直流系统接地故障检测新原理及装置.pdf

第 25 卷 第 1 期1998 年 1 月华北电力大学学报Journal of North China Electric Power UniversityVol.25 No.1Jan.1998直流系统接地故障检测新原理及装置蔡旭(中国矿业大学,徐州221008)摘要针对发电厂、变电所中直流系统绝缘监测及接地故障支路的查找,提出两种新方法双不对称电桥法和支路电容补偿法,前者采用双不对称电桥定量监测各种情况下直流系统的绝缘状况,有效地解决了正负绝缘都下降时不能正确监测系统绝缘的问题,后者采用补偿各支路对地电容的方法,解决了当支路对地电容较大时,准确查找接地支路的问题。研制出了基于新原理的、由单片机控制的自动装置。关键词直流系统绝缘故障检测中图分类号TM 769TP 216发电厂变电所的直流系统是操作信号和保护装置的电源。当直流系统发生一点接地故障时需立即排除,否则再次发生第二点接地就可能会酿成大事故,所以对直流系统绝缘状况进行实时监测,出现接地故障时及时排除是非常必要的。本文在总结国内外同类技术的基础上 1,2,3,4,5,提出一种定能量反应各种情况下直流系统绝缘水平及自动查找接地支路的新方法双不对称电桥法及支路电容补偿法,研制出基于这种方法的由单片机控制的自动装置。1检测原理1.1用双不对称电桥实时监测电网绝缘状态目前发电厂、变电所广泛使用的直流绝缘监视装置是利用一种对称的直流电桥,当直流系统某一极绝缘下降时,破坏了电桥的平衡,通过检测电桥的不平衡程度来反映直流系统的绝缘状况。它只能反映正、负极对地绝缘的不平衡程度,并不能反映绝缘水平,当正负极绝缘均匀下降时,装置失灵,当正负极绝缘不均匀下降但都下降时,装置也不能正确反映正负极绝缘状况。用双不对称电桥可以解决这些问题。图 1 为双不对称电桥法原理电路图,图中Rz、Rf分别代表直流系统正负极对地绝缘电阻,R1、R2和 RJ为桥电阻,R1R2,U 为正负极间电压,UJ为RJ上的电压。当 K 连接到 1 端时,应用戴维南定律可得到等值电路图 2,其中 R=R1R2+RzRfE=R2R1+R2-RfRz+RfU则UJ=UJ1=ER+RJRJ=R2R1+R2-RfRz+RfR1 R2+Rz RfRJURJ(1)收稿日期:1997-05-04。图 1双不对称电桥法示意图图 2等值电路图当 K 连接到 2 端时,同理可得UJ=UJ2=R1R1+R2-RfRz+RfR1 R2+Rz Rf+RJURJ(2)式(1)减式(2)得UJ1-UJ 2R2-R1R1+R2R1 R2+Rz Rf+RJURJ(3)由式(3)得Rz Rf=URJ(R2-R1)(UJ1-UJ2)(R1+R2)-R1 R2-RJ(4)RzRf反映了直流系统对地绝缘状况,通过采样UJ1、UJ2可以利用式(4)定量检测直流系统对地绝缘,无论对于正负极绝缘均匀下降,不均匀下降还是单极接地,式(4)都是正确的。1.2用电容补偿法确定故障支路当直流系统对地绝缘 RzRf下降至 20K?及以下时,认为系统出现了接地故障,需要查找出故障支路。为了检测出是哪条支路发生接地故障,现有技术大多是在接地极注入一检测信号。通常所加信号为低频信号或双频信号,根据接地支路与不接地支路对信号反应的差别来判断故障支路。从一般原理分析,这种接地故障检测装置是可行的,但是对于直流支路上存在着较大的对地电容的系统在实际运行中会出现误发信号问题。直流支路的对地电容一方面是电缆线路本身的分布电容,更主要的是静态继电保护装置的大量抗干扰电容。据文献 6介绍有的 220KV 变电所直流系统对地电容达 70?F,有的 500KV 变电所对地电容达200300?F。理论分析表明,当直流支路对地电容大于 2?F 后,对于经 20K?接地的故障,用注入双频法已基本不能区分出故障支路与非故障支路。当对地电容大于 5?F 后,用注入低频测量电流相位的方法也难奏效。实际应用中,考虑到检测器件本身的误差因素,在支路电容远达不到上述数值时,检测装置就失去准确性,所以必须想办法消除或削弱支路对地电容的影响。电容补偿法是解决这一问题的有效途径之一,其基本工作原理如图 3 所示。设图中支路 i 正极经电阻 RG接地,检测用正弦信号经隔直电容 Cg、开关 K 施加到正母线上,Cz i、Cf i97第 1 期蔡旭:直流系统接地故障检测新原理及装置分别为支路 i 的正负极对地电容。电流传感器上不仅有工作绕组,还绕有一个匝数为 Nb的补偿绕组,补偿绕组一端经补偿电容 Cb接地,另一端接至开关 K 的下端子上。设信号源施加到正母线上的信号电压为 Us,忽略补偿绕组的电阻,则补偿绕组中电流 Ib=j?sCbUs,其中?s=2?fs,fs为信号频率。故障支路中信号电流I?1=I?c+I?R=j?sCziU?s+U?s/RG(5)其中 IcIR分别为对地电容Czi、接地电阻 RG中的电流,设 I1产生的磁势为正,按图3 中补偿线圈的绕向,可知补偿绕组产生的磁势为F?b=-I?bNb=-j?sCbNbU?s(6)支路电容电流 IC在传感器上产生的磁势为F?c=j?sCziU?s(7)若令 Fb+Fc=0即-j?sCbNbUs+j?sCz iUs=0得Cb=Cz i/Nb(8)可见通过适当选取 Cb,可将 Ic产生的磁势补偿掉,从而传感器感应出的信号 I2仅仅反应 IR的状况,这样即可消除支路对地电容的影响。理论上讲,如果每个支路都采用带有补偿绕组的传感器,在故障极上注入一正弦信号,传感器上信号大的即为接地支路。实际应用上由于Cb的选取不可能恰好满足(8)式,所以 I2中不完全是阻性电流,其中还可能存在由于过补偿而产生的感性电流或是欠补偿下的容性电流,这些电流统称为无功电流。当出现高阻接地时,IR很小,无功电流就不能忽略,采用图 4 所示相敏电路,取 US为同步信号,即可将无功电流消除,只剩下阻性分量,这样当直流系统出现接地故障后,只需检测出传感器上有最大阻性分量的支路即为接地支路。图 3电容补偿法示意图图 4相敏电路2QWJB-2 型装置的研制及其工业运行采用上述原理研制出微机直流绝缘监视及接地选线综合装置。装置构成如图5 所示,其中 8098 单片机实施控制及数据处理任务。单态下单片机控制RJ切换,经电压取样电路采样UJ1,UJ2利用式(4)数学模型计算电网正负极对地绝缘电阻,经数码显示器显示阻值。当电网对地绝缘下降至 20K?及以下时,单片机控制继电器动作,将一低频正弦信号注入接地极。98华北电力大学学报1998 年确定接地极是依据正负母线对地电压的大小完成的,红灯亮表示正极接地,绿灯亮表示负极接地。图 5 中同步电压形成电路用来产生相敏电路所需的同步信号。单片机控制多路开关依次处理各直流馈线上补偿型电流传感器传回的信号,采用 1.2 中所述原理找出故障支路。图 5装置构成图QWJB-2 型装置在山东某电厂投入运行,运行结果表明选线准确率 100%,分别用1K?、5K?、10K?、30K?电阻模拟接地,接地电阻测试误差均小于 7%,产品已获国家实用新型专利。3结论本文提出了监测直流系统绝缘及查找接地故障支路的新方法双不对称电桥及电容补偿法,有效地解决了正负绝缘都下降时不能正确监视系统绝缘的问题,解决了查找接地支路时由于支路对地电容过大造成误发信号的问题。文中给出了测定绝缘电阻的数学模型及补偿电容的选取方法。研制出基于新原理的由单片机控制的自动装置,工业运行表明装置工作可靠准确。参考文献1刘景霞,郑国芝.WZJ 型微机直流系统绝缘监测仪.电子技术,1991,24(5):75762庞华,任元恒,陈志业.检测直流系统接地故障点的新方法.河北电力技术,1992,(5):143徐丙垠,张荣伟,薛永端.电力系统直流接地点的探测新技术.中国电力,1993,26(7):56584宁景云.直流接地故障点的监测方法及装置.中国专利,86103090A.1987-02-255陈占芳,明伯羽,姜宝昌.新型直流系统接地巡回检测装置.中国专利,2032325U.1989-02-086张次衡.直流系统接地故障检测装置存在的问题.中国电力,1996,29(7):646699第 1 期蔡旭:直流系统接地故障检测新原理及装置New Principlesand Device for Monitoring DC SystemGrounding FaultCai Xu(China Univ.of Mining&Technology,Xuzhou 221008)ABSTRACTIn this paper,the author proposes two kinds of new technique,double un-balances electric bridges and sub-wire capacity compensation,for monitoring DC systeminsulation and locating grounding faults in pow er plants and substations.The formerquantitatively monitors the insulation status of a DC system in all circumstances by meansof double unbalance electric bridges,thus effectively solves the problem of inaccuratemonitoring of the DC system insulation at the time when insulation of both the positiveand negative buses decreases;while the latter through compensating sub-wire capacity,solves the problem as how to accurately locate the grounding faults when sub-wire earthcapacity becomes comparatively large.Considering these new principals,an automatic de-vice controlled by a single chip processor is developed.Key WordsDC system,insulation,fault monitor100华北电力大学学报1998 年