CN102680863B - 监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，其特征在于通过监测母线正极对地电压的变化，或负极对地电压的变化，又或者母线正、负极对地电压绝对值差值的变化，判断直流系统是否发生两极对地绝缘同比例下降，且发生正极绝缘下降与负极绝缘下降的时间相差Δt的故障。本方法无需切换不平衡桥，不会引起母线电压的波动，避免了保护继电器误动的发生。

Description

监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法

技术领域

本发明涉及直流IT系统的绝缘监测技术。

背景技术

发电厂和变电站的直流系统为控制、保护、信号以及自动装置提供电源，直流系统安全、可靠、连续地运行对保证正常发电、供电具有极为重要的意义。为了保证供电的连续性和可靠性，直流系统一般设计为浮空制的不接地系统，即IT系统。根据电力工程直流系统的设计要求，需对直流IT系统进行绝缘监测。

现有的绝缘监测技术以电桥法为主，按照实现原理可以分为“平衡桥法”和“不平衡桥法”。两者在监测直流系统的接地故障时都存在缺陷：“平衡桥法”难以监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的故障，且无法计算母线正、负极的对地电阻值；“不平衡桥法”不存在上述的缺陷，但电桥电路切换时却会引起母线电压的剧烈波动，严重时甚至导致保护继电器的误动。现有技术多采用“不平衡桥法”监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的故障，同时，采取相应的措施，如定时投入不平衡桥等，尽量减少不平衡电路的切换次数。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种监测方法，可以有效确定直流系统是否存在两极对地绝缘同比例下降，且发生正极绝缘下降与负极绝缘下降的时间相差Δt的故障，并可以此作为触发条件，启动不平衡桥进行故障检测。

本发明采用以下技术方案：

一种监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，其步骤是：

实时采样母线正极的对地电压U₊及母线负极的对地电压U_-；

分析时间段T内母线正极的对地电压，或者母线负极的对地电压，又或者母线正、负极对地电压的绝对值差值的状态变化；

判断直流系统是否发生两极对地绝缘同比例下降，且两极绝缘下降的时间相差Δt的故障；

若发生所述故障，则启动不平衡桥进行故障检测。

进一步地：

当检测到直流系统母线正极的对地电压U₊发生变化：先上升ΔU_+r，经时间Δt后下降ΔU_+f，或者先下降ΔU_+f，经时间Δt后再上升ΔU_+r，且满足下列关系式：

ΔU_+r≥NU_d或ΔU_+f≥NU_d

且|ΔU_+r-ΔU_+f|≤ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。

当检测到直流系统母线负极的对地电压U_-发生变化：先上升ΔU_-r，经时间Δt后下降ΔU_-f，或者先下降ΔU_-f，经时间Δt后再上升ΔU_-r，且满足下列关系式：

ΔU_-r≥NU_d或ΔU_-f≥NU_d

且ΔU_-r-ΔU_-f|≤ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。

当检测到直流系统母线正、负极对地电压的绝对值差值U_abs发生变化：先上升ΔU_abr，经时间Δt后下降ΔU_abf，或者先下降ΔU_abf，经时间Δt后再上升ΔU_abr，且满足下列关系式：

U_abs＝|U₊|-|U_-|，ΔU_abr≥2NU_d或ΔU_abf≥2NU_d

且|ΔU_abr-ΔU_abf|≤2ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。

所述的直流系统母线正极绝缘下降与负极绝缘下降的时间间隔Δt受下式约束：

Δt≥-τ₁*ln[1-(N*U_d)/(K*U)]

当母线负极先于母线正极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R₊)*[(R//R_-)-(R//R′_-)]/{[(R//R_-)+(R//R₊)]*[(R//R′_-)+(R//R₊)]}

τ₁＝(R//R//R₊//R′_-)*C

当母线正极先于母线负极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R_-)*[(R//R₊)-(R//R′₊)]/{[(R//R₊)+(R//R_-)]*[(R//R′₊)+(R//R_-)]}

τ₁＝(R//R//R_-//R′₊)*C

式中：

R：平衡桥桥臂上的电阻值；

R₊：直流系统对地绝缘良好时，母线正极的对地电阻值；

R_-：直流系统对地绝缘良好时，母线负极的对地电阻值；

R′_-：直流系统负极绝缘下降后，母线负极的对地电阻值；

R′₊：直流系统正极绝缘下降后，母线正极的对地电阻值；

C：母线正、负极对地电容的并联值；

ln：自然对数计算符；

U：直流系统母线正、负极间的电压；

R//R+：电阻R与电阻R+的并联值。

与现有技术相比，本方法通过对母线电压的分析，就可以实时监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的故障，且在此监测过程中无需投入不平衡桥，从而不会引起母线电压的波动，避免了保护继电器的误动。

附图说明

图1是实施实例一的分析流程图；

图2是负极绝缘下降先于正极绝缘下降时，母线正极对地电压的变化；

图3是正极绝缘下降先于负极绝缘下降时，母线正极对地电压的变化；

图4是实施实例二的分析流程图；

图5是负极绝缘下降先于正极绝缘下降时，母线负极对地电压的变化；

图6是正极绝缘下降先于负极绝缘下降时，母线负极对地电压的变化；

图7是实施实例三的分析流程图；

图8是负极绝缘下降先于正极绝缘下降时，母线正、负极对地电压绝对值差值的变化；

图9是正极绝缘下降先于负极绝缘下降时，母线正、负极对地电压绝对值差值的变化。

具体实施方式

本发明涉及监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法。其步骤为：

实时采样母线正极的对地电压U₊及母线负极的对地电压U_-；

分析时间段T内母线正极的对地电压，或者母线负极的对地电压，又或者母线正、负极对地电压的绝对值差值的状态变化；

判断直流系统是否发生两极对地绝缘同比例下降，且两极绝缘下降的时间相差Δt的故障；

若发生所述故障，则启动不平衡桥进行故障检测。

下面结合附图详细说明。

实施实例一

实时采样、记录直流系统母线正极的对地电压U₊，分析采样数据，确定直流系统是否发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。数据的分析流程如图1所示。

设相邻两次电压采样的时间相差T₀，则满足关系式(1)：

T＝T₀*(2n+1)    (1)

式中：

T：采样时间段

(2n+1)＝T/T₀，为采样次数

采样母线正极对地电压的计数CNT从零开始。

当CNT＜2n+1时，采样U₊，并将采样值存储在数组U_p[2n+1]的CNT位。CNT加1。

当CNT＝2n+1时，选择数组U_p[2n+1]中的最大值U_pmax和最小值U_pmin。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志未置位，判断U_pmax和U_pmin是否满足下列关系式：

U_pmax-U_pmin＝ΔU_+r    (2)

ΔU₊r≥NU_d    (3)

或

U_pmax-U_pmin＝ΔU_+f    (4)

ΔU_+f≥NU_d    (5)

若判断结果为真，则置位单极绝缘故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统未发生单极对地绝缘下降的故障，将数组U_p[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_p[i]＝U_p[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U₊，并将采样值存储在U_p[2n]。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志已置位，判断U_pmax和U_pmin是否满足下列关系式：

U_pmax-U_pmin＝|ΔU_+r-ΔU_+f|    (6)

|ΔU_+r-ΔU_+f|≤ΔU₀    (7)

U_pmax＝U/2    (8)

或

U_pmin＝U/2    (9)

若判断结果为真，则置位两极绝缘同时同比例下降故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统只存在单极绝缘下降的故障，将数组U_p[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_p[i]＝U_p[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U₊，并将采样值存储在U_p[2n]。

直流系统两极对地绝缘下降的时间相差Δt，Δt由关系式(10)约束：

Δt≥-τ₁*ln[1-(N*U_d)/(K*U)]    (10)

当母线负极先于母线正极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R₊)*[(R//R_-)-(R//R′_-)]/{[(R//R_-)+(R//R₊)]*[(R//R′_-)+(R//R₊)]}    (11)

τ₁＝(R//R//R₊//R′_-)*C    (12)

当母线正极先于母线负极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R_-)*[(R//R₊)-(R//R′₊)]/{[(R//R₊)+(R//R_-)]*[(R//R′₊)+(R//R_-)]}    (13)

τ₁＝(R//R//R_-//R′₊)*C    (14)

式(1)-式(14)中：

N：裕度系数；

U_d：采样电路的分辨率；

ΔU_+r：母线正极对地电压的上升量；

ΔU_+f：母线正极对地电压的下降量；

ΔU₀：判断直流系统两极对地绝缘同比例下降的门限电压差。

R：平衡桥桥臂上的电阻值；

R₊：直流系统对地绝缘良好时，母线正极的对地电阻值；

R_-：直流系统对地绝缘良好时，母线负极的对地电阻值；

R′_-：直流系统负极绝缘下降后，母线负极的对地电阻值；

R′₊：直流系统正极绝缘下降后，母线正极的对地电阻值；

C：母线正、负极对地电容的并联值；

ln：自然对数计算符；

U：直流系统母线正、负极间的电压；

R//R₊：电阻R与电阻R₊的并联值。

实施实例二

实时采样、记录直流系统母线负极的对地电压U_-，分析采样数据，确定直流系统是否发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。数据的分析流程如附图4所示。

设相邻两次电压采样的时间相差T₀，则满足关系式(1)：

T＝T₀*(2n+1)    (1)

采样母线负极对地电压U_-的计数CNT从零开始。

当CNT＜2n+1时，采样U_-，并将采样值存储在数组U_n[2n+1]的CNT位。CNT加一。

当CNT＝2n+1时，选择数组U_n[2n+1]中的最大值U_nmax和最小值U_nmin。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志未置位，判断U_nmax和U_nmin是否满足下列关系式：

U_nmax-U_nmin＝ΔU_-r    (15)

ΔU_-r≥NU_d    (16)

或

U_nmax-U_nmin＝ΔU_-f    (17)

ΔU_-f≥NU_d    (18)

若判断结果为真，则置位单极绝缘故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统未发生单极对地绝缘下降的故障，将数组U_n[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_n[i]＝U_n[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U_-，并将采样值存储在U_n[2n]。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志已置位，判断U_nmax和U_nmin是否满足下列关系式：

U_nmax-U_nmin＝|ΔU_-r-ΔU_-f|    (19)

|ΔU_-r-ΔU_-f|≤ΔU₀    (20)

U_nmax＝U/2    (21)

或

U_nmin＝U/2(22)

若判断结果为真，则置位两极绝缘同时同比例下降故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统只存在单极绝缘下降的故障，将数组U_n[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_n[i]＝U_n[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U_-，并将采样值存储在U_n[2n]。

直流系统两极对地绝缘下降的时间相差Δt，Δt由关系式(10)约束：

Δt≥-τ₁*ln[1-(N*U_d)/(K*U)]    (10)

当母线负极先于母线正极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R₊)*[(R//R_-)-(R//R′_-)]/{[(R//R_-)+(R//R₊)]*[(R//R′_-)+(R//R₊)]}    (11)

τ₁＝(R//R//R₊//R′_-)*C    (12)

当母线正极先于母线负极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R_-)*[(R//R₊)-(R//R′₊)]/{[(R//R₊)+(R//R_-)]*[(R//R′₊)+(R//R_-)]}    (13)

τ₁＝(R//R//R_-//R′₊)*C    (14)

以上式中：

ΔU_-r：母线负极对地电压的上升量；

ΔU_-f：母线负极对地电压的下降量。

实施实例三

实时采样、记录直流系统母线正极的对地电压U₊和负极的对地电压U_-，分析采样数据，判断直流系统是否发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障。数据的分析流程如附图7所示。

设相邻两次电压采样的时间相差T₀，则满足关系式(1)：

T＝T₀*(2n+1)    (1)

采样母线正极对地电压U₊和负极对地电压U_-的计数CNT从零开始。

当CNT＜2n+1时，采样U₊和U_-，计算两者的绝对值差值U_abs：

U_abs＝|U₊|-|U_-|    (23)

将U_abs存储在数组U_a[2n+1]的CNT位。CNT加一。

当CNT＝2n+1时，选择数组U_a[2n+1]中的最大值U_amax和最小值U_amin。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志未置位，判断U_amax和U_amin是否满足下列关系式：

U_amax-U_amin＝ΔU_abr    (24)

ΔU_abr≥2NU_d    (25)

或

U_amax-U_amin＝ΔU_abf    (26)

ΔU_abf≥2NU_d    (27)

判断结果为真，则置位单极绝缘故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统未发生单极对地绝缘下降的故障，将数组U_a[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_a[i]＝U_a[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U₊和U_-，并计算两者的绝对值差值U_abs，将U_abs存储在U_a[2n]。

当CNT＝2n+1时，如果单极绝缘故障的标志已置位，判断U_amax和U_amin是否满足下列关系式：

U_amax-U_amin＝|ΔU_abr-ΔU_abf|    (28)

|ΔU_abr-ΔU_abf|≤2ΔU₀    (29)

U_amax＝0    (30)

或

U_amin＝0    (31)

判断结果为真，则置位两极绝缘同时同比例下降故障的标志；反之，判断结果为假，则表明直流系统只存在单极绝缘下降的故障，将数组U_a[2n+1]的1～2n单元内的数据前移一位，即U_a[i]＝U_a[i+1]，i∈[0，2n-1]，同时，采样U₊和U_-，并计算两者的绝对值差值U_abs，将U_abs存储在U_a[2n]。

直流系统两极对地绝缘下降的时间相差Δt，Δt由关系式(10)约束：

Δt≥-τ₁*ln[1-(N*U_d)/(K*U)]    (10)

当母线负极先于母线正极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R₊)*[(R//R_-)-(R//R′_-)]/{[(R//R_-)+(R//R₊)]*[(R//R′_-)+(R//R₊)]}    (11)

τ₁＝(R//R//R₊//R′_-)*C    (12)

当母线正极先于母线负极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R_-)*[(R//R₊)-(R//R′₊)]/{[(R//R₊)+(R//R_-)]*[(R//R′₊)+(R//R_-)]}    (13)

τ₁＝(R//R//R_-//R′₊)*C    (14)

以上式中：

ΔU_abr：母线正、负极对地电压绝对值差值的上升量；

ΔU_abf：母线正、负极对地电压绝对值差值的下降量。

Claims (4)

1.一种监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，通过实时采样母线正极的对地电压U₊及母线负极的对地电压U_-，并分析时间段T内母线正极的对地电压U₊，或者母线负极的对地电压U_-，又或者正极的对地电压U₊和负极的对地电压U_-的绝对值差值的状态变化，其特征在于：

判断直流系统是否发生两极对地绝缘同比例下降，且两极绝缘下降的时间间隔Δt的故障；

时间间隔Δt受下式约束：

Δt≥-τ₁*ln[1-(N*U_d)/(K*U)]

当母线负极先于母线正极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R₊)*[(R//R_-)-(R//R′_-)]/{[(R//R_-)+(R//R₊)]*[(R//R′_-)+(R//R₊)]}τ₁＝(R//R//R₊//R′_-)*C

当母线正极先于母线负极出现绝缘下降故障时：

K＝(R//R_-)*[(R//R₊)-(R//R′₊)]/{[(R//R₊)+(R//R_-)]*[(R//R′₊)+(R//R_-)]}τ₁＝(R//R//R_-//R′₊)*C

式中：

R：平衡桥桥臂上的电阻值，

R₊：直流系统对地绝缘良好时，母线正极的对地电阻值，

R_-：直流系统对地绝缘良好时，母线负极的对地电阻值，

R′_-：直流系统负极绝缘下降后，母线负极的对地电阻值，

R′₊：直流系统正极绝缘下降后，母线正极的对地电阻值，

C：母线正、负极对地电容的并联值，

ln：自然对数计算符，

U：直流系统母线正、负极间的电压，

R//R₊：电阻R与电阻R₊的并联值，

N：裕度系数，

U_d：采样电路的分辨率；

若发生所述故障，则启动不平衡桥进行故障检测。

2.如权利要求1所述的监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，其特征在于：

当检测到直流系统母线正极的对地电压U₊发生变化：先上升ΔU_+r，经时间间隔Δt后下降ΔU_+f，或者先下降ΔU_+f，经时间间隔Δt后再上升ΔU_+r，且满足下列关系式：

ΔU_+r≥NU_d或ΔU_+f≥NU_d

且

|ΔU_+r-ΔU_+f|≤ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障，

式中：

N：裕度系数；

U_d：采样电路的分辨率；

ΔU_+r：母线正极对地电压的上升量；

ΔU_+f：母线正极对地电压的下降量；

ΔU₀：判断直流系统两极对地绝缘同比例下降的门限电压差。

3.如权利要求1所述的监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，其特征在于：

当检测到直流系统母线负极的对地电压U_-发生变化：先上升ΔU_-r，经时间间隔Δt后下降ΔU_-f，或者先下降ΔU_-f，经时间间隔Δt后再上升ΔU_-r，且满足下列关系式：

ΔU_-r≥NU_d或ΔU_-f≥NU_d

且

|ΔU_-r-ΔU_-f|≤ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障，

式中：

ΔU_-r：母线负极对地电压的上升量；

ΔU_-f：母线负极对地电压的下降量；

ΔU₀：判断直流系统两极对地绝缘同比例下降的门限电压差。

4.如权利要求1所述的监测直流系统两极对地绝缘同时同比例下降的方法，其特征在于：

当检测到直流系统母线正、负极对地电压的绝对值差值U_abs发生变化：先上升ΔU_abr，经时间间隔Δt后下降ΔU_abf，或者先下降ΔU_abf，经时间间隔Δt后再上升ΔU_abr，且满足下列关系式：

U_abs＝|U₊|-|U_-|

ΔU_abr≥2NU_d

或ΔU_abf≥2NU_d

且

|ΔU_abr-ΔU_abf|≤2ΔU₀

则确定直流系统已发生两极对地绝缘同时同比例下降的故障，

式中：

ΔU_abr：母线正、负极对地电压绝对值差值的上升量；

ΔU_abf：母线正、负极对地电压绝对值差值的下降量；

ΔU₀：判断直流系统两极对地绝缘同比例下降的门限电压差。