直流系统绝缘监测装置的设计和应用
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继电器 第30卷 第12期 V ol. 30 N o. 12
2002年12月15日Dec. 15, 2002RE LAY
直流系统绝缘监测装置的设计和应用
崔实, 聂宏展, 祁德银, 吴满
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(1. 东北电力学院电力工程系, 吉林吉林132012; 2. 吉林云峰发电厂, 吉林集安134200)
摘要:利用磁调制原理构成直流电流传感器, 并由此设计了直流绝缘在线检测装置独立, 不影响直流系统正常工作且直流电流传感器结构简单、。, 实时检测偏差基准, 提高了装置的抗干扰能力。关键词:磁调制; 直流系统; 固定偏差
中图分类号:T M774 :A (2002) 12-0034-04
1 引言
发电厂变电站的直流系统是控制和信号系统、
继电保护及自动装置的工作电源。直流系统是否稳定运行直接影响整个电力系统安全运行。以前, 发电厂、变电站要靠人工短时切换直流支路电源逐条线路查找支路接地故障, 不仅费时费力而且极易造成继电保护及其自动装置误动作。基于这种情况, 研究检测直流系统绝缘很有必要
。主要的检测原理[1~3]有:电桥平衡原理, 双频探测原理。前者虽被广泛应用, 但该方法不能检测直流正、负母线绝缘同等下降的情况, 即使直流系统绝缘检测装置发出警报, 也无法指示哪条支路有故障。后者是一种较新的直流系统绝缘检测方法, 它虽能检测接地支路绝缘电阻大小, 但当直流系统分布电容过大时, 要影响检测的分辨率, 同时低频注入直流系统, 使其系统电压文波加大, 有影响直流系统供电质量之嫌。本文利用磁调制原理设计了直流系统在线检测装置。本装置直流传感器结构简单与直流系统完全独立, 不向系统注入任何信号, 不影响直流系统正常工作。由于采用了固定偏差设计, 提高了分辨率和抗干扰能力。
法是增加W 3绕组匝数, 增加铁芯截面积, 减少环形铁芯平均长度, 增强铁芯磁导率和交流激磁电流的幅值, 来提高直流传感器的精度。
W 1为直流信号绕组; W 2为交流激磁绕组; W 3为检测绕组; l 为
环形铁芯的平均长度; i 为激磁电流; I 为直流系统支路电流; F 为高磁导率的环形铁芯。
图1 磁调制器结构示意图
Fig. 1 The structural drawing of magnetic m odulator
2. 2 理想情况
2 恒流源激磁下的磁调制器原理
2. 1 磁调制器
在理想情况下, 设铁芯材料是均匀的, 环形铁芯
尺寸内径与外径之比近似等于1, 其铁芯截面积与环形尺寸相比很小, 铁芯磁化均匀, 磁滞损耗为零。在W 2绕组通以三角波恒定交流i 进行激磁, iW 2
可使其充分饱和, 则铁芯磁化曲线是经过坐标原点、而且对称的三段折线, 如图2(a ) 所示。理想情况下, 当直流电流I =0时, 磁场强度为0, 即H 0=IW 1Πl =0, 此时, W 3绕组产生激磁电流频率相同的正、负脉
磁调制方式直流传感器的结构如图1所示。
铁芯为铍镆合金, 圆形铁芯导磁系数很高。在交流对称电流源激磁的铁芯中, 加直流偏置磁场, 铁芯交变磁通的对称性被破坏, 磁通正负半波相位也发生变化。相位量的大小和方向可以反映直流偏置电流的大小和方向, 这就是磁调器相位差式基本工作原理。在实际应用中检测绕组W 3的感应电动势尽量高一些有利抗干扰, 提高检测绕组电动势的方
冲序列, 如图2(b ) 所示。
设S =t u Πt d , 由图2可见, 当S 发生变化时, t 5=t 6等式关系不变, 只要I =0, 则t 2=t 4等式关系
也不变, 仅t 1=t 3发生变化, 即S 发生变化, 正、负脉冲宽度发生变化。设I =0时, t =t 1+t 2-t 3-t 4
崔实, 等 直流系统绝缘监测装置的设计和应用35
=t 0, 即S 一定时, t 1与t 3不变, I 发生变化只影响
t 2与t 4的值, I ≠0时t ≠t 0, 调节S 的大小可以调节I =0时的t 0值, 称t 0为基准值。下面分两种情况
分析
。
图3the actual state ,iron core magnetizing characteristit
and detecting winding output
t 1=t 1′, 且t 1′t 4(I =0)
图2 理想情况下铁芯磁化特性及其检测绕组输出
Fig. 2 In the ideal state ,iron core magnetizing characteristic
and detecting winding output
(2) I 从零增加到+I ′时:
t 2=t 2′, 且t 2′>t 2(I =0) t 4=t 4′, 且t 4′>t 4(I =0)
(1) I 从零减少到-I ′时:
t 2=t 2′, 且t 2′t 4(I =0) t =t 1+t 2′-t 3-t 4′, 且t
同理令Δt =|t -t 0|, 由于Δt =T ・IW 1ΠI m , 所
以在W 1、W 2、I m 及T 均为定值时, 有Δt ∝|I |, 只要检测Δt 即测量检测绕组电压的峰值位移, 即可得到直流信号绕组中电流的大小。本装置中的交流激磁电源频率f =9H z , 激磁电流幅值I m =2. 6m A , T =111ms 时, 则Δt =T ・IW 1ΠI m =111×1×I Π2. 6=μs Π42I (mA ) 。
当I =5mA , Δt =210μs , 电流每变化0. 1mA Δt 变化4. 2μs 。AT 89C51单片机时钟频率f =时,
[4]
24MH z , 可以有效检测出0. 5μs 的时间变化, 所以有足够的检测灵敏度, 可满足测量系统的要求。
(2) I 从零增加到+I ′时:
t 2=t 2′, 且t 2′>t 2(I =0)
t 4=t 4′, 且t 4′>t 4(I =0) t =t 1+t 2′-t 3-t 4′, 且t >t 0
令Δt =|t -t 0|, 且由磁调制式直流电流传感
器的原理可得:Δt =IW 1ΠI m ・T (其中I m 与T 分别为激磁锯齿波电流的峰值和周期) 。由以上分析可见磁调制式直流电流传感器通过检测Δt 的大小, 可以检测直流信号绕组中I 的大小和方向。2. 3 实际情况
在试验中由于磁滞现象的存在, 当在W 3绕组中通以恒定三角波交流激磁电流i , 且iW 2足以使铁芯饱和时, 则实际波形如图3所示。
设:检测绕组电压u 的正峰值点到负峰值点的时间为t 1, 负峰值点到下一正峰值点的时间为t 2, 则I =0(H 0=0) 时有:t =t 2-t 1=t 0, S >1时t 2>t 1,
t 0>0; 当激磁绕组三角波电流频率恒定且S 不变时t 0则为定值。当S 发生变化时, t 0随之改变。所以
3 硬件设计
本文采用磁调制式直流传感器作为检测单元, 用AT 89C51单片机构成中央控制单元。具体原理如图4所示。
其中A 1、A 2为磁调制式传感器, R 为平衡电阻, 提供单极接地故障的漏电流回路。激磁源电路首先产生频率为9H z 、幅值为5V 的三角波电压, 并将三角波电压源转换为电流源, 作为磁调制直流传感器的交流激磁电源。装置的输入级采用多路模拟开[4]
关, 以实现多路巡检。输入滤波电路分为两级, 第一级滤波器兼有抑制检测绕组W 3电流过大的作用, W 3绕组的电流过大, 降低其灵敏度, 不利于检测。第二级滤波器滤掉50H z 的工频干扰, 以保证9H z 的检测电压信号不衰减。
调节S 可调节I =0时t 0的大小, 称t 0为基准值。
S 一定I ≠0时, t ≠t 0同样分如下两种情况:
(1) I 从零减少到-I ′时
:
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保证的。本文在直流系统无故障时, 人为设置一个固定偏差Δt ′, 即检测基准为t 0′=t 0+Δt ′。为进一步提高抗干扰能力, 在软件中加入对基准值Δt 0′的随时检验子程序, 以便实时修正由于干扰造成的基准偏移。在实际电子线路中, 由于温度对芯片影响, 以及电子电路老化等原因变化, , Δt =。
m Δt 与基准值无关, 只与T 有
图4 Fig. 4 E lementary diagram of 2system , 两个反相器,
一个延迟电路及一个过零比较器。由于高速电压比较器(如
LM311) 使用在高频低内阻的输入信号比较时, 输出响应是正常、稳定的。而当输入信号为三角波或低频正弦波以及信号源内阻较高时, 则高速电压比较器将在靠近输出电平转换点附近突发谐振。经反复实验此种突发谐振的产生概率还是比较高的, 适当引入正反馈可避免突发谐振。本文设计了避免突发振荡电路。如图5所示。通过调整电阻R 1、R 2或R 3来调整正反馈量的大小, 以避免突发谐振。
变基准的方法实施:(1) 先检测基准值, (2) 使用这个基准巡检一周, (3) 再检测基准值, (4)
使用新的
(4) 。基准值检测一周, (5) 重复(3) 、
由于周期T 可能缓慢变化, 所以Δt =T ・IW 1Π
I m 也可能变化, 也就是测量系统对于相同的T 在不
同时期测量到的Δt 将不一样。若将装置的阈值设定为定值, 装置在报警时将有较大的偏差, 为此也要把阈值设为变值。对Δt 影响最大的是T , W 1为定值, I m 可看作变化不大, 因此把阈值设成随时间周
图5 避免突发震荡电路
Fig. 5 Circuit of av oiding burst oscillation
4 软件设计
本装置的软件设计中, 加入了固定偏差设计, 以
提高装置的抗干扰能力。理论上系统正常工作, S 一定, 则t 0为固定的值, 但由于存在装置自身的干扰及装置工作环境的干扰, 实际上t 0为定值是很难
图6 程序框图
Fig. 6 Program flow chart
崔实, 等 直流系统绝缘监测装置的设计和应用37
期变化的量, 即可补偿周期的变化。
实施方法:(1) 阈值用拨盘输入两位, (2) 检测三角波周期, 或正脉冲序列周期, 还可以检测负脉冲序列周期。通过变基准可以防止三角波上升周期与下降周期变化对Δt 的影响, 通过变阈值可以防止三角波周期缓慢变化对装置报警的影响。程序框图图6所示。
统造成影响, 现场实际运行状况良好。参考文献:
[1] 李继凡, 罗过瑜, 陶时澎, 等. 精密电气测量[M].北京:
计量出版社,1984.
[2] 崔实, 张连斌. 变频在线直流检测系统装置研究[J].华
北电力技术,1997, (9) :25-[3] , [J].
5 运行评估
磁调制式直流系统绝缘在线检测装置, 检测元件提出特别要求的前提下, 灵敏度。, , 从。该装置在现场安装时, 是把直流系统上的各条支路穿过传感器孔, 传感器通过通讯电缆连接到主机上。主机全天候在线监测巡检直流系统上的各条支路运行状况, 一旦某支路出现故障, 主机报警, 并打印记录故障状况, 以便运行人员及时处理现场故障。另外由于本装置无需向直流系统发送任何检测信号, 所以不对直流系
, 54.
], , . 单片微机原理的应用与实验
,1993.
收稿日期: 2002207211
作者简介:
崔实(1952-) , 男, 教授级高工, 从事电力电子技术及其应用的教学与研究工作;
聂宏展(1960-) , 男, 副教授, 从事电力系统自动化的教学与研究工作;
祁德银(1961-) , 男, 工程师, 云峰发电厂生技处长, 从事电力系统安全运行工作。
The design and applicatiooon of DC system insulation monitoring apparatus
C UI Shi , NIE H ong 2zhan , QI De 2yin , W U Man
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(1. N ortheast E lectric P ower Engineering Institute ,Jilin 132012,China
2.Jilin Y un feng P ower Plant , Jilin 134200, China )
Abstract : The paper presents the DC transducer by magnetic m odulation. By this theory , a DC in system sulation m onitor is developned which is independent to DC system. The DC transducer is sim ple in structure but has high discriminability. With strong antidisturbance for fixed deviation design , it ’s suitable to be applied in power plant and substation. K ey w ords : magnetic m odulation
; DC system ; fixed deviation
(上接第33页)
[6] 张 臻. 电流互感器有源电子补偿装置的研制[J].山
西电力技术,1998, (1) :24-27收稿日期: 2002-05-15
作者简介:
包军(1968-) , 男, 工学硕士, 讲师, 主要从事变电运行及电力设备在线检测的教学与研究工作。
The study on high accuracy little current sensor based on zero 2flux
BAO Jun ,TI AN Jian-hua ,ZH ANG X iu-ge
(Zhengzhou E lectric P ower C ollege ,Zhengzhou 450004,China )
Ab astract : The principle of zero 2flux current trans former is analyzed in this paper. A novel method which adopts nanocrystalline core and adaptive dynamic electronic circuit for dynamic 2zero 2flux of little current sens or is presented. K ey w ords : little current sens or ; zero 2flux ; error