直流系统绝缘检测新方法的研究

王松楠，孟宪彬，王怀科，李 勐，余 银

(1.珠海供电公司，广东 珠海市5190003;2.东北电力设计院送电电气，长春130000;3.黑龙江省甘南县电业局调度中心，黑龙江甘南162100;4.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春130021;5.超高压输电公司柳州局，广西柳州545006)

发电厂、变电站的直流系统是一个十分庞大复杂的多分支供电网络，其接地故障率一直排在电气故障率的首位，接地故障种类繁多，情况复杂，对电力系统安全运行有着十分严重的潜在危险。直流系统主要为发电厂、变电站的继电保护、自动装置、信号回路等二次设备提供可靠的不间断电源，还为发电厂有些运行设备提供电力供应，它的稳定直接影响着电力系统中一次、二次设备的正常运行［1－3］。支路接地是直流系统最常见的故障，若直流系统发生一点接地故障后未被即时处理，多种条件将引起装置的可能误动、拒动，以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦解等严重后果。

目前常用的检测方法是低频信号注入法［4－5］(通常为10～30 Hz)，由于直流系统中高次谐波和工频分量等干扰信号的存在，当对地电容大于2uf时，将会导致低频信号被淹没，不易准确测量接地电阻和对地电容值，而变电站的直流系统对地电容往往大于2 uf，这使得低频信号注入法难以准确检测。而漏电流测量法所使用传感器使用的是绝对值测量，由于传感器温漂、零漂及剩磁的影响，漏电流测量方法实现起来还非常困难。国内学者对直流系统接地故障检测做了大量研究，将先进的信号处理方法运用于支路接地电阻的检测［6－8］，尤其是以小波变换为基础的时频分析方法获得广泛的应用，提高了检测精度，但在对地电容较大的情况下，其检测精度还有待提高。文献［6］在小波分析的基础上，以小波熵作为特征参数，建立神经网络检测系统，实现了智能化的直流系统接地故障识别。文献［7］以ARM微处理器进行嵌入式开发设计，提出了基于小波变换的接地故障检测装置实现方案。文献［8］以小波变换和分形理论为基础，利用凹凸度参数和分形维数确定环网接地故障。基于小波变换的检测方法能较好地抑制噪声，但在信噪比低的情况下信号失真比较严重，且存在小波基函数不易选取、计算量大等不足［9－11］。二维线性跟踪器是一种无限冲激响应滤波器，它是根据最小方差原则与梯度下降方法，再经旋转变换得到［13－15］，它具有幅频特性和相频特性，能够提取特定频率的输入信号，并可以得到信号幅值和相位的估计。

本文将基于微商跟踪法检测方法应用于直流系统接地故障检测，将采集到的扰动电压及电流信号进行跟踪检测，分别得到电压微分信号和电流微分信号，从而计算出绝缘电阻值，使用最小二乘法线性拟合［12］，计算出直流系统接地电阻值，从而避开对地电容的影响。仿真结果表明该方法具有实现简单、检测精度高、计算量小、抗干扰能力强的优点，能全面反映支路的运行状态。

变电站的直流系统对地电容往往大于2 uf，它是各个支路分布电容的并联值，而每个支路的分布电容较小。在此条件下，提出了利用暂态电流信号分量的直流接地故障检测方法，当在正负母线上投入检测电阻时，对于绝缘下降的故障支路，传感器将随着绝缘下降的程度而产生大小不同的暂态电流过程。

1 微商跟踪法的物理特征及表达式

实验是在油水两相流实验台完成的，实验系统如图1所示。油、水分别经过油泵和水泵抽出，经电磁流量计计量后进入油水两相混合器，从油水两相混合器出来的油水混合物，流经实验段进行各项数据测量后，进入油水分离器，将油水进行分离并循环使用。

现在电网智能化、自动化的执行过程中对信号的要求不能以统计的概率分析过程的数据，这样的信息只能作为人工判断的参考。智能化、自动化的执行信号应该确保为真值。

电工理论中:电压U－正负母线到地电压，电流I－传感器电流，电阻R－支路绝缘电阻。

该表达式的测量关系是基于绝对值的方式。

微商跟踪法是在母线加上一个扰动信号其表现为:电压－正负母线到地电压改变量，电流?I－传感器电流改变量，电阻R－支路绝缘电阻。

该表达式给出测量关系是基于相对值的方式，它不存在调零电路和放大倍数调节电路。它是以扰动信号的基准点为参考点，解决了绝对值测量的温漂、零漂及直流测量剩磁的影响，从而得到相同的绝缘电阻。

以上是微商跟踪法的基本理论思想，数字仿真及实测均证实了该算法的可行性。公式简单、实用，只用到简单的滤波，没有繁琐的解题及小波分析过程，而得到的结果快速、准确。

2 接地电阻和对地电容参数的关系

由于目前的直流系统存在较大的对地电容，从而影响了接地电阻的检测精度，且容易导致误判。直流系统的对地电容，是由多支路电容并联，装置滤波电容等构成，进而造成直流系统对地电容大的现象。由于对地电容会对扰动信号的电压幅值的上升率有一定影响，这是可以通过延时或根据测量电压上升率来确定的。

由电路定律式(3)，用最小二乘法拟合，可确定支路接地电阻值R和支路对地电容C，接地支路绝缘电阻与支路电容的关系。Ii第i条支路漏电流，Ci第i条支路电容。

经过数字仿真及实测得到的结论为:每条支路的电容较小，对于传感器的电流信号的暂态过程远小于母线的暂态过程，所以传感器支路电容对电流的测量参数没有什么影响。

3 实现直流系统接地故障监测的原理

直流系统绝缘检测过程，首先监测母线绝缘电阻，根据直流系统的绝缘情况选择支路检测，目前的检测技术按照相关标准是直流系统绝缘小于25 kΩ进入检测，而设计技术规程的要求正负母线对地绝缘应不小于100 kΩ，要维持设计规程要求的绝缘指标需要正负母线对地绝缘小于100 kΩ报警，在我们的设计中不是正负母线对地绝缘小于100 kΩ报警，而是支路绝缘小于100 kΩ报警，它是以分辨出支路的绝缘水平为检测目标。直流系统测量高阻值的绝缘参数是较容易的，测量高阻值支路绝缘非常困难，涉及传感器受到10千伏的空间强电磁场干扰，传感器分辨率、温漂、零漂、剩磁的因素影响，支路的漏电流信号微弱到微安级。使用不平衡电桥检测法，组合开关2、开关3、开关4，结合研制的高精度可拆装的直流弱电流传感器作为绝缘检测时(分辨率可达0.01 mA，并在检测前能自动校零)，能准确地测量较高的绝缘值R+、R－。该直流电流传感器对交流信号非常不敏感。因此我们采用不平衡电阻探测法，来精确检测直流母线的绝缘状况。

4 结 论

现在电网智能化、自动化的执行过程中对信号的要求不能以统计的概率分析的数据为依据。智能化、自动化的执行信号应该确保为真值，要么是1否则为0。在一个控制系统中自动化执行的信息可能不只是一个数据，因此涉及到的信息都要确保为真值。

本文提出的基于微商跟踪法的直流系统接地故障检测方法，能直接准确测量出故障信号，从而完成接地电阻和对地电容的联合测量，全面反映出支路的运行状态，为直流系统接地故障检测提供了新思路。该方法与基于小波变换的检测方法相比，在频率成分复杂、强噪声环境下，无需对信号预处理，检测步骤简便，抗干扰能力强，检测精度高。Matlab仿真结果表明该方法计算量小、响应速度快，有较好的实用价值。

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