基于組合橋的在線絕緣監(jiān)測方法

甘江華,王佰超，尹 強，黃軍偉，王 輝

(國家電網(wǎng)許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

在電力系統(tǒng)中，直流電源系統(tǒng)為各種繼電保護設(shè)備及操作回路提供穩(wěn)定、可靠的電源，其運行狀況的好壞直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)能否正常運行[1-4]。但由于運行環(huán)境中溫度及濕度的變化、設(shè)備及材料的老化、一些機械振動的影響和人為操作不當(dāng)?shù)仍?，不可避免地出現(xiàn)系統(tǒng)絕緣降低或接地等故障。若不能及時找到并排除故障，將造成保護設(shè)備誤動作或拒動，引起系統(tǒng)癱瘓，甚至導(dǎo)致大面積停電等嚴(yán)重后果[5-6]。

目前，國內(nèi)外直流系統(tǒng)絕緣檢測方法主要有電橋法、低頻信號注入法和漏電流法[7-11]。同時，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 1392-2014 直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置技術(shù)條件》5.3.2中規(guī)定：直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置應(yīng)采用直流電壓檢測法原理。因此，站用直流電源系統(tǒng)的母線在線絕緣檢測方法主要采用電橋法。

電橋法又分為平衡橋法和不平衡橋法。平衡橋法通過建立母線對地的兩個正負(fù)絕緣電阻構(gòu)成一個平衡橋，其結(jié)構(gòu)簡單、測量精確且不受分布電容影響，但是不能檢測正負(fù)母線同時接地或者同阻絕緣的情況。不平衡橋法通過電阻周期性切換，使正負(fù)母線對地電壓產(chǎn)生波動，其原理簡單、成本較低、工程易實現(xiàn)。文獻[12]提出了單向投切正母線對地電阻的方法，但勢必會造成系統(tǒng)負(fù)母線對地電壓的升高，可能使負(fù)母線對地電壓達(dá)到保護出口繼電器動作電壓。文獻[13]提出了雙臂投切正/負(fù)母線對地電阻的方法，但波動較大時可能會導(dǎo)致繼電器誤動作，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。文獻[14]提出了單向投切負(fù)母線對地電阻的方法，但負(fù)母線對地電壓極低時，會導(dǎo)致負(fù)母線對地的電壓變化量較小。當(dāng)負(fù)母線對地發(fā)生絕緣故障時，難以精確測量。文獻[15]提出了雙平衡橋探測法，能夠解決檢測死區(qū)問題，且不受分布電容的影響。但是該方法需要增加兩個傳感器，且漏電流的精度限制了檢測的精度與靈敏度。

基于上述問題，結(jié)合平衡橋和不平衡橋各自檢測方法的優(yōu)點，提出了組合橋絕緣檢測方法。首先，闡述了該方法的工作原理。接著，設(shè)計了采樣檢測的硬件電路。然后，搭建了在線檢測部分軟件流程圖。最后，研制了在線式直流絕緣監(jiān)測裝置樣機。通過進行站用直流電源系統(tǒng)實驗，其測試數(shù)據(jù)表明了其正確性和有效性，進而提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 組合橋絕緣檢測原理

對組合橋絕緣檢測原理進行分析。R1、R2為平衡橋電阻，R3、R5為檢測橋電阻，S1、S3為檢測橋開關(guān)，R4為補償橋電阻，S2為補償橋開關(guān)，R+、R-為正/負(fù)母線對地電阻，C+、C-為正/負(fù)母線對地電容，U+、U-為正/負(fù)母線對地電壓，U為直流母線電壓，PE為系統(tǒng)大地。

直流電源系統(tǒng)等效電路如圖1所示。其中，虛框為在線直流絕緣監(jiān)測裝置檢測電路的示意圖。

1.1 平衡橋與檢測橋

平衡橋原理是周期性監(jiān)測母線對地電壓和電流，并通過歐姆定律算出其對地的電阻值。檢測橋原理是依據(jù)平衡狀態(tài)的正/負(fù)母線對地電壓和電流，非平衡狀態(tài)的正/負(fù)母線對地電壓和電流變化量，按照解算二元一次方程組，計算出母線的正/負(fù)對地電阻。

1.1.1 平衡橋和負(fù)母線檢測橋的組合橋檢測

一般情況下，在線絕緣檢測采用平衡橋和負(fù)母線檢測橋相結(jié)合的方法。其不會造成直流母線中負(fù)母線對地電壓的增大，反而會使其減小。在負(fù)母線檢測橋工作過程中，組合方法能夠降低由于一點接地引發(fā)的繼電保護誤動的風(fēng)險。

首先，將開關(guān)S1、S2和S3全部斷開，得到式(1)：

(1)

式中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-。

接著，將開關(guān)S1閉合，S2和S3兩個斷開，得到式(2)：

(2)

最后，聯(lián)立式(1)和式(2)，可得Z+和Z-的表達(dá)式：

(3)

(4)

1.1.2 平衡橋與檢測橋的組合橋檢測

若在負(fù)母線對地電壓偏低或正母線對地電壓偏高的情況下，仍然進行平衡橋和負(fù)母線檢測橋相結(jié)合的檢測，則會導(dǎo)致正母線對地的電壓過高。為了防止正母線對地電壓過高，先投入正母線橋電阻以降低正母線對地電壓，然后進行負(fù)母線檢測橋的檢測，即采用平衡橋和檢測橋相結(jié)合的檢測方法。

首先，將開關(guān)S3閉合，S2和S1斷開，得：

(5)

接著，將開關(guān)S1閉合，S2和S3斷開，得：

(6)

最后，聯(lián)立式(5)和式(6)，可得Z+和Z-的表達(dá)式：

(7)

(8)

若直流系統(tǒng)對地電容足夠小，或者對地電容遠(yuǎn)小于對地電阻值，則直流系統(tǒng)對地電容可以忽略不計，即為零或者系統(tǒng)無對地電容。此時，Z+=R+，Z-=R-。

1.1.3 母線對地電容

若直流系統(tǒng)對地電容存在且不可以忽略，當(dāng)母線對地接入電容時，母線對地電壓的變化呈現(xiàn)為電容的充放電過程。母線絕緣接地時，母線電壓電流成周期性變化，電容周期性充放電。當(dāng)周期內(nèi)變化量小于5%時，測試所得時間t，可得電容C的計算公式為：

(9)

根據(jù)阻抗的并聯(lián)公式求解，可以得到R+和R-的表達(dá)式，即：

(10)

1.2 補償橋

當(dāng)正母線對地絕緣下降較負(fù)母線對地絕緣下降嚴(yán)重且滿足上述條件時，將開關(guān)S1和S3斷開，S2閉合，得到式(11)：

(11)

經(jīng)整理變形，得到式(12)：

(12)

(13)

2 組合橋絕緣檢測設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

在線絕緣采樣電路及硬件構(gòu)架如圖2所示。在線式絕緣監(jiān)測裝置包括以下幾部分：絕緣采樣調(diào)理電路、人機接口、RS-485通信、CAN通信、開關(guān)量輸出、最小單元和輔助電源部分。

圖2 絕緣采樣電路及硬件構(gòu)架圖

絕緣采樣電路中：R1～R3、R4～R7為平衡橋電阻，且總阻值都為30 kΩ；R1～R2、R4～R6為檢測橋電阻，檢測橋電阻為平衡橋電阻的部分電阻，形成了橋電阻部分共用。這不同于傳統(tǒng)平衡橋電阻和非平衡橋電阻分離且獨立的現(xiàn)象。S1、S3為檢測橋開關(guān)，通過STM32完成橋電阻R3和R7的接入與斷開，R3為5.1 kΩ、R7為10 kΩ，實現(xiàn)了不平衡狀態(tài)的檢測。R8、R9為補償橋電阻且阻值不同，通過STM32的輸出來控制電阻的接入與斷開，以實現(xiàn)電壓補償功能。其中：S21、S22為接入與斷開的補償橋開關(guān)，可以將它們統(tǒng)稱為S2。同時，R10～R13為采樣電阻，其阻值為3 MΩ。

通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓，接著電阻分壓采樣值通過VREF(1.25 V)的抬升、運放(LM358D)比例調(diào)整、RC濾波和電壓嵌位進入STM32的ADC引腳。這不同于傳統(tǒng)的光電隔離采樣，實現(xiàn)了非隔離絕緣采樣。

為了實現(xiàn)站用直流電源的可靠性，部分系統(tǒng)采用兩段直流母線供電的方案。因此，本設(shè)計的在線絕緣監(jiān)測裝置具有兩路直流母線接入端口，即有兩套絕緣采樣電路，采樣值接入STM32的不同ADC引腳。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用C++編寫，運行環(huán)境為IAR7.10，在μC/OS操作系統(tǒng)下模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的可移植性與內(nèi)存調(diào)度，有利于后期的維護、升級。在線絕緣檢測部分軟件流程如圖3所示。

圖3 在線絕緣檢測部分軟件流程圖

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)前述的工作原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，基于組合橋的在線絕緣檢測技術(shù)，研制了WZJ-31微機直流絕緣監(jiān)測裝置。該裝置主要應(yīng)用于站用直流電源系統(tǒng)。

本裝置在不接地直流電源系統(tǒng)中進行實際試驗。母線絕緣監(jiān)測結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，絕緣電阻測量值與實際值的相對誤差很小，且測量數(shù)據(jù)的相對誤差可以控制在±2.5%以內(nèi)，完全滿足文獻[16]中±5%的誤差要求。

表1 母線絕緣監(jiān)測結(jié)果

將正負(fù)/母線對地之間接入電容，裝置能夠檢測其容值，施加的標(biāo)稱電容值與顯示值的誤差較小，誤差可以控制在±10.0%以內(nèi)。母線對地電容測量結(jié)果如表2所示。

表2 母線對地電容測量結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了基于平衡橋、檢測橋和補償橋的組合橋在線絕緣檢測方法?；谠摲椒ǖ脑诰€絕緣監(jiān)測裝置所測得的絕緣電阻在允許誤差范圍內(nèi)且可達(dá)到±2.5%以內(nèi)，所測得的母線對地電容可達(dá)到±10%以內(nèi)。該方法覆蓋了站用直流電源絕緣報警和絕緣預(yù)警的各種故障現(xiàn)象，做到了盡量無檢測死區(qū)。大量的站用直流電源系統(tǒng)現(xiàn)場運行表明了其可行性、有效性和準(zhǔn)確性，同時也可將其應(yīng)用到不接地直流母線系統(tǒng)的其他領(lǐng)域。