基于变频投切电阻的直流系统绝缘检测方法

吴瑜坤 ，李书瀚，王 岩

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012；2.国网吉林供电公司，吉林 吉林 132001)

直流系统是电力系统控制与保护的基础，是系统安全的保障，继电保护装置、自动控制装置等能否正常工作都取决于直流系统是否稳定[1]。近些年，直流系统的绝缘问题越来越引起有关方面的重视，其中最常见的问题就是直流系统接地故障[2-4]。如果系统中同时出现两支路的单端接地，就可能造成设备的损坏或爆炸，严重时可能对整个变电站和输电系统造成危害，因此当出现单端接地情况时就应及时测量并进行报警。

目前，直流系统检测方法主要有三大类：电桥法、低频注入法和直流漏电流法。低频注入法是通过在母线中注入交流电流，把交流传感器安装在待测支路上，通过传感器测量得到电流信号，即可分析待测支路的绝缘情况，最终完成绝缘监测的目的[5]。这种方法是现在所使用的检测方法精度最高的一种，但是因为在直流系统中直接加入了交流电流，会给母线带来很大的纹波，而且整个测量过程受分布电容的影响较大，因此，有必要研究一种新的检测方法，在减小干扰的情况下使检测精度最高。

本文提出一种变频投切电阻法的支路故障绝缘检测方法，通过以改变频率二次投切电阻，将直流转换为交流，根据传感器测量得到交流电流信号和投切电阻电压信号即可得到支路接地电阻阻值。这种方法是对注入信号法的改进，不投入交流信号即可利用交流传感器进行绝缘监测，并且解决分布电容对检测的影响。

1 变频投切电阻法

变频投切电阻法的原理是直流系统由正负110 V母线构成，由于大地是良导体，故正负母线上对地存在分布式电容C+、C-。母线上也分别存在对地电阻R+、R-，其分别与相应分布电容并联接地，而直流系统负载采用两根支路电线直接挂载到母线上，通过增加投切接地电阻支路RT+、RT-的方式增加一条电流支路以构成新的电路平衡(见图1)，图1中RT+、RT-为投切接地支路电阻，Rd、Cd分别为故障支路接地电阻和电容，C为等效电容。该方法通过在母线与大地间以不同的两次频率投切电阻，在支路端口处安装有测量支路电流的交流传感器，稳定后测量得到的信号即为待测支路流过的交流信号。若该支路发生单极性接地故障时，通过传感器数据，结合投切电阻部分有关数据即可得到确定支路的绝缘情况。此方法无法对双端接地情况同时进行监测，可以依次向正负母线投切电阻来检测双端接地绝缘情况。

图1 变频投切电阻法原理

直流系统绝缘检测的母线检测方法已经非常完善，方法简单且都可以保证测量的精度。根据文献[6]提出的正负极母线投入检测电阻的方法，并结合变频投切电阻的原理，在进行正负母线投切电阻时，将投切开关K1长时间闭合，不按频率开关闭合，先对母线故障电阻进行检测，可求得母线电阻：

R+=(U-I1RT-I2RT)/I2

(1)

R-=(U-I1RT-I2RT)/I1

(2)

式中：U为母线电压；I1、I2为投入故障电阻后，正母线故障电流和负母线故障电流；RT为投入母线的故障电阻，也是投切电阻的阻值。

此方法测量误差较小，满足母线电阻测量需要。下面对变频投切电阻法测量支路进行描述。

1.1 变频投切电阻法测量支路电阻

通过增加投切接地电阻支路RT+、RT-的方式增加一条电流支路以构成新的电路平衡，由此采用交流互感器测量支路的漏电流以提高检测精度，再通过电路关系求解出该支路的接地电阻。当某支路正极出现单端接地故障，在负母线投切电阻RT，投切支路会经投切开关将直流信号转化成一个方波信号，方波交流电压通过母线电阻和电容并联后会输出一个三角波电压，相当于向支路加入了一个三角波交流信号，但三角波的电压值十分小，其等效简化测量图见图2。

图2 变频投切法测量等效图

通过在支路的传感器测得流过支路的交流电流，选择合适的投切频率后，经两次投切操作，即可得到支路电阻阻值。由于母线分布电容的值是等效形成的，为了保证交流信号的形成，在投切电阻两端并联一个与母线分布电容大小相等的等效电容C，用于交流信号的稳定产生。

1.2 变频投切电阻法计算公式

假定待测故障支路接地故障电阻值为Rd，根据加装在支路处的交流传感器，直接得到该支路的漏电流I；根据安装在投切支路两端的电压表，变频投切电阻法的电路关系为：

(3)

(4)

式中：Id1、Id2为两次投切后支路交流电流；f1、f2为两次投切电阻频率；U1、U2为投切电阻后投切支路两端电压。

计算过程中，将支路分布电容等效值用第一次测量电流表示，带入第二次测量电流，推导得出：

(5)

(6)

(7)

式中：α为两次投切频率的平方比；β为两次投切后投切支路的测量电压值的平方比。

公式(5)即为变频投切电阻法电阻计算方式。若支路正负极同时出现接地故障，先向一极投切电阻计算接地情况，然后再向另一极投切电阻计算接地情况。计算方法不受分布电容影响，计算过程中忽略其存在，这种接地情况依然适用。

2 电路参数选取

2.1 投切后三角波的形成

如果在输入电压Ui处加方波电压，则电容C输出电压Uo，积分电路见图3。当满足：时间常数τ远大于tW，方波宽度tW远小于RC数值时，在输出端即可得到图4的电压波形。

图3 积分电路

图4 输入输出电压

当t=t1时，输入电压此时由零增大到最高值，输出端电压不能变化，两端电压为零；当t1

在使用变频投切电阻法时，分布电容会和投切电阻近似形成积分电路，先把直流经投切支路转变为方波交流信号，后又经积分电路将方波信号转变为三角波信号。为了消除母线分布电容会对投切造成的不确定影响，与投切支路并联一个与分布电容相近的等效电容完成电路。等效电容的并联保证三角波信号更加稳定的输出，一般220 kV变电站直流系统母线分布电容为70～100 μF，因此选取模拟电容的值为100 μF。

2.2 投切支路对投切频率影响

变电站直流系统母线分布电容大约为70 ～100 μF，因此每条支路的分布电容大约为1 μF[7]。由于投切电阻后形成的三角波也是有频率的，它的频率取决于投切的频率。图5为投切电阻形成交流信号原理图，图6是RC串并联电路的阻抗特性曲线。

图5 RC串并联电路

图6 RC串并联电路转折频率与阻抗特性

当频率小于f01时，电容相当于开路，没有电流经过。为了保证电容能够产生最大的电压，要近似于短路，因此频率的选择必大于f02，其中f02的计算公式为：

(8)

电阻和电容的值决定转折频率的大小。当输入频率大于转折频率f02时，此时电容的容抗相对于电阻很小，则电流不从R2流过，全经过电容，完成积分电路，因此会使得电容上产生较大的电压。当电阻R1设置为20 kΩ，电阻R2模拟值为100 kΩ时，电容70 μF，转折频率为f02=0.136 Hz，故投切频率需要大于0.136 Hz。即使电容变大或者投切电阻变大，频率也会变小，因此只需大于0.136 Hz即可。

2.3 待测支路对投切频率影响

RC并联电路由电阻和电容并联而成，也就是模拟了实际大地中电阻和分布电容的存在方式。这样的电路既可以通过直流，也可以通过交流。当连接在直流电路中时，因为电容器件的特性，无法通过直流电流，即电阻上流过全部的直流电流。而对电路通交流时，都可以有电流经过，具体电流大小取决于电阻的阻值和电容的容抗。表1分析了支路可能存在各种分布电容在不同低频交流信号下本身的等效容抗值。

表1 支路容抗变化 kΩ

变频投切电阻法需要使用交流传感器进行测量，仍受到分布电容的影响。若分布电容的容抗值因为频率过高导致容抗值很小，将不会有交流电流从电阻流过，计算结果不能代表接地电阻的准确，影响绝缘检测[8]，因此要求抗值应尽可能大，使交流电流更多从电阻中流过。

为了使交流信号通过接地支路并不对测量产生影响，结合DL/T 724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》规定电阻小于25 kΩ应报警要求，并在过程中简化计算，选择1 Hz和2 Hz作为投切频率。

3 仿真验证

3.1 仿真环境

在Multisim平台搭建实验电路，使用直流电源模拟220 V直流系统，通过压控开关投切电阻，用方波交流信号控制压控开关以一定频率的打开和关断，实现电阻投切。仿真示意图见图7。

图7 仿真示意图

VCC模拟直流系统电压220 V。U′为控制压控开关开断的交流源，压控开关开通状时态电阻1 Ω，关闭状态时电阻1 MΩ，开通时近似于短路，不分担电压，关断时电阻很大，无法流过电流。U′提供频率为1 Hz和2 Hz的方波信号，控制开关的开断。R4为1 Ω的分析电阻，通过示波器采集信号模拟电流值。

R1C1为模拟母线对地支路，R2C2为模拟故障支路。R1模拟母线接地，取值100 kΩ，C1取100 μF，C2取1 μF。R3为投切电阻，取值20 kΩ。为了保证电压的稳定输出，在投切电阻旁并联等效分布电容的C3，同取100 μF。待测支路R2即为待求值Rd。

3.2 仿真结果

仿真中通过示波器可以得到待测支路三角波电压和投切支路方波电压波形图。仿真过程中修改支路电阻R2，在不同的接地故障下进行两次投切操作后，测量投切支路电压和待测支路电流，最后计算电阻，结果见表2。

表2 仿真实验结果

3.3 仿真结果分析

根据表2，可以看出在用文中方法进行支路接地故障测量时，电阻在DL/T 724—2000规定的小于25 kΩ范围内，检测精度很高，误差不超过1%，符合国家有关规定的绝缘检测能力要求。在需观察预警的50 kΩ范围内，检测精度小于5%，有很高的检测能力[9]。但是随着接地电阻的增大，支路电流会越来越小，传感器的检测难度也会越来越大，会对数据造成一定程度的影响。且随着接地电阻阻值的增加，因为投切形成的电压随着电阻的增大不断变小，流经支路的交流电受分布电容的影响会更加明显，使得通过支路的电流不再是完整的三角波，对检测造成困难。图8为投入100 kΩ模拟故障时待测支路示波器2的波形。分布电容的存在使得三角波发生变化，虽然电流值没有超出交流传感器的检测范围，但是对于故障计算的精度却造成了很大的影响。

图8 模拟100 kΩ故障时待测支路电压

4 结论

通过介绍目前使用的直流绝缘检测的各种方法，为提高检测能力，提出了一种变频投切电阻的检测方法。在支路出现故障需要进行绝缘检测判断绝缘情况时，母线上并联投切电阻支路将进行投切电阻操作，使得母线接地部分简化成一个已知频率的三角波交流信号，根据接地支路漏电流值计算得出接地电阻阻值。该方法在测量时使用测量精度高的交流传感器，计算时不受母线电阻以及分布电容的影响，利用直流系统产生交流信号，不额外安装交流源，改善了传统信号注入法问题。通过仿真模拟，得到了变换后稳定的三角波输出电压，对电阻50 kΩ以内的故障模拟计算，结果证明了投切电阻法的可行性，但在具体参数和交流传感器的选择上，还需要进一步完善。