直流系统接地检测

第17卷第1期电力系统及其自动化学报V o l . 17N o. 1

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2005年2月P roceedings of the CSU 2EPSA Feb . 　2005

直流系统接地检测

①

张　毅, 张　泉, 李永丽

(天津大学电气与自动化工程学院, 天津300072)

摘要:直流系统接地在线检测装置利用了磁调制原理的直流传感器, 采用了单片机技术对直流系统一点接地和正负极同时接地, 并且在接地电阻相等的情况下实现在线检测。能够迅速查出故障回路并告警。装置的开发对于一点接地发展成两点接地造成保护误动或拒动有很好的预防作用。关键词:直流系统; 接地; 相位差磁调制原理; 微机; 在线监测

中图分类号:TM 77　　文献标识码:A 　　文章编号:100328930(2005) 0120027204

Ground Fault D etection ZHAN G Y i , I (Schoo l of E lectrical A u , T ian jin 300072, Ch ina )

ts a on 2line mon ito ring apparatu s , w h ich can detect ground fau lt on DC system u rinci p le of m agnetic modu lating . T h is apparatu s is no t on ly fit fo r the case of one po le bu s in su lati on resistance fall , bu t also fo r the case of bo th po sitive and negative bu ses in su lati on si m u ltaneou s . U sing m icrocompu ter , it can find fau lt loop rap idly and can give an alarm signal . T h is apparatu s w ill fall

p reven t the failu re to tri pp ing p ro tecti on due to the tw o 2po in t ground fau lt developed by one 2po in t ground fau lt .

Key words :DC system ; ground fau lt ; m agnetic modu lating ; m icrocompu ter ; on 2line mon ito ring

1　前言

　　直流系统作为发电厂和变电站最可靠的电源已经被人们认可。在一般情况下, 直流系统一点接地并不影响直流系统的运行, 但是, 如果不及时找出故障点并予以修复, 当发生另一点接地故障时, 就可能引起重大事故。过去, 由于直流系统出现问题造成保护拒动并扩大事故, 甚至烧毁一次设备的事故经常发生。由于直流系统是一个非常庞大的多分支网络, 这就给运行人员对于故障点的查找造成很大的困难。

传统的直流系统绝缘检测装置采用的是电桥平衡原理[1～3], 其最大的缺陷是无法对正负极绝缘同时降低时做出正确地判断, 并且要运行人员人为地进行拉线巡检排除故障。近几年注入低频分量法[3]在现场得到应用。其原理是在电桥平衡装置发出告警信号后, 低频信号发生器将低频信号注入

直流系统, 通过检测各个支路的低频分量来判断是

否该支路发生接地。这种方法的缺陷是无法排除分布电容的干扰, 并且会加大直流系统的纹波系数[3], 进而对直流系统造成影响。

本文提出了一种微机直流系统接地检测装置方案。它克服了传统装置的缺陷, 并且排除了分布电容影响, 不会对直流系统造成影响。

2　相位差磁调制原理的直流传感器

在交变对称电压源或电流源激励的铁芯中, 若同时存在直流恒定磁场, 铁芯中交变磁通对称性就被破坏, 磁通的波形的正负半波相位将发生变化。相应地, 绕组输出电压的正负半波将发生相对位移。正负半波相位变化量的大小和方向可以反映直流偏置电流的大小和方向, 利用这一特性测量直流电流, 就是相位差磁调制式[2, 4]直流电流测量方法的基本原理(参见图1、图2) 。

①收稿日期:

2004207221; 修回日期:2004208230

・28・电力系统及其自动化学

报　　　　　　　　　　　　　　2005年第1期

图1　相位差磁调制原理图

F ig . 1　Pr i nc iple of magnetic m odula ti n

g

图3　直流系统绝缘检测原理

F ig . 3　Pr i nc iple of detecti ng ground fault

on DC syste m

　　正常运行时, 将K +和K -均闭合。当回路1正极绝缘下降时, I 1+=I L 1++I 1-, 所以I L 1+=I 1+-I 1-, 而在直流传感器中测得回路1的漏电流即为I L 1+, 14

U 。

图F ig . curve and m of output i m pulse

　　由图1和图2可得

t

=

T 4

则　∃t =

其中:H 0

(Ξ2I m ) ](T 所以　∃t =[Ξ1I 4)

由此可得

(Ξ1T ) ] I =[4Ξ2I m ∃t

式中:∃t 为正负矩形脉冲的时间差; I m 为激励

电流的幅值; T 为周期; Ξ1、Ξ2分别为直流信号绕组和交变激磁绕组的匝数。

由于电流与时间差成正比, 所以只要检测到∃t , 就可以测出直流电流值[4, 2]。

T 4H m

=Ξ1I , H m =Ξ2I m 。

图4　单极接地直流系统等效电路图F ig . 4　Equiva len t c ircuit of one -po i n t

ground fault of DC syste m

I L 1+=

2R ++R

]R +=

2I L 1+

如果是正负极同时绝缘下降, 并且下降的程度相等, 则断开开关K +或者K -, 通过测得的漏电流来计算接地电阻。

假设此时断开负极测量电阻开关, 等效电路图如图5所示。

3　直流系统绝缘监测装置原理

在直流系统中, 如果没有绝缘下降的情况, 则每个回路的电流和为零, 即I n +=I n -。其中:I n +表示第n 条回路正极电流; I n -表示第n 条回路负极电流。在直流传感器中的总磁场为零, 因此, 输出为零。当其中任一极绝缘降低时, I n +≠I n -。这样, 传感器就可以测出本回路的漏电流[4, 2]。再根据测量阻抗计算出哪一极接地, 接地电阻是多大。原理图如图3所示

。

图5　双极等电阻接地等效电路图

F ig . 5　Equivalen t c ircuit of two -po i n t ground fault

在直流传感器中流过的电流是流过正负极的电流差, 流过电阻R 的电流如图5所示。此时由于正负极对地绝缘同等程度下降, 所以R +=R -。

R ++2R

则　R +=

I L +

L L +=

2005年第1期　　　　　　　　　　　　　　张毅等:直流系统接地检测・29・

　　因为一般情况下, 直流系统只要求一点接地故障的检测, 以防止二点接地对系统设备的损坏。上述方案可以实现正极或负极的一点接地及正负极同点接地故障的检测。

这种方法的优点:

1) 克服了传统电桥平衡原理进行直流系统监测的缺陷。当采用电桥平衡原理对直流系统进行监测时, 信号继电器告警则表示电桥失去平衡, 直流系统有一极绝缘下降。在两极绝缘同时下降并且程度相等时候电桥依然平衡, 失去了保护意义。如果用直流传感器就不会出现这样的问题。它可以时时监测直流系统的绝缘水平。

2) 不需注入交流信号。

出于对系统安全的考虑, 直流系统电压的纹波系数[1, 3, 5]要求

3) 的影响, 、错判。

4) 可以时时监测各个回路的电流变化和绝缘电阻的变化, 并且可以用单片机实现自动检测。

地支路、接地电阻值和接地极性。具体原理图如图6所示。

图6　直流系统绝缘检测装置原理

F ig . 6　Pr i nc iple of

detecti ng apparatus for DC system

。如, , 分别, 计算绝缘电阻值。如果发现, 发出告警信息, 并显示接地支路。如果没有发现绝缘降低的支路, 则每隔1h 投切测量电阻R 的开关[2], 做到可检测出回路存在两极绝缘同等程度下降的目的。4. 2　装置硬件结构

如图7所示, 装置硬件以51单片机为核心, 主要完成数据的采集和处理、计算算法的实现、整定值管理、实时时钟控制、面板人机接口、串并行接口控制、开关量输入以及控制电子开关等管理和控制功能。

4　微机型直流系统绝缘检测装置

4. 1　装置功能

通过计算直流传感器的电流值, 来计算接地电阻值, 如果小于用户整定的定值, 则告警, 并显示接

图7　CPU 板结构图

F ig . 7　Structure of CPU board

　　由相位差磁调制原理制成的直流传感器, 其小电流的稳定性好, 原边与副边之间高度绝缘。结构简单, 精度好, 调试量少, 可靠性高。不受接地电容影响。通常情况下, 当直流系统有一极电阻小于20k 8时认为存在接地现象。本装置可以准确检测到单极接地小于50k 8, 双极接地小于100k 8的接

地支路, 并且阻值计算误差满足工程要求。

5　结论

直流系统中存在一点接地应该及时查出排除。如果发展成为两点接地, 则会造成系统中保护和控制设备的错误动作。本文提出了用相位差磁调制原

・30・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　2005年第1期

力自动化设备(E lectric Pow er A u tom ati on Equ i pm en ts ) , 1996, 57(1) :48-50

[4]　Zhao Chengyong , J ia X iufang , H ao Zh ifang . T he new

m ethod of mon ito ring DC system in su lati on on 2line [A ]. In :P roceedings of the 27th annual conference of the IEEE indu strial electron ics society [C ]. 2001:688-691

[5]　李刚, 蔡旭(L i Gang , Cai Xu ) . 一种新型的直流绝缘

理[2, 5]的直流传感器来检测直流系统绝缘的损坏情况; 给出了微机化的直流接地自动检测装置的方案。此方法可以实现多个回路自动在线检测, 省去了人为拉线查找接地点的麻烦, 前景良好。此装置有待于进行现场检验。

参考文献:

[1]　李晓明, 梁军, 张沛云, 等(L i X iaom ing , L iang Jun ,

Zhang Peiyun , et al ) . 直流接地点探测新原理(A new m ethod of detecting grounding po in t in DC system ) [J ]. 电力系统自动化(A u tom ati on of E lectric Pow er System ) , 2000, 24(13) :55-56[2]　向小民, 胡翔勇, 曾维鲁, 等(X iang X iaom in , H u

X iangyong , Zeng W eilu , et al ) . 直流系统绝缘监察

监测接地点定位综合装置(A new type in tegrated

device of DC in su lati on mon ito ring and earth po in t locating ) [J ]. 煤矿自动化(Indu stry and M ine A u tom ati on ) , 2001

作者简介:

() , 男, , 。. com

女教授, 博士生导师, 主要从事电力系统。Em ail :lyl 519@sohu . com

张　泉(1972-) , 男, 工程硕士研究生, 主要从事变电站综合自动化。Em ail :zhangquan 1972@126. com

装置(In su lati on mon ito ring on DC system ) [J ]. 中国电力(E lectric Pow er ) , 1999, 32(8) :38-50

[3]　张次衡(Zhang C iheng ) . 电容影(iscu influence fau lt detecto r ) [J ]. 电

(上接第18页)

[4]　H ao Shangyou . A study of basic b idding strategy in

clearing p ricing aucti on s [J ]. IEEE T ran sacti on s on Pow er System , 2000, 15(3) :975-980

[5]　M ielcazrsk iW , M ichalik G , W idjaja M . B idding strat 2

egies in electricity m arkets [A ]. In :P roceedings of the 21st IEEE In ternati onal Conference on Pow er Indu stry Compu ter A pp licati on s [C ]. 1999:71-76[6]　于尔铿, 周京阳, 吴玉生(Yu E rkeng , Zhou J ingyang ,

W u Yu sheng ) . 发电报价曲线研究(A study on generato r b idding cu rves ) [J ]. 电力系统自动化(A u tom ati on of E lectric Pow er System s ) , 2001, 25(6) :23-26

[7]　李灿, 龚乐年(L i Can , Gong L en ian ) . 考虑备用容量

of generati on compan ies under incomp lete info rm at 2i on ) [J ]. 电力系统及其自动化学报(P roceedings of the CSU 2EPSA ) , 2003, 15(1) :27-32

[9]　刘继春, 刘俊勇(L iu J ichun , L iu Junyong ) . 发电公司

回收成本型报价决策(B idding strategy model fo r

co st callback ) [J ]. 电力系统及其自动化学报

(P roceedings of the CSU 2EPSA ) , 2003, 15(4) :79-82

[10]　陈建华(Chen J ianhua ) . 电力市场中发电商报价行

为分析(A nalysis of b idding behavi o r of pow er sup 2p ly in the electricity m arket ) [D ]. 杭州:浙江大学电气工程学院(Co llege of E lectrical Engineering Zhejiang U n iversity ) , 2004

作者简介:

康建伟(1979-) , 男, 研究生, 主要从事电力市场和电力系统方面的研究。Em ail :kangjianw ei 79@etang . com

周　浩(1963-) , 男, 副教授, 主要从事电力市场分析和电力市场监管方面的研究。Em ail :zhouhao _ee @zju . edu . cn

价格的电力市场模拟(Si m u lati on of electricity m arket w ith sp inn ing reserve aucti on ) [J ]. 电力系统及其自动化学报(P roceedings of the CSU 2EPSA ) , 2001, 13(2) :33-35, 64

[8]　张宇波, 罗先觉, 薛钧义

(Zhang Yubo , L uo X ian jue ,

Xue Junyi ) . 非完全信息下电力市场中电厂机组竞价

上网的博弈解(Gam e so lu ti on to competitive b idding