基于改进电桥法的直流系统接地故障检测方法

蒙 博,马 吉

(国网宁夏电力有限公司检修公司,宁夏 银川 750011)

直流系统是电力系统中独立设置的部分，主要由蓄电池组、充电设备、直流屏和馈电网络等直流设备组成，其主要作用是向电力系统内继电保护装置、自动装置、信号回路等二次设备供电。为了满足电力系统稳定运行的要求，应保证直流系统在任何情况下都能可靠和不间断地向其用电设备优质供电[1-2]。

直流系统中最常见的故障是一点接地。一点接地对系统稳定运行影响并不大，但是一点接地可能会发展为多点接地故障，当复杂的保护回路中出现此类故障时，会导致继保装置的误动、拒动，情况严重时还会损坏由直流系统控制的一次设备，最终造成整个电力系统的瘫痪[3]，为了防止故障扩大化，工作人员要迅速查找故障点并采取措施处理故障[4]。目前直流系统常用的接地故障检测方法有平衡电桥法、信号注入法、漏电流法。上述各种方法均有明显的不足，因此提出一种新的改进电桥法的直流系统故障检测方法，该方法的核心优势是能够规避检测存在死区的问题，而且可以消除接地电容对故障点检测的影响，有效防止保护误动现象。

1 传统直流系统接地故障的检测方法

1.1 传统的平衡电桥法

传统的平衡电桥法应用时间较长，其优点在于原理简单，检测装置易于实现。其主要通过平衡电桥去检测直流系统正负极母线对地的绝缘情况。如图1所示，正常情况下，电桥中流过继电器线圈的电流非常微弱，继电器不会动作。当正极或者负极的绝缘下降时，电阻R+或者R-的数值发生变化从而导致电桥的不对称，流过继电器线圈的电流增大，继电器检测到大电流动作。按照上述原理分析，传统的平衡电桥法无法检测出正极以及负极对地绝缘的同时下降，即R+和R-同时按比例下降，电桥平衡虽然未被破坏，但直流系统实际出现了接地故障[5]。

由于直流系统回路的复杂性，该方法已经不能保证检测的快速性和可靠性。传统的平衡桥检测法需逐一断开各个支路来确定故障支路的位置，在多数情况下大量的拉合闸操作容易引起新的故障，同时对于部分重要支路是不允许进行拉路测试的，所以，传统的平衡电桥法适用于控制、继保、自动装置等回路简单，支路数较少以及对供电可靠性要求不高的小电站。对于大型变电站，该方法起预警故障的作用，具体的查找检测故障还需要其他方法。

图1 传统的平衡电桥法

1.2 交流检测法

交流检测法主要包含低频信号注入法和变频信号注入法。

(1)低频信号注入法主要依靠钳形电流探头或者直流回路里面的传感器来检测。如图2所示，当系统已经检测到接地故障时，通过隔直电容向直流系统输入低频信号，随后通过检测该低频信号传递中变化的特征来判定故障的位置。

图2 低频注入法原理

(2)变频注入法是在直流母线注入两个幅值相同但频率不同的低频信号，让其交替出现。直流系统出现接地故障时，每条支路检测到的低频信号的幅值会比系统正常稳态运行时的幅值大。变频注入法可以改善隔直电容对检测精度的影响，但是无法改善对地电容和接地电阻较大时对检测故障准确性的影响[6]。

1.3 直流检测法

直流法要在直流网络各个支路装上直流电流传感器，正常情况下负载两端电流I+=I-，传感器输出的漏电流为零。系统绝缘水平下降时，给系统投入检测电阻，在此检测传感器输出的漏电流值，从而计算出接地电阻[7]。具体原理如图3所示。

图3 直流检测法原理

直流法的检测特点主要有所检测支路的对地电阻与支路对地电容无关，能平衡故障检测与设备运行的关系。传感器直接对支路泄漏电流进行采集，系统没有注入交流信号，不会对直流系统的安全运行有影响。直流法的检测局限性主要在检测电阻的大小，如果检测电阻偏大，会使传感器检测到的漏电流相对较小，降低传感器测量精度，使绝缘电阻的计算值误差偏大；如果检测电阻偏小，会人为的使直流正负母线对地电压发生偏移，危害电力系统的安全运行。

2 改进电桥法故障检测方法

基于传统的平衡电桥法提出了一种改进的电桥检测方法(以下统称为改进电桥法)。改进电桥法通过传感器2次记录的电流，计算出正负母线对地绝缘电阻值[7]。

母线绝缘状态的检测如图4所示。正负母线绝缘情况正常时，R+和R-是无穷大的，此时电路中有两组平衡电桥：R1、R2+R3和正负母线对地绝缘电阻组成第1组平衡电桥；R1+R2、R3和正负母线对地绝缘电阻组成第2组平衡电桥。假设在正负母线均没有漏电流通过，2组电桥都满足平衡条件，那么2个电流互感器里面都没有电流流通。

图4 母线绝缘监测电路

当直流系统绝缘出现问题时，通过图5所示的电路来计算对地绝缘电阻。如图5所示，先断开K2，K3，得到电流ih1，ih2，随后断开K1，闭合K2，K3，得到电流ih3，ih4。通过图5(a)中的电路，可得到如下方程

(1)

化简可得

(2)

同理由图5(b)可得

(3)

(a)闭合K1，断开K2,K3

(b)断开K1,闭合K2，K3

最终可以计算得出直流母线正负极对地绝缘电阻的值。

(4)

对于支路绝缘状态的检测如图6所示，在直流母线的每1个支路都配置了电流互感器。以负载1的支路为例，当支路1的绝缘水平正常时，支路电流I+=I-，支路出现接地故障时，传感器会指示漏电流。

图6 支路绝缘检测电路

假设支路2的正负极经过绝缘电阻R2+、R2-接地。如图7所示，首先闭合K3、断开K1，电阻R3投入负极母线，通过测量得出正极对地母线的电压U1+，电流传感器测得漏电流ΔI21：

(5)

(a)负极投入R3

(b)正极投入R1

随后闭合K1、断开K3，电阻R1投入正极母线，测得电压U2+和ΔI22：

(6)

根据式(5)和式(6)可以计算得到支路2接地时的绝缘等值电阻：

(7)

为了验证改进电桥法的准确性，搭建如图6所示的电路，定义母线电压为220 V，R1=20 kΩ，R2=10 kΩ，R3=10 kΩ。通过改变正负极母线接地电阻的数值大小来测量。母线绝缘电阻的测量结果如表1所示，从表中可以得知通过改变绝缘电阻的数值，测量结果的相对误差总能保持在1.6%左右，可见改进电桥法的测量准确性是非常高的。

表1 母线绝缘电阻试验结果

改进电桥法和传统电桥法的母线绝缘电阻的测量结果对比如表2所示，通过对比可知道改进电桥法在测量准确性上误差更小。

表2 改进电桥法和传统电桥法测量结果对比

3 结 论

本文提出的改进电桥法通过两次投切检测电阻来检测电桥上的不平衡电流和支路漏电流，最终计算得出接地电阻并快速找出故障支路。该方法能够有效地解决传统电桥法检测死区的问题，并且不受母线对地电容的影响，在正负母线绝缘能力下降时，仍然可以准确求出对地绝缘电阻值。通过对比分析发现改进电桥法的测量准确性也更高。