CN101216543A - 直流系统接地故障检测校验方法及其专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流系统接地故障检测校验方法及其专用装置，该校验方法的特征是：1)设置一种用于校验直流接地检测设备的校验装置，模拟输出各种直流系统的工作参数及不同直流系统接地故障；2)由校验装置模拟直流电源系统的各项参数，对各项参数进行标定，进而对直流系统接地检测设备的工作状态进行判定。专用装置的特征是：包括控制处理单元、输入单元、电压源单元、故障接地单元和输出单元，输入单元的输出端连接控制处理单元的输入端，控制处理单元的控制信号输出端分别连接电压源输出单元、故障接地输出单元的控制信号输入端。本发明是对直流系统接地检测设备进行规范检验标准和校验方法，使直流系统接地检测设备的运行状况能得到有效的监控。

Description

直流系统接地故障检测校验方法及其专用装置

技术领域

本发明涉及一种直流系统接地故障检测校验方法及其专用装置。属于直流系统的检测设备技术领域。

背景技术

直流系统接地检测设备，已为电力系统广泛采用。目前，国内110kV及以上电压等级变电站，大都采用了直流系统接地检测装置。估计，全国在线的直流系统接地检测的巡检装置有上万套，而便携式设备则有上千套。

然而，现有技术的这些直流系统接地检测设备，在接地告警、接地选线及接地查找三部分检测的原理与方法多种多样。而且国内到目前为止仍然没有一个统一的检验标准，也没有相应检测手段。所以无法定期对直流系统接地检测设备进行检验，其运行情况长期处于失控状态。另外，各厂家在生产直流接地检测设备时，也没有进行功能性、安全性的检测，技术指标很不规范，没有一个可以依据的技术指标，因而在选择产品十分困惑。

目前，通常采用如图1所示的直流接地校验方法。如图1所示，一般在直流负荷馈线，通过电阻模拟接地，观察直流接地检测设备对接地电阻的测量值是否准确，能否正确告警，及能否选出接地支路(如图中接地支路i)。该方法虽然基本能够判断接地检测设备是否正常工作。但存在以下缺点：(1)只能模拟电阻单极接地故障，对设备功能检验不完整；(2)不能模拟直流系统分布电容参数，因而无法检验设备的性能；(3)在运行的直流系统中，模拟接地故障，有可能危及电网的安全运行，使得运行维护人员不能模拟其它接地故障(如两极同时接地故障、交直流串电故障等)，模拟分布电容就更不方便。

因此，为了指导生产厂家在研发、生产、调试直流系统接地检测设备时，有一个功能相对齐全、技术指标规范的方法，从而制造出适用范围广泛的直流接地故障检测设备，迫切需要一种直流系统接地故障检测设备的系统性校验方法，明确校验的标准与内容，以使直流系统接地检测设备从研发到应用，都有明确的、可以依据的技术标准来规范产品的性能、质量和安全可靠性等，确保电网监测的准确性，解决目前仍然困扰着电力系统的运行维护人员直流接地故障处理问题，提高电力系统安全稳定运行水平，具有十分重要的意义，对电力系统的直流系统的安全运行和运行管理也是十分必要。

发明内容

本发明的第一个目的，是为了提供一种直流系统接地故障检测校验方法，该方法可以对现场使用中的的直流系统接地故障检测设备进行校验，分析现场设备的运行状况，以及指导研发和生产规范化的直流系统接地故障检测设备。

本发明的第二个目的，是为了提供一种用于直流系统接地故障检测的专用装置，该装置不但能够输出直流系统电压源、直流系统分布电容、母线对地绝缘电阻，而且能够模拟直流系统的各种接地故障，包括电阻性接地、交流串电接地故障等。

本发明的第一个目的可以通过采取如下措施达到：

直流系统接地故障检测的校验方法，其特征在于：

1)设置一种用于校验直流接地检测设备的校验装置，模拟输出各种直流系统的工作参数及不同直流系统接地故障；

2)校验装置模拟直流电源系统的各项参数包括：提供适用24～245V直流系统的工作电源；10～100uF可调的系统分布电容；1～10uF可调的支路分布电容；

3)模拟各种接地故障，包括：0～999KΩ电阻单极接地，0～999KΩ电阻两极接地，0～999KΩ电阻多点接地，50/110/220V交流接地；

4)对其进行分析和校验，由校验装置模拟直流电源系统的各项参数，并且对各项参数进行标定，即用直流系统接地检测设备对校验设备在不同背景参数下的各种方案进行的标定参数的检测，根据检测数据，对直流系统接地检测设备的工作状态进行判定。

本发明的第一个目的还可以通过采取如下措施达到：

本发明第一个目的的一种实施方式是：可以对所述被校验的直流接地检测设备，在接地故障回路产生的接地信号电流频率、电压、电流、功率等进行测量与分析。

本发明的第二个目的可以通过采取如下措施达到：

用于直流系统接地故障检测的专用装置，其结构特点是：包括控制处理单元、输入单元、电压源单元、故障接地单元和输出单元，输入单元的输出端连接控制处理单元的输入端，控制处理单元的控制信号输出端分别连接电压源输出单元、故障接地输出单元的控制信号输入端。

本发明的第二个目的还可以通过采取如下措施达到：

本发明第二个目的的一种实施方式是：输入单元包括空节点输入电路和键盘输入电路；电压源输出单元包括直流电压源和交流电压源；故障接地输出单元包括电阻接地、交流接地和分布电容接地；输出单元由液晶显示电路构成。

本发明第二个目的的一种实施方式是：直流电压源的输出电压可以是24-240V直流系统的工作电源，0～999KΩ电阻单极接地，0～999KΩ电阻两极接地，0～999KΩ电阻多点接地，交流接地包括50/110/220V交流接地，分布电容接地包括0-100uF可调的系统分布电容、0-10uF可调的支路分布电容。

本发明第二个目的的一种实施方式是：输出单元还包括检测注入直流系统信号频率电路、电压电路、电流电路、功率电路以及提供直流接地告警检测电路。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明提出了一种新型的直流接地检测设备的校验手段，提出了具体的校验内容，让研发、生产、验收、运行部门等各环节，都能够完整、有效的校验直流接地检测设备。解决目前仍然困扰着电力系统的运行维护人员直流接地故障处理问题，提高电力系统安全稳定运行水平，可广泛用于：(1)发、供、用电企业直流系统接地检测设备的定检；(2)技术管理部门对直流系统接地检测设备的入网检测；(3)直流系统接地检测设备生产企业的出厂检验；(4)安装单位的现场校验；(5)电力企业员工接地查找与处理培训；(5)高校与科研单位的教学与研究。

2、本发明是为了规范直流系统的绝缘监测设备和接地检测设备的功能，根据项目的前期工作对变电站直流系统的测试数据统计，得知直流系统的对地分布电容对某些类型的绝缘监测设备和接地检测设备在接地电阻测量上，尤其接地故障的定位是有很大影响的，经过在变电站的实际测试也表明确实有些类型的产品存在不完善的地方，验证该项目的必要性。本发明对直流系统接地检测设备进行逐级检查校验，规范检验标准和校验方法，使直流系统接地检测设备的运行状况能得到有效的监控。

附图说明

图1是现有的直流接地巡检装置的校验方法示意图。

图2是本发明校验装置的结构框图。

图3是本发明输出参数及其控制电路图。

图4是本发明直流电压源的输出电路图。

图5是本发明模拟绝缘电阻的输出电路图。

图6是本发明模拟分布电容的输出电路图。

图7是本发明交流接地电压源的输出电路图。

图8是本发明校验巡检装置接线示意图。

图9是本发明校验查找装置接线示意图。

图10是本发明的一种键盘排列及功能说明示意图。

具体实施方式

一、首先，制定出直流系统接地检测设备的校验标准，研制出直流系统接地检测设备校验装置，校验装置须能满足以下功能：

1、提供适用24-240V直流系统的工作电源

2、模拟各种接地故障，包括：0～999KΩ电阻单极接地，0～999KΩ电阻两极接地，0～999KΩ电阻多点接地，50/110/220V交流接地。

3、模拟0-100uF可调的系统分布电容

4、模拟0-10uF可调的支路分布电容

5、检测注入直流系统信号频率、电压、电流、功率等

6、提供直流接地告警检测，代替被测巡检装置

二、确定需要解决的关键技术

1、24-245V可调直流电压源

目前，在电网用于保护等设备的直流系统电压大多是采用110v和220v，而远动通讯则48v更为常见；在发电企业的热工部分、化工、电讯等行业，使用的是24v-48v电压的直流系统。为满足各类用户的需求，本校验仪拟选择采用24-245v连续可调的直流电压源，考虑被校验设备的实际负荷大小和本仪器体积等因素，该电压源的最大输出电流设计为1A。

2、0-1000kΩ可调电阻

目前生产使用的直流接地检测设备，绝缘电阻的检测范围基本上在0-1000kΩ以内。DL/T856-2004“电力用直流电源监控装置”电力行业标准中5.2.3条款中规定，绝缘电阻检测范围：0Ω～999kΩ，5.2.6条款中规定，母线绝缘电阻测量容许偏差为绝缘报警整定值的±5％，支路为±10％。

表1

系统电压v	绝缘整定值kΩ
		220	25
110	7
		48	1.7

按此标准，本装置绝缘电阻或模拟接地电阻输出范围选择为0-1000kΩ可调，精度高于绝缘电阻检测要求(±5％)一个等级，选择±2％。

3、0-100μF可调电容

直流系统另一个重要的、直接影响接地检测的参数，是系统和支路对地分布电容。根据近年来对国内数百个110～500kV变电站和100～1000MW不同种类发电机直流系统分布电容的测量结果统计，系统分布电容大多在20～120μF，支路分布电容在0～5μF。

对此，本发明选择直流系统正负极对地电容为10～100μF，步长为10μF，正负极支路对地电容为1～10μF，步长为1μF。

4、0-220V可调交流电压源

交直流串电接地故障主要由，用于照明等的交流电压源220/110V及PT58V串入直流系统而造成的一种有源接地故障，为降低本设备的复杂程度，减少设备成本，用于模拟交直流串电接地故障的交流电压源，只输出220/110/50V三档交流电压，选择50V而不是58V，主要考虑PT58V接地后，由于PT输出能力有限，其端电压会有一定的下降。

三、系统组成与功能

1、系统总体组成

参照图2，用于直流系统接地故障检测的专用装置，其结构特点是：包括控制处理单元1、输入单元2、电压源单元3、故障接地单元4和输出单元5，输入单元2的输出端连接控制处理单元1的输入端，控制处理单元的控制信号输出端分别连接电压源输出单元3、故障接地输出单元4的控制信号输入端。

参照图3，输入单元2包括空节点输入电路2-1和键盘输入电路2-2；电压源输出单元3包括直流电压源3-1和交流电压源3-2；故障接地输出单元4包括电阻接地4-1、交流接地4-2和分布电容接地4-3；输出单元5由液晶显示电路构成。直流电压源3-1的输出电压可以是24、48、110和220V直流系统的工作电源，电阻接地4-1包括0～999KΩ电阻单极接地，0～999KΩ电阻两极接地，0～999KΩ电阻多点接地；交流接地42包括50/110/220V交流接地。

本实施例中，分布电容接地4-3包括0-100uF可调的系统分布电容、0-10uF可调的支路分布电容。

2、硬件关键技术研究及其实现

如图3所示，本装置所有需要整定与控制的参数，都在面板画出来，以方便使用，其对应的参数情况与控制如下表2：

表2输出参数说明

参数名称	数值范围	输出控制	备注
				R1	0-999k	J1	控制R1是否接入
C1	1-10μF	J2	控制C1是否接入
				R2	0-999kΩ	J3	控制R2是否接入
C2	1-10μF	J4	控制C2是否接入
				C3	10-100uF	J8	控制C3是否接入
C4	10-100μF	J9	控制C4是否接入
				DC	24-245V	J7	控制直流电压源DC是否接入
AC	50V/110V/220V	J6	控制交流电压源AC是否接入
						J5	控制交流接地极性

在图中3：

J1-J9：输出控制             R1，R2：正负极绝缘电阻

C1，C2：支路正负极对地电容  C3，C4：系统正负极对地电容

VDC：直流系统电压           VAC：交流接地电压

2.1、电压源输出与控制

参照图4，由D/A输出0-5V直流电压，控制直流电压源的输出24-245V，A/D回测输出电压大小，与整定输出电压比较，达到需要的电压时，保持D/A输出。

2.2、绝缘电阻输出

参照图5，本实施例只画出正极绝缘电阻R1，由J1控制。负极绝缘电阻R2，由J2控制，其它与R1类同。

2.3、分布电容输出

参照图6，本实施例只画出正极支路电容C1，由J2控制。负极支路电容C2，正负极系统电容C3、C4分别由J4、J8、J9控制，其它与C1类同。

2.4、交流接地电压输出

参照图7，交流接地电压源，本设备中采用带抽头的隔离变压器，分别输出220/110/50V，控制回路根据要求输出，由J6控制是否接入母线，而J5则选择接入正母线还是接入负母线。

3、装置功能和使用

3.1、装置功能

可校验的设备：直流接地告警装置，直流接地选线装置，直流接地查找装置。

可校验内容：接地检测灵敏度校验，电压越限校验，接地检测范围校验。

可模拟接地故障：单极接地，双极接地，交直流串电接地。

可模拟直流系统参数：直流系统电压，正负极对地绝缘电阻，系统正负极对地电容，支路正负极对地电容。

3.2、装置使用

本装置即可在实验室、生产车间等使用，亦可用于校验安装在现场的在线巡检设备，无需外接其它设备(除功率测量外)，即能独立使用。在设备面板标注所有输出参数及接线原理图，每步操作，都在液晶屏有详细提示，完全可以边学边用，非常方便。下面详细介绍具体使用方法。

3.3接线方式

参照图8，+KM、-KM及GND则接入需校验的接地故障告警、检测与定位设备，用穿心式互感器和钳形互感器检测接地信号，对其有关的参数、功能进行校验。

四、下面详细描述具体的试验操作

1、试验方式选择

试验方式选择
	1正极接地    6支路电容影响2负极接地    7电压试验3两极接地    8特殊试验4交流接地    9信号功率测量5系统电容影响
节点1：断开  节点2：断开
	←→↑↓键移动选择，确认键选中。

开机后，按任意键进入上述画面，画面被分隔为四栏：第一栏为本菜单的功能描述，第二栏为内容描述，第三栏为节点状态，第四栏为操作提示。

反色显示的为默认选项，本菜单中，即为“正极接地”，通过上、下、左、右键可移动光标，选择所需选项，按“Ent”确认键，进入相应的试验。

2、正极接地

正极接地实验
	直流系统电压DC：220V正极接地电阻R1：050KΩ开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

在“试验方式选择”画面中，选择“正极接地”试验并进入，显示上述画面，光标默认在“直流系统电压DC”选项，在提示栏提示“请输入直流系统电压”，默认的直流系统电压为220v，通过键盘输入试验电压数值，即可修改；按下键将光标移到“正极接地电阻R1”选项，同样可提供键盘修改接地电阻值。试验参数整定好后，将光标移到“开始试验？”，此时提示显示“按确认键开始试验”。

试验结束后，按“Esc”退出本次试验。

以下其它各试验的操作都和“正极接地试验”相同，就不再重复。

3、负极接地

负极接地试验画面如图所示。

负极接地试验
	直流系统电压DC：220V负极接地电阻R2：050KΩ开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

正负极接地即单极接地试验，主要用于检验接地检测设备设备的灵敏度，灵敏度越高，接地检测效果越好。

4、两极接地

两极接地试验
	直流系统电压DC：220V正极接地电阻R1：050KΩ负极接地电阻R2：050KΩ开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

两极接地试验中已设置：R1+R2≥25kΩ，如不满足此条件，则将自动修改后面输入的参数，以满足该条件。

国内目前运行的部分设备，对正负极绝缘同时降低即两极接地，不反映或不能正确检测，而使有的直流系统存在多点高阻接地，导致接地选线和查找更困难。因而有必要校验两极接地的情况。

5、系统电容影响

系统电容影响
	直流系统电压DC：220V正极接地电阻R1：050KΩ正极系统电容C3：050uF负极系统电容C4：050uF开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

直流系统对地电容是由供电电缆、端子及各种设备对大地的耦合与滤波电容共同构成，一般在几微法到几+微法之间。本试验主要检验系统电容对绝缘电阻和接地支路电阻测量的影响。

6、支路电容影响

本试验主要检验：接地支路存在对地电容时，接地支路电阻的测量是否有影响；非接地支路存在对地电容时，非接地支路电阻的测量是否有影响。

支路电容影响
	直流系统电压DC：220V正极接地电阻R1：050KΩ正极支路电容C1：005uF负极支路电容C2：005uF开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

7、交流接地

交流接地试验
	直流系统电压DC：220V交流系统电压VC：050V交流正极接地J51：0N OFF交流负极接地J52：0N OFF开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

直流系统供电回路，一般都有220V或110V照明交流电源和PT58V交流电压，当其串入直流系统时，则会产生交-直流串电接地故障。本试验是为了检验接地检测设备能否反应交流接地故障，及是否影响设备本身的正常工作。

8、电压试验

电压试验
	直流系统电压DC：220V开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

本试验可用于接地告警装置的“电压越限告警校验”。也可用于其它需要可变直流电压源场所，如保护的低电压试验等。

9、特殊试验

本试验菜单下，可对本装置的所有参数进行选择性控制，能完成以上列出和没有列出的各种试验，以满足其它试验的需要。

10、信号功率测量

信号功率测量
	直流系统电压DC：220V负极接地电阻R2：050KΩ开始试验？
节点1：断开    节点2：断开
	请输入直流系统电压

通过外接表计，测量负极接地电阻R2从1K-30K变化时的对应电压V，计算流过R2接地电流产生的功率P＝V2/R2，画出输出功率曲线。接地电流功率大小，反映直流接地检测设备是否安全，即是否会使保护等二次设备误动或拒动。

五、应用实例分析

1、试验方案：

现场测试是在变电站实际正常使用的直流电源的微机绝缘监测仪上进行，通过直流系统接地校验仪的参数设置，来校核微机绝缘监测仪是否能够在各种工作状况下完成绝缘监测工作。

测试项目：

1).正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

2).正、负母线同时接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

3).正、负母线均接入系统电容的情况下，正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

4).正、负母线均接入支路电容的情况下，正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

5).负母线多点接地的情况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

2、现场测试背景情况：

太和变电站的直流电源的微机绝缘监测仪是由直流电源的生产厂家(奥特迅)配套，设备型号：WTY3000A，2006年6月12日出厂，运行时间还不太长，运行期间也未发现任何异常情况。

3、测试结果：

1).正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线

测试结果：接地电阻监测结果正确，接地支路选线正确；

2).正、负母线同时接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线

测试结果：接地电阻监测结果不正确，如正、负母线的接地电阻分别为下表数值时，绝缘监测仪不能正确反映实际绝缘电阻；在绝缘监测仪接地电阻测量报警后，接地选线能正确进行选线，同时也能正确反映实际绝缘电阻状况。

设置值kΩ)		绝缘监测仪测量值(kΩ)
				R+	R-	R+	R-
10	15	219.8	999.99
				10	20	115.57	999.99
10	30	64.76	999.99
				10	40	46.25	999.99
10	50	37.16	999.99
				10	60	31.9	999.99
10	70	28.04	999.99
				10	80	25.6	999.99

3).正、负母线均接入系统电容的情况下，正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

测试结果：接地电阻监测结果正确，接地支路选线正确；

4).正、负母线均接入支路电容的情况下，正母线在不同的电阻接地状况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

测试结果：接地电阻测试结果正确，接地回路选线正确，但非接地支路也同时误报接地，致使无法选定接地回路；

5).负母线多点接地的情况下微机绝缘监测仪进行测试和选线；

测试结果：接地电阻测试结果为多点接地电阻的并联值，接地回路选线正确。

4、结论：

1)太和变电站的直流电源微机绝缘监测仪(生产厂家：奥特迅，设备型号：WTY3000A)在正、负母线单独接地，而且支路电容较小的情况下能够正常工作；

2)在正、负母线同时接地时接地电阻监测结果不正确；

3)在支路电容较大时，非接地支路也同时误报接地，致使无法选定接地回路。

本发明通过对直流接地检测装置的研究，尤其是对直流接地检测装置使用条件、使用环境的研究，确定了开发直流系统接地校验仪的设计思想和技术路线，再通过实验室的设计、试制、调试、校准，以及现场的测试工作，完成了项目要求，研制、开发出能够模拟实际直流电源系统的直流系统接地校验仪。该设备能够模拟出现在电网直流电源系统的参数变化范围，以及可能出现的接地故障类型，使目前在直流系统中广泛应用的绝缘监测设备和接地检测设备能够得到校验，避免出现绝缘监测设备出现故障时得不到有效的监控，

Claims (6)

1.直流系统接地故障检测校验方法，其特征在于：

1)设置一种用于校验直流接地检测设备的校验装置，模拟输出各种直流系统的工作参数及不同直流系统接地故障；

2)校验装置模拟直流电源系统的各项参数包括：提供适用24～245V直流系统的工作电源；10～100uF可调的系统分布电容；1～10uF可调的支路分布电容；

3)模拟各种接地故障，包括：0～999KΩ电阻单极接地，0～999KΩ电阻两极接地，0～999KΩ电阻多点接地，50/110/220V交流接地；

4)对其进行分析和校验，由校验装置模拟直流电源系统的各项参数，并且对各项参数进行标定，即用直流系统接地检测设备对校验设备在不同背景参数下的各种方案进行的标定参数的检测，根据检测数据，对直流系统接地检测设备的工作状态进行判定。

2.根据权利要求1所述的直流系统接地故障检测校验方法，其特征在于：对所述被校验的直流接地检测设备，在接地故障回路产生的接地信号电流频率、电压、电流、功率等进行测量与分析。

3.用于直流系统接地故障检测校验的专用装置，其特征在于：包括控制处理单元(1)、输入单元(2)、电压源单元(3)、故障接地单元(4)和输出单元(5)，输入单元(2)的输出端连接控制处理单元(1)的输入端，控制处理单元的控制信号输出端分别连接电压源输出单元(3)、故障接地输出单元(4)的控制信号输入端。

4.根据权利要求3所述的用于直流系统接地故障检测的专用装置，其特征在于：输入单元(2)包括空节点输入电路(2-1)和键盘输入电路(2-2)；电压源输出单元(3)包括直流电压源(3-1)和交流电压源(3-2)；故障接地输出单元(4)包括电阻接地(4-1)、交流接地(4-2)和分布电容接地(4-3)；输出单元(5)由液晶显示电路构成。

5.根据权利要求3所述的用于直流系统接地故障检测的专用装置，其特征在于：直流电压源(3-1)的输出电压可以是24V、48V、110V和220V直流系统的工作电源，电阻接地(4-1)包括0-100KΩ电阻一点接地、0-100KΩ平衡电阻接地和0-100KΩ多点接地；交流接地(4-2)包括50-250V交流接地，分布电容接地(4-3)包括0-100uF连续可调的分布电容、不平衡负荷电流、负荷电流的波动。

6.根据权利要求3所述的用于直流系统接地故障检测的专用装置，其特征在于：输出单元(5)还包括检测注入直流系统信号频率电路、电压电路、电流电路、功率电路以及提供直流接地告警检测电路。

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