变电站直流故障检测准确率提升方法研究

盛　炜，雷　兴，徐　楠，孙婕韵，董志赟，刘高原

(国网上海市电力公司检修公司，上海　201204)

变电站直流故障检测准确率提升方法研究

盛炜，雷兴，徐楠，孙婕韵，董志赟，刘高原

(国网上海市电力公司检修公司，上海201204)

摘要：直流接地故障检测不准确的原因主要包括漏电电力互感器(TA)零漂、调用切换时间长、存在分布电容。针对TA零漂，采用不平衡电桥的差流算法进行辨识，对接地电阻及零漂电流进行趋势分析，并制定相应的检修计划。针对调用切换时间长，根据故障前后电流电压的状态量、接地电阻的计算量及三者的电气联系进行故障特征辨识，提出基于逻辑事件驱动的自动巡检模式。针对系统分布电容，设计微小交直流测量元件和基于恒电阻电子电路的负载电路，并实现母线电压的自适应平衡控制。

关键词：接地故障；零漂电流；分布电容；动态调用

直流电源系统是变电站内三大隐蔽工程之一，为一些重要常规负荷、继电保护及自动装置、远动通信装置提供不间断供电电源，并提供事故照明电源[1]。直流电源系统出现异常或故障时，就有可能引起信号装置、继电保护及自动装置、断路器的错误动作或拒绝动作，有可能造成直流电源短路，引起熔断器熔断或快分电源开关断开，使设备失去操作电源，引发电力系统严重故障乃至事故，造成大面积停电。

直流系统出现异常或故障为紧急缺陷，消缺有时限要求，因此，需要快速处理。而220kV及以上变电站规模大，间隔多，若直流系统检测准确率低，则导致排查故障的时间变长，加剧故障进一步恶化的风险；同时也扩大了带电作业范围，影响正常运行回路，可能引发次生事故。因此，迫切需要进一步提高变电站直流故障检测准确率。

1直流接地故障检测不准确的原因分析

变电站直流系统故障检测设备主要有微机绝缘监测仪和便携式接地电阻测试仪。

(1)微机绝缘监测仪：采用的直流电桥法不受分布电容影响，检测灵敏度较高，被微机绝缘检测仪广泛采用[2]。但由于零漂电流的存在，判别时可能误选或漏选[3]。

(2)便携式接地电阻测试仪：微机绝缘监测仪无法判别，或判别出的支路下面细分支路太多，都需要便携式测试仪进一步确认。便携式测试仪采用低频信号注入法，会因系统分布电容过大而误选，且环网方式时会造成支路存在谐波环流[4]。

通过理论推导、现场试验以及历史数据统计分析，直流接地故障检测不准确的原因主要包括漏电电力互感器(TA)零漂、调用切换时间长、存在分布电容。

2零漂电流辨识

2.1辨识方案选优

零漂电流辨识的方法主要有3种：

(1)配合间隔停电检修进行漏电TA的补充校验：优点是发现零点漂移时可以进行相应的校准，甚至更换漏电TA；缺点是增加了运检人员的工作量，安全管控难度大，易造成全局性故障；

(2)装设零点漂移监测系统：定时校验零漂，但是增加设备安装投入的费用，同时安装相应设备也涉及到安全管控难题；

(3)采用差流算法进行辨识：在原有设备和数据的基础上进行算法辨识，只需升级程序；识别漏电TA零漂，同时也排除其干扰、正确计算接地电阻；为漏电TA状态检修提供数据源[5]。

基于安全性、经济性和可扩展性方面综合考虑，采用差流算法进行辨识。

2.2采用不平衡电桥的差流算法辨识

接地电阻检测原理采用电桥法，其原理如图1所示。图1中，Up、Un为正母线和负母线电压；Rb1、Rb2是相同数值的标准电阻，分别固定在直流母线两端，称为平衡桥电阻；RL1、RL2是相同数值的标准电阻，通过继电器投切到直流母线上，称为测试桥电阻；Rx、Ry为待测接地电阻值，图1中接地点电压为零。

图1　接地电阻的不平衡电桥法检测原理

单支路接地等效电路图如图2所示。投入RL2时，支路等效电路如图2(a)所示，此时Up、Un、I0分别取值Up1、Un1、I1。投入RL1时，支路等效电路如图2(b)所示，此时Up、Un、I0分别取值Up2、Un2、I2。Ry和Rx分别为某支路的正母线对地绝缘电阻值和负母线对地绝缘电阻值。

图2　单支路接地等效电路图

不平衡电桥的计算公式如下：

I1-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(1)

I2-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(2)

若存在零漂，为了准确计算接地电阻，需要在测量漏电电流中减除零漂电流Izd。此时式(1)和式(2)分别变为：

(I1-Izd)-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(3)

(I2-Izd)-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(4)

在式(3)和式(4)中存在Rx，Ry和Izd三个未知量，若只发生单极接地时(Rx，Ry中有一个为无穷大)，则式(3)和式(4)为2个方程求解2个未知量，可解。

2.3趋势分析

以支路绝缘及漏电TA零漂的计算值为纵轴，以监测时刻为横轴，生成趋势线(支路接地电阻曲线、零漂曲线)。由图3可知，只有支路绝缘满足单调、缓慢变化的特征才可信。若支路绝缘呈现非单调变化，则弹出告警，提示检修人员排查。例如，潮湿引起的绝缘下降，但干燥后绝缘又上升，此时便呈现非单调下降，检修人员应加强密封措施。

图3　支路绝缘及漏电TA零漂曲线图

2.4状态检修计划

根据电缆绝缘和TA零漂的绝对值及变化速率，制定相应的检修计划，严重问题优先处理，有可能发展为严重问题的应该优先关注。状态检修计划可避免了被迫强停的次数，在检修工作中提前处理多处存在的潜在风险，实现检修工作的前瞻性和经济性。

3动态调用不平衡电桥

3.1基于逻辑事件驱动的自动模式

目前采取的自动模式是基于时间序列驱动，即定期由平衡电桥法切换至不平衡电桥法进行短时检测。当发生正负母线同时接地时，无法快速诊断，必须等到调用不平衡电桥才能诊断。尽管正负母线同时接地发生概率很小，但是影响很大，需要及时处理。

本文提出基于逻辑事件驱动的自动模式，是在正常运行条件下采用平衡电桥法，当发生接地故障后，通过动态分析故障前后测量信息的变化及诊断推理，辨识出可能的误选情况；当平衡电桥法可能导致漏选或误选时，则动态调用不平衡电桥法。该模式根据实际需求动态调用不平衡电桥法，更有效兼顾平衡电桥的快速性和不平衡电桥的容错性，提高了查找速度和容错水平。基于事件驱动的自动模式的校核逻辑流程如图4所示。

图4　基于事件驱动的自动模式

3.2基于归谬法的校核

采用归谬法进行校核，即根据平衡电桥法求得的Rx，Ry反求Up，Un。首先假定所有支路接地电阻计算值为真，然后由计算出的接地电阻参与多接地支路等效计算Up，Un。若计算出的Up，Un和测量的Up，Un不同，则说明平衡电桥法未正确处理零漂电流。不平衡电桥法类似。

支路i正母负母对地电阻分别为Ryi，Rxi， i从1到n，其等效电路如图5所示。

图5　多接地支路等效电路图

其中：负母对地总电阻Rx∑=Rx1//Rx2…Rxn//Rb1；正母对地总电阻。

根据图5可以得：

Up=U·Ry∑/(Rx∑+Ry∑)

(5)

Un=-U·Rx∑/(Rx∑+Ry∑)

(6)

从式(5)和式(6)可知，当某个支路接地电阻计算错误，将导致计算的母线电压与实测的母线电压不同，说明支路存在电桥法无法准确计算的特殊情况。采用归谬法可对特殊情况起到告警作用。

4分布电容的在线监测

4.1分布电容的测量方法

文献[6]提出基于投切电阻来测量分布电容，但该方法受制于功率限制，无法对220kV变电站的分布电容进行测量。本文采用注入低频信号的方法。

有别于采用低频信号查找接地电阻，查找接地电阻必须实时在线监测。而测量分布电容可以每月甚至每季度测量一次，其对直流的扰动可以忽略。

4.2电流测量元件

目前测量微小直流电流和微小交流电流的TA是分开安装，不仅占用屏内空间，而且降低了设备运行的可靠性。本文提出一种微小交直流电流检测TA，同时能检测(AC/DC)微小电流信号。

交直流微小电流检测TA中DC检测采用的磁饱和原理和AC检测采用的磁通感应原理互斥，使用同线圈切换使用减少成本，如图6所示。DC电流传感器启动：K1合上，K2断开，DC电流传感器工作，可选择PWM或ADC输出。AC电流传感器启动：K1断开，K2闭合，AC电流传感器工作。

图6　交直流微小电流检测框图

4.3基于恒电阻电子电路的负载电路

文献[7]提出由检测电桥和修正电桥2个电阻组成的单臂电桥来减少母线电压的变化，但该方法采用固定电阻值会导致适应性差。

本文提出基于恒电阻电子电路的负载电路来平衡母线电压，具有自适应性。当发生电压母线偏移后，采用直流电子负载中的恒阻模式来改善电路，即通过调整通过电子的电流来达到恒阻模式，达到正母负母电压平衡。恒电阻电子负载电路和效果如图7所示。

图7　恒电阻电子负载电路和效果图

4.4母线电压平衡控制

为快速平衡母线电压，采用的控制策略如下。

(1)根据分布电容的大小，计算出实施控制的初始值。

(2)然后根据实际的电压偏移水平实施精确的反馈控制，最终达到正母电压和负母电压平衡。

5结语

随着微机绝缘监测仪的广泛应用，直流故障在线诊断得以推广，但直流系统接地时，绝缘监测仪经常出现误报或漏报。在误报时，即同时选线多条疑似绝缘降低支路，容易误导现场检修人员排查故障，降低带排查效率；在漏报时，因不能及时快速判断和处理一点接地，从而恶化成多点接地造成保护的误动或拒动。

为了快速排查故障点，提高直流接地故障在线诊断的准确性，采用差流法辨识零漂，动态调用不平衡电桥方法兼顾了巡检的快速性和容错性，并在线监测分布电容、自适应平衡母线电压，均有效地提高了直流检测准确率。

参考文献：

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(本文编辑：赵艳粉)

Methods for Improving Substation DC Fault Detection Accuracy

SHENG Wei, LEI Xing, XU Nan, SUN Jie-yun, DONG Zhi-yun, LIU Gao-yuan

(MaintenanceCompany,ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai201204)

Abstract:The inaccurate causes of DC grounding fault detection are analyzed, mainly including zero drift of the leakage TA, long switching time of dynamic invocation, and distributed capacitance. In view of the TA zero drift, the differential current algorithm is used to identify zero drift based on the unbalanced bridge, the grounding resistance and zero drift current are analyzed, and the corresponding maintenance plan is made. For long switching time of dynamic invocation, the fault characteristics are identified according to the logical relationship between state variables such as voltage, current and calculated value such as grounding resistance before and after the fault. Automatic inspection mode based on logic event driven is proposed. In view of the distributed capacitance of the system, the design of the micro AC and DC measuring element and the load circuit based on the constant resistance electronic circuit are designed, and the adaptive control of the bus voltage is realized.

Key words:grounding fault; zero drift; distributed capacitance; dynamic invocation

DOI：10.11973/dlyny201603005

作者简介：盛炜(1983)，男，高级技师，主要从事超高压继电保护自动化工作。

中图分类号：TM63

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)03-0287-04

收稿日期：2016-02-13