基于改进不平衡电桥的直流系统故障检测研究

李玮， 赵攀， 赵丽杰

(江苏大唐国际吕四港发电有限责任公司，江苏 启东 226200)

0 引 言

直流系统在保障变电站和发电厂的安全稳定运行方面起着至关重要的作用,其供电可靠性直接影响了整个变电站乃至电网的运行安全。随着电网的不断发展，电压等级不断提高，对直流系统也提出了更高的要求[1-2]。

直流系统接地和交流窜入是变电站内最常见的2种故障类型[3-6]。针对直流系统的接地故障检测，目前常用的方法有交流信号注入法和不平衡电桥法。交流信号注入法采用在直流系统母线和大地之间注入低频交流电流信号,查找接地故障来实现接地监测。该方法简单,易于实现。其缺点是检测结果受系统分布电容影响较大[7-9]。不平衡电桥法根据电桥原理，通过控制开关通断，将2个数值相等的电阻分别投切进电路实现接地电阻测量，但功能相对单一，经济性有待提高[10-11]。

交流窜入故障的检测包括差分电压法和隔直电容法。差分电压法通过在直流母线正/负极和大地之间接入交流电压采样电路，由采样数据进行计算和判断[12-14]。隔直电容法基于电容具有“隔直通交”的作用，通过在直流系统正极或负极对大地之间设置一个含有电容的电路隔离直流电压[15-17]。上述方法大多是对于直流系统定性的分析，而无法实现定量检测。

为实现对直流系统接地故障和交流窜入故障的综合检测，本文基于传统不平衡电桥法和隔直电容法提出了改进的不平衡电桥法，并通过理论分析和硬件平台试验验证了所提方法的有效性和可行性。

1 IUB法

IUB改进不平衡电桥法的检测原理图如图1所示，+KM和-KM为站内直流母线，后级电路为IUM电路拓扑。为便于分析，通常取R1=R4，R2=R3，R7=R8。当K3～K5闭合时，R1～R8组成了传统不平衡电桥，通过测量K1、K2交替通断对应拓扑下R2两端的电压U1，可计算正级接地电阻R+和负级接地电阻R-的阻值。K1～K3均保持断开状态，当K4断开、K5闭合时，测量R2两端的电压U2，可计算得到负极交流窜入电压值；同理，K4闭合，K5断开时可得正极交流窜入电压值。

图1 IUB电路原理图

利用IUB电路检测直流系统接地电阻和交流窜入电压的实现步骤如表1所示，其中“1”表示对应开关闭合，“0”表示断开。

表1 IUM检测步骤

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

通过式(1)～式(7)求解，可得正负接地电阻。

(8)

(9)

(10)

(11)

2 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink对当直流系统故障进行了仿真分析。直流系统运行时，当接地电阻值低至30～40 kΩ时，认为系统发生了接地故障。

本次仿真在设置正母线接地电阻为10 kΩ，负母线接地电阻为15 kΩ。直流系统额定电压分别为48 V和110 V，元件参数如表2所示。

表2 元件参数

表3 电压测量值

将表3中测量值代入式(1)～式(11)，可得故障检测参数,如表4所示。

表4 仿真结果与误差

同理，110 V直流系统测量值见表5，仿真结果与误差分析见表6。

表5 电压测量值

表6 仿真结果与误差

由表4和表6结果可知，该方法可有效应用于直流系统接地故障及交流窜入故障的检测。在48 V DC系统中，接地电阻检测误差小于0.250%，交流窜入检测误差小于0.150%。110 V DC系统下的接地电阻检测误差小于0.060%，交流窜入检测误差小于0.160%。

3 试验验证

根据上述检测方法，在实验室搭建改进不平衡电桥电路实物模型，元件参数采用表2中48 V系统对应参数值，测量结果如表7所示。

表7 硬件平台验证测量值

同上文，将上述实际测量值代入式(1)～式(11)，计算得出接地电阻和交流窜入值，结果如表8所示。

表8 硬件平台验证结果与误差

由表8可知，该检测方法得的正、负母线接地电阻和交流窜入值与实际预设值的误差均小于5%，能较为准确地反映出直流系统存在的接地或交流窜入故障。

4 结束语

本文基于不平衡电桥和隔直电容原理，提出了改进不平衡电桥法。通过MATLAB/Simulink软件仿真和硬件平台验证了该检测方法的合理性，接地电阻和交流窜入的检测精度满足直流系统运行要求。