甘江華,王佰超，尹 強(qiáng)，黃軍偉，王 輝

(國(guó)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(hù)設(shè)備及操作回路提供穩(wěn)定、可靠的電源，其運(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)能否正常運(yùn)行[1-4]。但由于運(yùn)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(jī)械振動(dòng)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(shí)找到并排除故障，將造成保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作或拒動(dòng)，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(guó)內(nèi)外直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)方法主要有電橋法、低頻信號(hào)注入法和漏電流法[7-11]。同時(shí)，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(cè)裝置技術(shù)條件》5.3.2中規(guī)定：直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)采用直流電壓檢測(cè)法原理。因此，站用直流電源系統(tǒng)的母線在線絕緣檢測(cè)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(guò)建立母線對(duì)地的兩個(gè)正負(fù)絕緣電阻構(gòu)成一個(gè)平衡橋，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精確且不受分布電容影響，但是不能檢測(cè)正負(fù)母線同時(shí)接地或者同阻絕緣的情況。不平衡橋法通過(guò)電阻周期性切換，使正負(fù)母線對(duì)地電壓產(chǎn)生波動(dòng)，其原理簡(jiǎn)單、成本較低、工程易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[12]提出了單向投切正母線對(duì)地電阻的方法，但勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)負(fù)母線對(duì)地電壓的升高，可能使負(fù)母線對(duì)地電壓達(dá)到保護(hù)出口繼電器動(dòng)作電壓。文獻(xiàn)[13]提出了雙臂投切正/負(fù)母線對(duì)地電阻的方法，但波動(dòng)較大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[14]提出了單向投切負(fù)母線對(duì)地電阻的方法，但負(fù)母線對(duì)地電壓極低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致負(fù)母線對(duì)地的電壓變化量較小。當(dāng)負(fù)母線對(duì)地發(fā)生絕緣故障時(shí)，難以精確測(cè)量。文獻(xiàn)[15]提出了雙平衡橋探測(cè)法，能夠解決檢測(cè)死區(qū)問(wèn)題，且不受分布電容的影響。但是該方法需要增加兩個(gè)傳感器，且漏電流的精度限制了檢測(cè)的精度與靈敏度。

基于上述問(wèn)題，結(jié)合平衡橋和不平衡橋各自檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了組合橋絕緣檢測(cè)方法。首先，闡述了該方法的工作原理。接著，設(shè)計(jì)了采樣檢測(cè)的硬件電路。然后，搭建了在線檢測(cè)部分軟件流程圖。最后，研制了在線式直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置樣機(jī)。通過(guò)進(jìn)行站用直流電源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試數(shù)據(jù)表明了其正確性和有效性，進(jìn)而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 組合橋絕緣檢測(cè)原理

對(duì)組合橋絕緣檢測(cè)原理進(jìn)行分析。R1、R2為平衡橋電阻，R3、R5為檢測(cè)橋電阻，S1、S3為檢測(cè)橋開(kāi)關(guān)，R4為補(bǔ)償橋電阻，S2為補(bǔ)償橋開(kāi)關(guān)，R+、R-為正/負(fù)母線對(duì)地電阻，C+、C-為正/負(fù)母線對(duì)地電容，U+、U-為正/負(fù)母線對(duì)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?yàn)樵诰€直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)電路的示意圖。

1.1 平衡橋與檢測(cè)橋

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

1.1.1 平衡橋和負(fù)母線檢測(cè)橋的組合橋檢測(cè)

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

首先，將開(kāi)關(guān)S1、S2和S3全部斷開(kāi)，得到式(1)：

(1)

式中：Z+=R+//C+且Z-=R-//C-。

接著，將開(kāi)關(guān)S1閉合，S2和S3兩個(gè)斷開(kāi)，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(cè)橋的組合橋檢測(cè)

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

首先，將開(kāi)關(guān)S3閉合，S2和S1斷開(kāi)，得：

(5)

接著，將開(kāi)關(guān)S1閉合，S2和S3斷開(kāi)，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(duì)地電容足夠小，或者對(duì)地電容遠(yuǎn)小于對(duì)地電阻值，則直流系統(tǒng)對(duì)地電容可以忽略不計(jì)，即為零或者系統(tǒng)無(wú)對(duì)地電容。此時(shí)，Z+=R+，Z-=R-。

1.1.3 母線對(duì)地電容

若直流系統(tǒng)對(duì)地電容存在且不可以忽略，當(dāng)母線對(duì)地接入電容時(shí)，母線對(duì)地電壓的變化呈現(xiàn)為電容的充放電過(guò)程。母線絕緣接地時(shí)，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(shí)，測(cè)試所得時(shí)間t，可得電容C的計(jì)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(bǔ)償橋

當(dāng)正母線對(duì)地絕緣下降較負(fù)母線對(duì)地絕緣下降嚴(yán)重且滿足上述條件時(shí)，將開(kāi)關(guān)S1和S3斷開(kāi)，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(cè)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

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(cè)裝置包括以下幾部分：絕緣采樣調(diào)理電路、人機(jī)接口、RS-485通信、CAN通信、開(kāi)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(cè)橋電阻，檢測(cè)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(dú)立的現(xiàn)象。S1、S3為檢測(cè)橋開(kāi)關(guān)，通過(guò)STM32完成橋電阻R3和R7的接入與斷開(kāi)，R3為5.1 kΩ、R7為10 kΩ，實(shí)現(xiàn)了不平衡狀態(tài)的檢測(cè)。R8、R9為補(bǔ)償橋電阻且阻值不同，通過(guò)STM32的輸出來(lái)控制電阻的接入與斷開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償功能。其中：S21、S22為接入與斷開(kāi)的補(bǔ)償橋開(kāi)關(guān)，可以將它們統(tǒng)稱(chēng)為S2。同時(shí)，R10～R13為采樣電阻，其阻值為3 MΩ。

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

為了實(shí)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(jì)的在線絕緣監(jiān)測(cè)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用C++編寫(xiě)，運(yùn)行環(huán)境為IAR7.10，在μC/OS操作系統(tǒng)下模塊化設(shè)計(jì)，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(hù)、升級(jí)。在線絕緣檢測(cè)部分軟件流程如圖3所示。

圖3 在線絕緣檢測(cè)部分軟件流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)前述的工作原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，基于組合橋的在線絕緣檢測(cè)技術(shù)，研制了WZJ-31微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)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(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。母線絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，絕緣電阻測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差很小，且測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差可以控制在±2.5%以?xún)?nèi)，完全滿足文獻(xiàn)[16]中±5%的誤差要求。

表1 母線絕緣監(jiān)測(cè)結(jié)果

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

表2 母線對(duì)地電容測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于平衡橋、檢測(cè)橋和補(bǔ)償橋的組合橋在線絕緣檢測(cè)方法。基于該方法的在線絕緣監(jiān)測(cè)裝置所測(cè)得的絕緣電阻在允許誤差范圍內(nèi)且可達(dá)到±2.5%以?xún)?nèi)，所測(cè)得的母線對(duì)地電容可達(dá)到±10%以?xún)?nèi)。該方法覆蓋了站用直流電源絕緣報(bào)警和絕緣預(yù)警的各種故障現(xiàn)象，做到了盡量無(wú)檢測(cè)死區(qū)。大量的站用直流電源系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明了其可行性、有效性和準(zhǔn)確性，同時(shí)也可將其應(yīng)用到不接地直流母線系統(tǒng)的其他領(lǐng)域。