间接零点漂移消除法的直流系统绝缘监测研究

钱烈江，李长云，徐 曦，2，崔兆蕾

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南 株洲 412000;2.湖南省智能信息感知及处理技术实验室,湖南 株洲 412000)

0 引言

绝缘性是直流系统稳定运行的重要指标，其优劣直接关系到变电站、发电厂和铝电解等需要直流系统场所的正常运行[1-5]。在直流系统中，支路单点接地为频发性绝缘故障，其对直流系统的影响较小，即便发生，直流系统也能正常运行。但是若没有及时发现，当其他支路也发生接地线故障时，几个接地点通过地端形成信号回路，会导致多点接地的严重故障，引发短路和保护装置误操作。因此，对直流系统接地故障的及时发现和定位显得尤为重要[2-3]。

针对以上问题，本文提出一种新型、有效的间接零点漂移消除法，以及时发现故障支路。该方式是对以往几种传统方法的改进与结合：通过单个采样电阻对正负母线的交替投切，获得直流系统的两个瞬态；通过对获取的瞬态值进行建模对比分析，计算出电路的漏电流和绝缘电阻阻值。在此，采用单个电阻的投切是为了减少电阻在投切过程中对直流电网系统电压的波动。该方式可消除直流系统中电容的影响，及时、准确地定位单个或者多个故障支路，并且有效消除传感器的零点漂移和温漂的影响，排除它们引起的误报和漏报，提高监测的准确度。

1 间接零点漂移消除法原理分析

直流系统的绝缘监测大致分为三类：变频探测法、直流漏电流法和电桥法[6-8]。变频法是向直流系统里注入低幅值、低频率的交流信号，但是这样做会造成直流电网络的波动，增大其纹波系数，影响电网质量。另外，受电网中其他谐波信号和对地电容的影响，很难直接定位到故障的发生点，需要排除其他同频率注入信号的干扰信号，并从对地电容中找出电阻性电流[2,9]，以确定真实的绝缘电阻。直流漏电流法是一种简单的巡检定位方式，通过检测直流系统中支路对地漏电流是否平衡来判断接地支路的绝缘性。但由于漏电流本身很小，难以测量，影响了检测的准确性和灵敏度。电桥法通过在正负母线对地绝缘电阻上并联电阻，形成平衡电桥。利用平衡电桥原理，若支路一端发生接地故障，会导致电桥不平衡，从而发出漏电警告[10-11]。但是当正负母线对地绝缘电阻的阻值因故障变小时，由平衡电桥原理可知，此时电桥仍处于平衡状态，这就会导致绝缘性故障的漏报。此外，电桥法只能监测母线的绝缘性而无法对故障支路进行定位。

间接消除法是结合电桥法和直流漏电流流监测法改进而产生的监测方式。直流漏电流监测法是对母线电压和检测电阻投切后的支路对地绝缘电阻进行监测[12-15]。由于支路使用的套装传感器存在较大的零度漂移温漂等影响，所以在此基础上分别向正负母线投切检测电阻后获得这两次电路的母线电压，并通过对支路漏电流和支路对地绝缘电阻值作差后的绝对值进行综合计算。该方法的关键点在于投切电阻时间上的把握，必须做到瞬态变化。电流传感器的基准零点值I0是关于时间和温度等因素的非线性函数。当投切时间极短，就可以看成是一个固定的常数，所以可以忽略两次投切变化中传感器基准零点漂移量的影响，以及零度漂移对直流系统支路对地绝缘电阻阻值的影响，保证了检测的精确性。

(1)

1.1 母线绝缘电阻的建模分析

在尽量减少对直流系统影响的情况下，分别交替地向母线正负极投入检测电阻。在实际应用中，直流系统多采用两段单母线的接线方式，在此只截取一段进行分析。直流系统母线接线原理如图1所示。

图1 直流系统母线接线原理图

图1中：Rx+、Rx-分别为直流系统中支路对地的绝缘电阻；Um为正负母线间电压；Um1+、Um1-分别为m母线的1#支路的正极和负极对地电压；Im1+、Im1-分别为1#支路正极母线流入负载和负极母线流出负载的电流值；R为投入的检测电阻。

假设电子开关定时闭合S1和S2，根据传统的绝缘电阻计算：

(2)

当S1打开、S2闭合时:对地电压表Um+是母线对地电压而非绝缘电阻对地电压；而Um-是检测电阻R两端的电压。在实际情况下，Um+明显大于Um-，因此式(2)中母线对地绝缘电阻值是不准确的。本文采用电子开关定时自动切换S1和S2。当S1闭合、S2打开时，正极母线接入检测电阻等效电路如图2所示。

图2 正极母线接入检测电阻等效电路图

(3)

当S1打开、S2闭合时，负极母线接入检测电阻等效电路如图3所示。

图3 负极母线接入检测电阻等效电路图

(4)

(5)

1.2 漏电流传感器零点漂移的抑制

当直流系统发生接地故障时，为尽快缩小故障的范围、提高对接地故障的快速响应，本文对传统的支路检测方式作了改进。系统正常运行时，如图1所示，I1+=I1-,传感器漏电流之差为零，系统不报警。但是在支路漏电流检测中，通常会忽略传感器的零点漂移。传感器测得的漏电流为：

Imx=Imx+-Imx-

(6)

式中：Imx+和Imx-分别为x支路正负极流进和流出的漏电流。当支路绝缘性发生故障时，Imx不为零，但是又忽略了零点漂移变化这一微弱的量。根据欧姆定律，可知测得的绝缘电阻值将会有很大的误差。真实的传感器漏电流是：

Imx=Imx+-Imx-+I0

(7)

传感零点漂移的影响因素有很多，但是在实际应用过程中可以发现，温度是最重要的影响因素。由于温度具有不会瞬时变化这一物理特性，本文采用两次很短时间内交替投切的方式检测电阻。对所获得的两组漏电流量取绝对变化，由于时间很短，可以忽略这时间内变化的环境因素，因此传感器基准漏电流f(I0)的变化可以看作常数。根据基尔霍夫定律，可知两次测得的传感器漏电流分别为：

(8)

由式(8)可知，当两式作差，可以间接地消除传感器漏电的影响：

(9)

(10)

1.3 支路绝缘电阻值的建模分析

由前文分析可知，计算机获得的母线绝缘电阻值Rx、Ry只能判断母线对地的绝缘情况，无法判断支路发生的接地故障。为及时掌握直流系统中每条支路的绝缘状况，需要在每条支路中安装套装漏电流传感器，从而获得本支路的漏电，进而推算出本支路的绝缘电阻值大小，并实现支路故障的及时定位。

在图1的直流系统接线模式下，假设1#支路正负极同时经绝缘电阻接地，此时等效电路图如图4所示。当电子开关闭合S1时，I1+和I1-分别为支路正负极接地漏电电流，微机检测出此时的母线间电压Um、检测电阻端电压Um+、漏电流传感器I1。

图4 支路正极母线接入检测电阻等效电路图

(11)

同理，当电子开关闭合S2时，支路负极母线接入检测电阻等效电路如图5所示。可得此时检测电阻R端电压Um-，漏电流传感器漏电流I2。由于两次切换时间很短，可以忽略母线电压的变动。

图5 支路负极母线接入检测电阻等效图

(12)

联立式(11)、式(12)，可得：

[Um-(Um++Um-)]

(13)

可得：

(14)

当2#支路发生正极R2+单极接地时，计算机同样可以测得两组母线间电压Um，检测电阻分别接正负母线时端电压Um+和Um-，以及两种情况下传感器漏电值ΔI。

(15)

在直流系统绝缘故障中，多点接地是最严重的情况。当发生多点接地时，绝缘系统是否能正常工作，是直流系统绝缘保护的重要参考点。

经过以上的分析，该检测方式同样适用于2点以上支路同极性同时接地检测。所以，当支路发生多点同时绝缘性下降的时候，式(14)同样适用，也能够检测出所有的故障支路。

1.4 绝缘电阻的选择

本文采用的非平衡电桥，以换极接入的方式检测电阻。电阻的投切过程会影响正负极电压的波动。切换电阻越小，电阻波动越大，检测越灵敏；而电压的波动大小将直接影响该二次保护装置的判断角度。根据直流系统继电保护与安全事故防范措施中的相关规定，二次保护装置动作值(如继电器，光耦合器等元件的保护动作电压)设计范围为0.55～0.7 V，所以继电器等保护装置两端电压最大值要小于0.55 V[16]。为了满足检测的准确度要求，必须将对地电压幅值变化控制在5%U。根据以上的要求，可以求出：模拟接地绝缘电阻的报警阀值为25 kΩ；220 V直流系统中切换电阻的阻值是80～120 kΩ；110 V直流系统切换电阻值是40～60 kΩ[16]。

2 试验验证及结果分析

根据图1网络结构搭建回路进行模拟测试，对本文提出的检测方式进行验证。漏电流传感器需具备精度高、不受线路分布电容影响的特性。漏电流传感器的量程通常是0～10 mA，精确度有0.5级和1.0级。因此，本文选择0.5级、5～10 mA的穿心式智能漏电流传感器。根据以上描述，报警阀值为25 kΩ,在模拟试验中分别选择24～200 kΩ范围内的电阻接入正负母线进行模式测试，以验证其是否能准确报警，以及测试误差是否在规定范围内；而投切电阻R选择100 kΩ[16]。

在试验中，首先将母线正负极的绝缘电阻接地,正极分别接入24～200 kΩ的绝缘电阻,负极接入30～200 kΩ的绝缘电阻。母线绝缘测试和支路绝缘测试数据分别如表1和表2所示。

表1 母线绝缘测试

由表1可以看出，采用式(5)计算出的母线对地绝缘电阻的阻值在工业设计要求的5%以内，达到了安全生产的要求。当绝缘阻值偏大时，绝对误差也越大，但是相对误差也在要求范围内。其主要原因还在于检测仪器精度问题，导致了误差被放大。

由表1可知该方式运行的可靠性和准确性。当母线先出现故障时,需要立即检测和定位支路故障，从而排除支路存在的隐患。在支路的模拟故障试验中，将2#支路和3#支路正极分别接入30～300 kΩ的绝缘电阻，电子开关定时的分别接入S1和S2,从而获得不同的直流电压和漏电流。利用式(5)获得间接消除零点漂移后的电阻值，并将其作为判断标准。

由表2可知,在本文的提出的检测方式下，误差范围控制在工业要求的5%以内,符合安全生产要求。随着电阻值从大到小试验,结果中绝对误差和相对误差随之变小。其中主要原因在于当电阻值较大时，电路中漏电流就很小。而漏电流传感器的检测精度是有一定范围，所以导致误差会偏大。由最后一组数据可以看出，当2#直接正极接地时，3#支路对地绝缘正常，电阻可看作无穷大。这种情况下，利用式(15)得到的误差也控制在5%内，证明了该改进方式的可行性。

表2 支路绝缘测试

3 结束语

本文对传统绝缘检测方法进行了改进，提出间接消除法，并着重介绍了采用间接消除法检测接地故障的原理和方式。间接消除法间接地消除了传感器零点漂移温漂的影响，以及实际生产中的误报和漏报。其能够对单点和多点正负母线绝缘同时下降的故障进行监测和报警，并有效地对故障范围进行定位。