一种新型的直流接地故障报警电路研究

艾 胜 曾启帆 任 强 徐 荣 陈德鹏

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室1,湖北 武汉 430033；江苏大全集团2，江苏 扬中 212200)



一种新型的直流接地故障报警电路研究

艾 胜1曾启帆1任 强1徐 荣2陈德鹏1

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室1,湖北 武汉 430033；江苏大全集团2，江苏 扬中 212200)

为及时、有效地进行直流接地故障报警，提高变频系统的可靠性，提出了一种基于电桥平衡法的新型直流接地故障报警电路。通过改进电路结构，采用小阻值的检测电阻，减小了电路体积且降低了成本。该电路在实现在线监测直流接地短路故障的同时，不会降低系统的绝缘性，具有较强的实用性。搭建了仿真模型，对电路进行验证，并制作实际电路进行了试验，验证了电路的有效性。

变频器 检测电路 电磁兼容 接地故障 电桥平衡法 在线监测

0 引言

直流系统单极接地是变频系统常见的绝缘破坏故障，若不能及时发现，当出现多点接地时，极有可能造成更严重的短路故障，导致设备损坏。此外，故障会对系统的电磁兼容性产生影响，从而影响系统的可靠运行。因此，及时、有效地进行直流接地故障报警对提高变频系统的可靠性非常必要[1-2]。

目前，对于接地故障检测的研究方兴未艾。国内外常见的接地故障检测方法主要有交流信号注入法、直流漏电流法、电桥平衡法等[3]。交流信号注入法(简称交流法)[4-7]和直流漏电流法检测法(简称直流法)[8-10]都存在体积大、部件多、成本高的问题。交流法需要注入低频信号，这样会对系统产生影响，且无法完全解决分布电容对其的影响。直流法需要频繁切换接地电阻，容易造成误保护动作。

电桥平衡法通过一个桥式电路阻值的变化来检测接地故障[11]。该方法结构简单，无需信号发生器和传感器等器件，成本低，且测量与分布电容无关，适用于各功率等级变频器。电桥平衡法要求检测电阻的阻值非常大。本文提出一种新的接地故障报警电路，大大减小了电阻阻值；通过各方面改进，进一步降低了成本、增强了实用性。

1 电路方案

1.1 传统的平衡桥式接地故障检测电路分析

传统的平衡桥式接地故障检测电路如图1所示。

图1 传统接地故障检测电路

正常情况下，P-N之间连接2个电阻R1和R2，由于电阻R1和R2的阻值相同，2个电阻上的电压均为母线电压的一半，此时检测电阻Rs两端仅有漏电流产生的压降(一般较小)。当P极发生绝缘故障时，也相当于图1中的开关S闭合，也相当于在P极与地之间接了1个小电阻R3。此时，由于电桥平衡被打破，电阻Rs上电压发生变化，通过检测Rs两端电压变化就能检测出绝缘故障。同理可知，当N极发生绝缘故障时，过程相似。不同之处是，P极发生绝缘故障与N极发生绝缘故障在检测电阻Rs上的电流相反，导致Rs两端电压不同，所以PLC必须对电压方向进行判断。

当P极发生绝缘故障，其电路方程为：

(1)

为便于理解，方程式中用(R3+Rs)//R1表示R3和Rs电阻串联后与R1的并联电阻值。根据以上电路方程，即可实现所需的绝缘报警电路设计值。

传统的平衡桥式接地故障检测电路存在以下问题：

①由于漏电流检测电阻Rs的接入，系统绝缘电阻仅为R1+Rs，为保证检测精度，电阻一般在100 kΩ以内。该电阻的引入导致系统绝缘降低。

②当发生P极对地短路或者N极对地短路的极端故障时，电阻R2或者R1要承受整个直流母线电压，功耗较大，因此选用的R1和R2的功率和体积较大，成本也较高。

1.2 接地故障报警电路

基于平衡电桥法的接地故障报警电路原理图如图2所示。

图2 接地故障检测电路原理图

正常情况下，P-N之间母线电压通过R1、D1、R4及D4路径对电容C1与C2充电。当充电结束后，忽略二极管正向压降，C1与C2两端的电压均约为母线电压的一半，此时检测电阻Rs两端没有电压。下面用开关S模拟P极发生接地故障。用R5模拟接地电阻，当P极对地绝缘发生问题时(S闭合时)，图2电路的等效电路如图3所示。P-N之间通过接地电阻R5、检测电阻Rs、R4及D4路径对C2进行充电，C1通过D2、R2、R5与Rs路径放电。随着C2充电与C1放电的进行，流过Rs的电流逐渐减小，其两端电压也随之减小，当C2充电与C1放电结束后，C2电压为母线电压，C1电压为0 V。此过程中，Rs流经电流变化明显，因此通过检测Rs两端电压变化就能检测出接地故障。由于图2中左右电路的功能是对称的，同理可知，当N极发生接地故障时，过程相似。不同的是，此时C1进行充电、C2进行放电，并且流过检测电阻Rs的电流与P极发生接地故障时的电流方向相反。P极接地故障等效电路原理图如图3所示。

图3 P极接地故障等效电路原理图

以图3电路为例，P极接地故障发生瞬间的电路方程如下(忽略二极管的管压降)：

(2)

通过式(2)可以解得检测电阻两端电压Us为：

(3)

由于R2与R4相同，C1与C2相同，因此，R2与R4上的电流变化趋势一样。

在实际设计时，本电路中接地故障设定的阈值为130 kΩ，即当对地绝缘电阻R5≤130 kΩ时，认定推进变频器发生接地故障。故障时,检测电压在2～5 V范围内。为了方便后续电路对检测电压的处理，选取Rs=1.1 kΩ。根据上述电路原理，当Us>2.28 V时，表明P极发生接地故障。同理，当Us<-2.28时，表明N极发生接地故障。

1.3 绝缘电阻电压检测电路

绝缘电阻电压检测是实现接地故障检测的另一个关键部分。该部分电路将接地故障信号处理并转换为光信号，便于上位机接收报警。为了防止前端监测电路故障对后端电路的影响，在检测电压Us两端接二极管进行保护。由于Us方向有正负，并且考虑将电压钳位在2.5 V左右，因此在Us两端正反向，分别将4个二极管串联连接。

检测电路采用MC33161芯片，以实现正过压和负过压监测。

限定值U1与U2可以由式(4)与式(5)求得，将引脚输入设置为负过压监测，限定值U3与U4可以由式(6)与式(7)求得。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Uth1与Uth2为芯片内部比较器的门槛电压，均为1.27 V；UH1与UH2为芯片内部的滞回电压。

检测电路中还采用了SN55451B光纤驱动芯片(包含2个与门通道)，这里只用1个通道。当发生接地故障时，输出低电平，光纤头发光，以此作为报警信号传给主控制器。

2 仿真分析

为验证提出电路的可行性和有效性，在PSCAD软件平台上搭建了接地故障报警仿真电路模型。P极绝缘故障的仿真结果如图4所示。

图4 P极接地故障仿真图

图4(a)中，实线代表Us，虚线对应检测输出信号Uout发生跳变的时刻。而Uout具体波形如图4(b)所示。接地故障发生瞬间，Us=-2.25 V，小于设置的-1.9 V阈值。Uout开始为低电平，之后随着C2充电和C1放电，Us的绝对值开始逐渐减小，直到Us>-1.82 V，Uout变为高电平。从时间对应关系可看出与原理分析一致，Uou维持低电平的时间为8 ms左右。

在正常情况下，检测电路输出信号Uout为高电平，光纤头不发光；当发生接地故障时，Uout为低电平，光纤头发光，发出接地故障报警信号。

3 试验验证

为了进一步验证接地故障报警电路的正确性，制作电路板并搭建相应的试验平台进行验证。试验中，利用接地电阻R5和开关的闭合来实现接地故障的产生。这里仅测量检测电阻Rs的两端电压Us与MC33161的输出电压。

令R5=120 kΩ，从试验波形可知，当P极发生接地故障时，检测电阻Rs两端电压Us波形、检测电路输出信号Uout与图5一致。Uout持续一段时间的低电平，证明此电路能够满足P极接地故障报警要求；当N极接地故障时，Uout同样持续一段时间的低电平，证明此电路也能够满足N极接地故障报警要求。

4 结束语

变频器的接地故障检测关系到系统运行的可靠性。基于电桥平衡法，改进了故障检测电路，增大了检测电容，减小了检测电阻的阻值，使得电路更加小巧；减小了故障时各器件承受的功率，增加了电路寿命。从理论分析、仿真结果与试验结果可以看出，本文所设计的接地故障报警电路能够同时满足P极接地故障与N极接地故障要求，表明此电路方案正确可行。该电路体积小、成本低，在实现在线监测直流对地短路故障的同时不会降低系统绝缘，具有较强的实用性。

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[5] 李辰月.直流系统接地故障线路检测与故障点定位的研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2015.

[6] 陈建贵,郭冬雪.电力系统中电气设备接地技术分析[J].电子技术与软件工程,2016(7):236.

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[11]田伟达.直流系统接地故障检测方法的研究[J].东北电力大学学报,2011,31(1):65-68.

Research on a New Type of Alarm Circuit for DC Grounding Fault

In order to timely and effectively implement alarm for DC grounding faults, and improve the reliability of the inverter system, a novel DC grounding fault alarm circuit based on bridge balance method is presented.By modifying the circuit structure, and adopting small value detection resistor, the volume is decreased and the cost is reduced.The circuit provides high applicability because in online monitoring of DC short circuit to ground, the systematic insulation is not deteriorated.The simulation model is built for simulation verification, and practical circuit is fabricated for tests to verify the effectiveness of the circuit.

Inverter Detection circuit Electromagnetic compatibility Grounding fault Bridge balance method Online monitoring

国家自然科学基金资助项目(编号：51490681)；

国家973基金资助项目(编号：2015CB251004)。

艾胜(1985—)，男，2009年毕业于海军工程大学电气工程专业，在读博士研究生，助理研究员；主要从事大容量电力电子变换技术的研究。

TH86;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611026

修改稿收到日期：2016-05-05。