实现，一种途径是在直流系统各个母线所处的地方布置监测模块，将监测 的信息通过现场总线传递回后台主控微机，因很多直流母线所跨的距离在2 0 5 0 米 范围内，所以负荷支路的直流泄漏电流传感器需就地数字化，然后通过f f 现场总线 将信号传至母线所在的监测模块 为了监测直流系统的绝缘状况，应测量直流母线对地绝缘和支路对地绝缘，本检 测方法是在直流泄漏电流差流法基础上经过改进得到的，用分布式监测系统完成完整 的直流系统绝缘监测。在图2 1 韵l 级母线l 1 处配置主模块a ，若负荷支路较多则接 入扩展从模块b ，在2 、3 级母线l 2 、l 3 处配置从模块b 。 母线绝缘监测部分：主模块a 实现正负极母线对地电阻偏置，通过正对地、负对 地偏置电阻两次接入后的正、负母线对地电压、母线极间电压的测量，计算出母线对 地绝缘电阻值。 支路绝缘监测部分：从模块b 安装在图2 1 的2 、3 级母线l 2 、l 3 处，通过网络 从主模块a 获得偏置电阻接入后的母线电压、正对地电压、负对地电压信息，利用直 流工作电源作为检测电源，用直流漏电流传感器套穿在各路直流回路的正负出线上测 出直流泄漏电流，并由此计算出支路的正对地、负对地绝缘电阻，通过网络将测量结 果上传至主控p c 。 主控p c 完成定值的下达、绝缘曲线查询、故障统计、用户管理、数据备份、人 机对话等功能。 2 1 3 直流漏电直测法误差大的原因 直流漏电直测法存在测量死区，且测蠡误差相当大，它在原理上假设正、负母线 对地绝缘均是m ，面实际上正、负母线对地绝缘电阻不可能为无穷大，所以无对地偏 置电阻是不能准确测量支路对地电阻的。且直流系统在长期投运后，往往正、负对地 绝缘都均衡下降至较低水平，使直流系统对地绝缘水平较低时在一点接地的情况下会 引起继电器误动，在湛江发电厂将一精确的1 0k f l 电阻作为接地电阻接入回路，装置 测出的接地电阻为1 5k q ，误差达5 0 ，因霍尔宣流微电流传感器测量的电流大小必 9 华中科技大学硕士学位论文 须大于l o r n a ，所以用直流漏电直测法测量对地绝缘电阻时，测量的绝缘电阻必须小 于3 0 k q ，所以需要通过以下几个手段来提高测量精度和测量范围： 1 ) 添加正对地偏置电阻和负对地偏置电阻，可精确测出直流系统的正对地和负对 地绝缘： 2 ) 将负荷的一次侧增加线匝，从而在一次侧增加泄漏电流，在绝缘电阻的计算过 程中再除以相应倍数，这样就解决了传感器的测量灵敏度问题； 3 ) 将传感器的测量信号就地数字化，避免了微小的测量信号受现场的干扰1 捌。 2 1 4 一点接地引起继电器误动的原理 一： 图2 1 一点接地引起继电器误动示意图 众所周知，直流系统正、负极对地都存在分布电阻，如图2 0 ! 所示。当a 点发生 金属性接地时，其等值电路如图2 2 所示，图中r t q 为跳闸继电器t q 的等效电阻。 图2 2 一点接地等值电路图 1 0 华中科技大学顽士学位论文 从等值电路上看，只要等值电阻r t 0 上的分压超过电压的动作电压则继电器会误动 假设正、负极对地均衡下降，即r l + = r l 一= r ，当r 、 r t q ，则r l + 2 r t q 时，数字式电压型继电 器才不会误动作，而当r 9 6 k f j 时，现有的直流绝缘监铡装置大都不能报警，但这种 缺陷可能引起继电器误动作。为了防止这种故障的发生，就必须保持直流系统正、负 对地绝缘保持高于9 6 k q 的水平，考虑到一般电厂的直流母线电压都高于2 2 0 v ，就要 求正、受母线对地绝缘都保持高于 0 0 kq ，只有这样，在发生一点揍地时，才不会引 起继电器误动1 “。 2 1 5 偏置电阻的选择和使用 使用这种方法测量直流系统对地绝缘电阻后，能及时发现绝缘缺陷，防止直流系 统绝缘水平较低时一点接地引起继电器的误动作。但标准电阻不容易选择。如果选择 得不好，轻则测量结果不准，重则会扩大故障。这是因为待测量系统本身就存在绝缘 电阻降低的故障，如果标准电阻选择不当或使用不当，就会引起继电器的误动作。如 前所述，当直流2 2 0 v 系统母线正、负对地绝缘低于1 0 0 k0 时，有可能在一点金属性接 地的情况下引起继电器误动作，笔者建议用标准电阻2 0 0 k 进行测量，如有必要提高 测量耪度时。再用标准电阻1 0 0 k q 进行溅量 l s ! 。 2 1 6 直流配电系统对地电阻偏量电路 直流配电系统对地电阻偏置电路如图2 1 3 所示。图中，r 1 、1 1 2 为待测参数，分别 表示直流母线正负极对地绝缘电阻。0 1 、0 2 、0 3 为耐压4 0 0 v 以上的光控开关，主 要用来实现控制信号和被检测电路的隔离：r 3 、r 4 为限流电阻，r 1 0 为分压电阻， c b l 、c b 2 、c b 3 为单片机发出的控制信号。 2 ，1 7 母线正对地电压u 、正对地电压u 一、极间电压u 的测量 当c b l 为高电平，c b 2 、c b 3 为低电平时，0 l 导通，控制母线正极+ k m 通过r 3 、 0 1 、r m 、g n d 产生电流，该电流在徽电流传感器t a i 的二次侧感应出o 5 v 电压， 经多路切换开关送a d 转换器，a f d 转换器通过并行输入输出口与单片机相连，输入 华中科技大学硕士学位论文 单片机算出u + 。 当c b 2 为高电平，c b l 、c b 3 为低电平时，0 2 导通，控制母线负极- k m 通过r 4 、 0 2 、r 除g n d 产生电流，该电流在微电流传感器t a 2 的二次侧感应出o 5 v 电压， 经多路切换开关送a d 转换器，a d 转换器通过并行输入输出口与单片机相连，输入 直流母线一删 图2 3 偏置电阻投退及电压测量电路图 单片机算出u 一。 当c b 3 为高电平，c b l 、c b 2 为低电平时，0 3 导通，通过+ k m 、r 1 0 、0 3 、r n 、 - k m 产生电流，该电流在微电流传感器t a 3 的二次侧感应出0 5 v 电压，经多路切换 开关送a d 转换器，a d 转换器通过并行输入输出口与单片机相连，输入单片机算出u 。 2 1 8 母线正对地电阻r 1 、负对地电阻r 2 的测量 设r 1 2 = r 3 4 - r p l = r 4 + r z 2 ，图2 4 为在直流母线正极接入测量电阻r j 2 时的示意 图，其等效电路图如图2 5 所示，图中的u 、u + 根据上节的方法测量得出，由此可列 出方程式式2 1 ： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 尝；：望一 ( 2 1 ) 篇篇+ r 2 图2 4 在正极接入测量电阻r 1 2 的直流系统示意图 图2 5 正极偏置电阻接入等值电路图 图2 6 为在直流母线负极接入测量电阻r 1 2 时的示意图，其等效电路图如图2 7 所 示，图中的u 、u 根据上节的方法测量得出，由此可列出方程式，如式2 2 所示： 旦二： 望 ( 2 - 2 ) r 2x r 1 2 r 2 x r i 2 。r 1 只2 + r 1 2r 2 + 殿2 式中u 、u + 、u 、r 1 2 为已知，联立两个方程求解，即可得到母线对地绝缘r 1 和r 2 。 2 1 9 负荷支路对地电阻的测量 图2 8 所示为支路对地绝缘示意图，t a l 测量的是支路的合成泄漏电流1 3 ，在直 流母线正极接入测量电阻r 1 2 时： 华中科技大学硕士学位论文 1 3 1 11 2 旦一u - u + 皿+皿一 在直流母线负极接入测量电阻r 1 2 时 上口r r 1 2 u 一 图2 6 在负极接入测量电阻r 1 2 的直流系统示意图 图2 7 负极偏置电阻接入等值电路图 ( 2 - 3 ) 华中科技大学颈士学位论文 - k m 直流母线 图2 8 直流系统支路绝缘示意图 1 3 ：，1 一，2 u - u - 生 丑+皿一 ( 2 - 4 ) 据已测得的u 、u + 、u 和1 3 、1 3 ，( 2 3 ) 、( 2 4 ) 式联立方程可计算出r l + 、r l 一， 这样就可测出每个支路的正对地、负对缝电阻【1 3 1 。 2 1 1 0 数字式微直流电流互感器原理 传统的直流泄漏电流互感器有：霍尔电流互感器、比相式微电流传器，这些传感 器的二次输出均是模拟量，若需转换为数字信号还需使用a d 转换器，即增加设备成 本，又使电路相当复杂，传感器在直流监测系统的使用量相当大，为了简化电路和降 低成本，本文采用文氏电路将一次侧的泄漏电流转化为二次侧的频率信号，单片机的 计数器很容易将此频率信号转化为数字信号删。 如图2 9 所示，其电流检测敏感部件是一个线圈l x 。 线圈是文氏电桥振荡电路中的一个重要部件，被测支路馈电电线从线圈的中心穿 过当某个馈电支路直流回路中的合成直流电流变化i 时( 所产生的磁通量变化为 华中科技大学硕士学位论文 中，同时线圈电感变化为a l x ) ，则引起振荡电路的振荡频率就会改变a 厶通过检测出振 荡频率的变化量af , r 可计算出相应线圈中流过的合成直流电流值大小。 图2 9 检测微直流电流的振荡电路原理图 实际测量数据表明：通过线圈的合成电流与振荡频率在一定频率范围内存在近似 分段线性关系，见图2 1 0 。 线 圈 电 流 m a 振荡频率h z 图2 1 0 线圈电流与振荡频率的关系图 6 华中科技大学硕士学位论文 由于对采样电流值的准确度要求一般( 误差不大于3 ) 。敌采用分段插值计算法， 该方法预先测试出振荡频率与线圈中合成电流之间的关系，对实测曲线进行分段线性 化以得到不同段区间的线性方程。在实际现场检测时，根据所测量频率的范围就可以 选择分段线性化方程，以计算出通过线圈的实际故障电流。这种处理方法简单实用， 可以满足实时电流检测准确度与速度的要求。 所研制的数字式传感器是通过检测各馈电支路中直流回路的不平衡电流，来检查 电气负载馈电线路是否出现绝缘故障及其严重程度。绝缘故障测量的基本方法是通过 振荡电路，把直流电流的测量转化为测量频率。这样就不需要模数转换芯片，检测 电路简单、可靠、实时性好，便于单片机进行频率采样及数据处理。当通过线圈中心 的不平衡电流变化时，振荡电路的振荡频率就会发生改变，单片机通过测量输入信号 频率就可以计算出不平衡电流值。 数字式传感器的单片机根据不平衡电流i 与振荡频率f 的关系曲线方程来计 算电流值，然后通过f f 总线与上位机监测模块a 或就地监测模块b 进行通讯，模块a 或模块8 通过f f 总线最多可以带1 2 8 个数字式传感器i “i 。 因绝缘检测要求的数据采样速度不是非常高，且在发电厂的集控室和高压厂用配 电室等场所，最末梢的负荷分支断路器的间距在2 0 5 0 米范围内，使用数字式直流 泄漏电流传感器的最大优点是大大减少了电缆布线，降低了测量信号的干扰，简化了 就地监测模块的电路设计。 2 1 1 l 绝缘巡测仪原理 便携式直流绝缘测试仪是监测装置的一个组成部分，当直流负荷支路未安装检测 装置，或负荷未端带电查找接地点时，需要使用便携式支路绝缘检测仪，这样可以在 不停电的情况下迅速查找到绝缘薄弱点，它的原理与上述的数字式直流传感器原理基 本相同，在它的基础上人工设定有无偏置电阻和偏置电阻的投退时间，并设计显示部 件，这样在主监测系统正常运行时，使用绝缘巡测仪就可以检测未安装数字式电流传 7 华中科技大”学硕士学位论文 感器的支路，或应用于在设备的电气控制回路中查找具体绝缘故障点。 2 1 1 2 新的直流系统绝缘故障检测判据 目前的绝缘故障检测仪根据母线对地绝缘电阻的绝对值判断对地绝缘故障，母线 绝缘值下降至3 0 k f ) 时报警。本文提出的绝缘故障检测装置判断绝缘故障的判据分为 母线绝缘和支路绝缘两部分，且每一部分都分为绝对值判据和相对下降值判据。由于 采用微机实时检测母线和支路的绝缘电阻值，且采取偏置电阻后可测量的对地绝缘电 阻值升高至5 0 0 k o ，可采取1 0 分钟、i 小时、2 4 小时相对绝缘下降值作判据，这样 就可以在绝缘电阻绝对值降至会引起直流控制系统故障的5 0 0 kq 前提前发现绝缘隐 患，起到预防故障的作用。 用户还可以根据需要调阅相应支路的绝缘电阻值变化曲线，分析判断故障的性质， 比如下雨天气的特征曲线、临时性接地的特征曲线，元件老化的特征曲线等等。 2 2 直流母线及负荷绝缘监测模块的硬件设计 2 2 1 绝缘监测模块a 设计 母线及负荷绝缘监测硬件由模块a 、模块b 及主控p c 组成，模块a 完成直流对 地电阻偏置，根据( 2 3 ) 、( 2 4 ) 式可计算出各支路绝缘。 如图2 1 1 所示，模块a 的单片机c 8 0 5 1 f 2 0 6 t 2 7 i 具有3 2 路可配置的开关量输入输 出或模拟量输入输出接口，分配如下：3 路进行现场总线通讯，3 路进行母线偏置电 阻输出，3 路进行母线电压采样，2 路进行母线电源开关分合闸状态采样，i 路进行报 警输出( l e d ) ，2 4 路进行负荷支路泄漏电流测量。 1 8 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 1 直流系统监控模块a 电路图 如图2 1 1 所示，自恢复保险f l 、f 2 保护电路板过电流，瞬时过电压保护器d 3 防止线路过电压损坏电路板，f f 总线的a b 线间加一个电阻提高传输速度和提高抗干 扰能力，d 1 、d 2 两个瞬时过电压保护器防止线路过电压损坏f f 总线元件。光电耦合 器u 2 、u 3 、u 4 分别驱动母线正极对地偏置、负极对地偏置电阻、母线极间电压测量， a j 发光二极管作为模块的电源指示，模块故障指示、通讯指示、测量参数越限指示， 盯a g 接口作为在线调试用，s w p b 按钮作为手动复归单片机按钮，2 5 头接口j p l 的 1 、2 、3 号线作为测量母线对地电压和母线极闻电压输入用，4 2 5 号线作为测电阻 量2 2 个分支的对地泄漏电流输入用。 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 2 直流系统监控模块b 电路图 2 2 2 绝缘监烈模块b 设计 如图2 1 2 所示，无偏置电阻电路的模块b 实现对各级母线及负荷的绝缘监测和母 线电压、电源开关状态监测。模块b 的单片机c 8 0 5 1 f 2 0 6 。”具有3 2 路可配置的开关 量输入输出或模拟量输入输出接口，分配如下：3 路进行现场总线通讯，3 路进行母 线电源开关状态采样，3 路进行母线备用电源自动投入输出，2 路进行母线电压采样， 3 路进行母线电源开关分合闸状态监测，1 路进行报警输出( l e d ) 。1 7 路进行负荷支 路泄漏电流测量。 图中，自恢复保险f 1 、f 2 、f 3 、f 4 保护电路板过电流，瞬时过电压保护器d 3 、 d 4 防止线路过电压损坏电路板，f f 总线的a b 线间加一个电阻提高传输速度和提高 抗干扰能力，d 1 、d 2 两个瓣对过电压保护嚣蒴止线路过电压损坏f f 总线元件；光龟 耦合器u 2 、u 、u 4 分别驱动母线电源开关跳闸，光电耦合器u 5 、u 6 、u 7 分别驱动母 2 0 华中科技大学硕士学位论文 线电源开关合闸，a i 发光二极管作为模块的电源指示、模块故障指示、通讯指示、测 量参数越限指示，j t a g 接口作为在线调试用，s w p b 按钮作为手动复归单片机按钮， 2 5 头接口j p i 的1 、2 、3 号线作为测量母线电源开关状态用，4 、5 号线作为测量母 线电压用，6 2 2 号线作为测电阻量1 7 个分支的对地泄漏电流输入用。 2 2 3 便携式支路绝缘检测仪的设计 便携式直流绝缘测试仪是监测装置的一个组成部分，当直流负荷支路未安装检测 装置，或负荷未端带电查找接地点时，需要使用便携式支路绝缘检测仪堋。 在数字式直流泄漏电流传感器的基础上，增加显示部分和偏置电阻方式切换开关 即可。 2 2 4 霍尔接地电流传感器选择 由于接地电流较小，一般不超过2 0 m a ，考虑一定余量，本文选用了1 0 0 m a 霍尔电 流传感器。从测试和实际检测的情况看，1 0 0 m a 的霍尔电流传感器完全满足接地检测 分辨率的要求。其主要参数：一次输入电流；0 1 0 0 m a ，二次输出电压：o 5 v ，控 制电压：1 5 3 0 v ；接线方式：一次导线穿心式结构。 本文采用霍尔微电流互感器来测量离监测模块a 或监测模块b 较近，且不需监测 负荷开关分合闸状态的负荷分支，它的优点是成本较低。 2 2 5 数字式接地电流传感器选择 基于文氏振荡电路的数字式接地电流传感器，设计有一个开关量输入接口用于检 测负荷开关的分合状态；一个模拟量输入接口用于检测负荷的电压，当需要检测负荷 的具体电压值时，用一个2 2 0 v 的直流电压变送器将直流2