CN103033689B - 可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置及控制方法，其装置包括平衡电桥电路、不平衡电桥电路和补偿电桥电路三部分，其中：补偿电桥电路根据直流系统正负极对地电压的偏移状况，向直流母线负极对地或直流母线正极对地投入电阻，以使直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压基本一致或达到直流系统安全运行条件。当直流母线对地电压产生偏移时，本发明可通过补偿电桥电路对偏移电压进行补偿，使直流系统正负极对地电压处于平衡状态，从而避免了出口继电器正极单点接地引起的继电保护误动问题。

Description

可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测系统及方法，属于直流IT系统绝缘监测领域。

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，为了保证供电的连续性和可靠性，直流系统一般设计为不接地系统，即IT系统。根据电力工程直流系统设计要求，需要对直流IT系统进行绝缘监测。

目前大多数绝缘监测装置是通过平衡桥与不平衡桥相结合的方法进行绝缘监测。通过切换不平衡电桥，测量在不平衡桥处于不同状态时正负极对地的电压值，利用测量得到的正负极对地电压值计算正负母线绝缘电阻。

直流绝缘监测装置的引入，会引起直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压的不平衡，即母线对地电压偏移。近几年来从发电厂和变电站反馈的事故信息及其分析中，可以知道，母线对地电压的偏移可能引起继电保护误动。

下面对因母线对地电压偏移而引起的继电保护误动进行详细说明。

如图1所示，KM+、KM-分别表示直流母线正极和负极，R+、R-分别表示母线正极KM+和负极KM-对地的绝缘电阻，C+、C-分别表示母线正极KM+和负极KM-与地之间的分布电容。R1～R4、K1、K2为绝缘监测装置的内置电路。其中：R1连接到正极和地之间，R2连接到负极和地之间，且R1＝R2，我们一般称之为平衡桥；R3通过开关K2连接至负极和地之间，R4通过开关K1连接至正极和地之间，通过改变K1、K2的开关状态决定R3、R4是否与母线连接，我们一般称之为不平衡桥。KJ为电力系统保护触点，其与继电器的线圈KM串接，当电力系统发生故障需要出口继电器动作时，电力系统保护装置就会将KJ闭合，继电器线圈KM得电动作；KJ一般处于继电保护室内，KM一般处于室外，所以，a点与b点之间的线路较长且大部分处于环境较恶劣的室外，容易发生一点直接接地即继电器线圈KM正极单点接地。根据国家电网的反事故措施要求，继电器的动作电压U_d一般为额定直流电源电压的55％～70％。

绝缘监测装置平衡桥的引入，是为了保证直流系统的正极对地电压和负极对地电压的平衡。但是，在直流系统内，由于天气原因或其它原因，经常发生两极对地绝缘电阻有较大差异的情况，即R+＞＞R-或R-＞＞R+。在这种情况下，就会产生直流系统正极对地电压和负极对地电压的偏移。

设直流母线负极对地电压U_-与直流母线正极对地U₊的比值为K，则有

$K=\frac{U_{-}}{U_{+}}=\frac{R_2//R_{-}}{R_1//R_{+}}$

以R1＝R2＝30k Ω例算，当R-＞＞R+，如R-＝600k Ω、R+＝100k Ω时，则有

$K=\frac{30//600}{30//100}\≈1.238>\frac{55\%}{45\%}$

即

U-＞55％×U_n

此时，若在继电保护线路上a点与b点之间发生直接接地，继电器线圈KM两端电压U_KM即为负极对地电压，即

U_KM＝U-＞U_d

可以看出，继电器线圈KM两端电压大于继电器的动作电压U_d，此时就可能发生继电保护误动。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流绝缘监测装置及方法，该装置在进行绝缘监测时，可补偿由于两极绝缘下降或单极绝缘下降引起的直流母线正负极对地电压偏移，解除由于出口继电器线圈正极单点接地引起的继电保护误动的隐患，从而有效克服由于正负极对地电压偏移引起的继电保护误动。

本发明的技术解决方案为：

一种可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置，其特征在于：

包括平衡电桥电路、不平衡电桥电路和补偿电桥电路三部分，其中：

所述的补偿电桥电路根据直流系统正负极对地电压的偏移状况，向直流母线负极对地或直流母线正极对地投入电阻，以使直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压基本一致或达到直流系统安全运行条件。

进一步地：

所述的补偿电桥电路由连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻、正极对地补偿电阻的切换开关、连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻、负极对地补偿电阻的切换开关组成。

所述的连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻是可控的、可变的；所述的连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻是可控的、可变的。

所述的补偿电桥电路仅由连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻、正极对地补偿电阻的切换开关组成，或仅由连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻、负极对地补偿电阻的切换开关组成。

所述的平衡电桥电路由连接到直流母线正极和地之间的平衡电阻、连接到直流母线负极和地之间的平衡电阻组成。

所述的连接到正极和地之间的平衡电阻的阻值与所述的连接到负极和地之间的平衡电阻的阻值相等。

所述的不平衡电桥电路由连接到直流母线正极和地之间的不平衡电阻、正极对地不平衡电阻的切换开关、连接到直流母线负极和地之间的不平衡电阻、负极对地不平衡电阻的切换开关组成。

所述的不平衡电桥电路仅包含连接到直流母线正极和地之间的不平衡电阻、正极对地不平衡电阻的切换开关，或仅包含连接到直流母线负极和地之间的不平衡电阻、负极对地不平衡电阻的切换开关。

一种可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置的控制方法，其包含以下步骤：

(1)采集直流系统正极对地电压U₊和负极对地电压U_-，设

$K=\frac{U_{-}}{U_{+}}$

当K大于某定值或小于某定值时，或U_-大于某定值或小于某定值时，或U₊大于某定值或小于某定值时，起动补偿电桥；

(2)当正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重时，向负极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b-按下式计算：

$R_{b-}=\frac{K_b\×R_p\×R_{+}\×R_{-}}{R_p\×R_{-}-K_b\×R_p\×R_{+}+(1-K_b)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值，R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b-}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{-}-R_{+}};$

(3)当负极对地绝缘下降较正极对地绝缘下降严重时，向正极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b+按下式计算：

$R_{b+}=\frac{R_p\×R_{+}\×R_{-}}{K_b\×R_p\×R_{+}-R_p\×R_{-}+(K_b-1)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值，R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b+}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{+}-R_{-}}.$

本发明采用上述技术进行直流绝缘监测，当直流母线对地电压产生偏移时，可通过补偿电桥电路对偏移电压进行补偿，使直流系统正负极对地电压处于平衡状态，从而避免了出口继电器正极单点接地引起的继电保护误动问题。

附图说明

图1是目前的绝缘监测电桥电路及直流系统原理图。

图2是本发明的技术原理框图。

图3是本发明的实施例1的原理图，图中示出的补偿电桥电路仅在负极和地之间连接补偿电阻。

图4是本发明的实施例2的原理图，图中示出的补偿电桥电路仅在正极和地之间连接补偿电阻。

图5是本发明的实施例3的原理图，图中示出的补偿电桥电路含有正极与地之间的补偿电阻和负极与地之间的补偿电阻。

图6是本发明实施例1～3的补偿电桥电路电阻的实施实例a，图中示出的补偿电桥电阻是多个电阻的串联。

图7是本发明实施例1～3的补偿电桥电路电阻的实施实例b，图中示出的补偿电桥电阻是多个电阻的并联。

具体实施方式

本发明涉及直流绝缘监测系统及方法。

图2为本发明的技术原理图。图中显示了一种可克服直流母线对地电压偏移的直流绝缘监测系统，包括平衡电桥电路1、不平衡电桥电路2、补偿电桥电路3。其中：

平衡电桥电路1与直流母线的正极和负极、地相连。

不平衡电桥电路2与直流母线的正极和负极、地相连，也可仅与直流母线正极和地相连，或仅与直流母线负极和地相连。

补偿电桥电路3与直流母线的正极和负极、地相连，也可仅与直流母线正极和地相连，或仅与直流母线负极和地相连。补偿电桥电路3根据直流系统正负极对地电压的偏移状况，向直流母线负极对地或直流母线正极对地投入电阻，以使直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压基本一致或达到直流系统安全运行条件。

图3为本发明的实施例1的原理图，图中示出的补偿电桥电路仅在负极和地之间连接补偿电阻。该实施实例包括平衡电桥电路11、不平衡电桥电路12、补偿电桥电路13。其中：平衡电桥电路11由平衡电阻R1、R2组成，R1连接正极和地，R2连接负极和地，且R₁＝R₂＝R_p(R_p为某一具体值)。不平衡电路12由不平衡电阻R3、R4及开关K1、K2组成，开关K1和电阻R4串联后接在正极和地之间；开关K2和电阻R3串联后接在负极和地之间。补偿电桥电路13由补偿电阻R5和开关K3组成，补偿电阻R5和开关K3串联后接在负极和地之间。补偿电阻R5是可调的、可变的。补偿电阻R5的取值按下式确定：

$R_5=\frac{K_b\×R_p\×R_{+}\×R_{-}}{R_p\×R_{-}-K_b\×R_p\×R_{+}+(1-K_b)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中：R_p为平衡电桥电路11中的平衡电阻的阻值；K_b为投入补偿电阻后期望的负极对地电压与正极对地电压的比；R+、R-分别为母线正极对地和负极对地的绝缘电阻。

一般地，取K_b＝1，则上式可简化为：

$R_5=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{-}-R_{+}}$

使用本实施实例的局限性在于，仅能在正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重时(即R_-＞R₊时)进行补偿。

图4为本发明实施例2的原理图，图中示出的补偿电桥电路仅在正极和地之间连接补偿电阻。该实施实例包括平衡电桥电路21、不平衡电桥电路22、补偿电桥电路23。其中：平衡电桥电路21由平衡电阻R1、R2组成，R1连接正极和地，R2连接负极和地，且R₁＝R₂＝R_p(R_p为某一具体值)。不平衡电路22由不平衡电阻R3、R4及开关K1、K2组成，开关K1和电阻R4串联后接在正极和地之间，开关K2和电阻R3串联后接在负极和地之间。补偿电桥电路23由补偿电阻R5和开关K3组成，补偿电阻R5和开关K3串联后接在正极和地之间。补偿电阻R5是可调的、可变的。补偿电阻R5的取值按下式确定：

$R_5=\frac{R_p\×R_{+}\×R_{-}}{K_b\×R_p\×R_{+}-R_p\×R_{-}+(K_b-1)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中：R_p为平衡电桥电路21中的平衡电阻的阻值；K_b为投入补偿电阻后期望的负极对地电压与正极对地电压的比；R+、R-分别为母线正极对地和负极对地的绝缘电阻。

一般地，取K_b＝1，则上式可简化为：

$R_5=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{+}-R_{-}}$

使用本实施实例的局限性在于，仅能在负极对地绝缘下降较正极对地绝缘下降严重时(即R₊＞R_-时)进行补偿。

图5为本发明的实施例3的原理图，图中示出的补偿电桥电路含有正极与地之间的补偿电阻和负极与地之间的补偿电阻。该实施实例包括平衡电桥电路31、不平衡电桥电路32、补偿电桥电路33。其中：平衡电桥电路31由平衡电阻R1、R2组成，R1连接正极和地，R2连接负极和地，且R₁＝R₂＝R_p(R_p为某一具体值)。不平衡电路32由不平衡电阻R3、R4及开关K1、K2组成，开关K1和电阻R4串联后接在正极和地之间，开关K2和电阻R3串联后接在负极和地之间；补偿电桥电路33由负极补偿电阻R5、正极补偿电阻R6和开关K3、K4组成，负极补偿电阻R5和开关K3串接后接在负极和地之间，正极补偿电阻R6和开关K4串接后接在正极和地之间。负极补偿电阻R5和正极补偿电阻R6是可调的、可变的。

负极补偿电阻R5的取值按下式确定：

$R_5=\frac{K_b\×R_p\×R_{+}\×R_{-}}{R_p\×R_{-}-K_b\×R_p\×R_{+}+(1-K_b)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中：R_p为平衡电桥电路31中的平衡电阻的阻值；K_b为投入补偿电阻后期望的负极对地电压与正极对地电压的比；R+、R-分别为母线正极对地和负极对地的绝缘电阻。

一般地，取K_b＝1，则上式可简化为：

$R_5=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{-}-R_{+}}$

正极补偿电阻R6的取值按下式确定：

$R_6=\frac{R_p\×R_{+}\×R_{-}}{K_b\×R_p\×R_{+}-R_p\×R_{-}+(K_b-1)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中：R_p为平衡电桥电路31中的平衡电阻的阻值；K_b为投入补偿电阻后期望的负极对地电压与正极对地电压的比；R+、R-分别为母线正极对地和负极对地的绝缘电阻。

一般地，取K_b＝1，则上式可简化为：

$R_5=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{+}-R_{-}}$

使用本实施实例的补偿电路，在正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重时即R_-＞R₊时，投入负极补偿电阻进行补偿；在负极对地绝缘下降较正极对地绝缘下降严重时即R₊＞R_-时，投入正极补偿电阻进行补偿。

在实施例1～3中，连接到直流母线正极对地之间的补偿电阻或连接到直流母线负极对地之间的电阻可以通过下面的方式实现。

图6所示本发明实施例1～3的补偿电桥电路电阻的实施实例a，该实施实例包括n个电阻R1…Rn，(n+1)个开关K0、K1…Kn，其中，R1与K1并联，R2与K2并联……Rn与Kn并联，然后R1至Rn依次串联，并与K0串联，串联后的两点连接到直流母线负极(或正极)和地之间。R1～Rn具有相同或不同的阻值，通过断开或闭合K0实现补偿电路的退出与投入，通过调节K1～Kn实现补偿电阻的调节。

图7所示本发明实施例1～3的补偿电桥电路电阻的实施实例b，该实施实例包括n个电阻R1…Rn，n个开关K1…Kn，其中，R1与K1串联，R2与K2串联……Rn与Kn串联，各串联后的支路连接到直流母线负极(或正极)和地之间。R1～Rn具有相同或不同的阻值，通过断开或闭合Ki(i为1-n)实现补偿电路的退出与投入和补偿电阻的调节。

本发明可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置的控制方法，包含以下步骤：

(1)采集直流系统正极对地电压U₊和负极对地电压U_-，设

$K=\frac{U_{-}}{U_{+}}$

当K大于某定值或小于某定值时，或U_-大于某定值或小于某定值时，或U₊大于某定值或小于某定值时，起动补偿电桥；

(2)当正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重时，向负极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b-按下式计算：

$R_{b-}=\frac{K_b\×R_p\×R_{+}\×R_{-}}{R_p\×R_{-}-K_b\×R_p\×R_{+}+(1-K_b)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值，R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b-}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{-}-R_{+}};$

(3)当负极对地绝缘下降较正极对地绝缘下降严重时，向正极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b+按下式计算：

$R_{b+}=\frac{R_p\×R_{+}\×R_{-}}{K_b\×R_p\×R_{+}-R_p\×R_{-}+(K_b-1)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值，R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b+}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{+}-R_{-}}.$

Claims (4)

1.一种可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置，其特征在于：

包括平衡电桥电路、不平衡电桥电路和补偿电桥电路三部分，其中：

所述的补偿电桥电路根据直流系统正负极对地电压的偏移状况，向直流母线负极对地或直流母线正极对地投入电阻，以使直流母线正极对地电压和直流母线负极对地电压基本一致或达到直流系统安全运行条件。

2.如权利要求1所述的可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置，其特征是：

所述的补偿电桥电路由连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻、正极对地补偿电阻的切换开关、连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻、负极对地补偿电阻的切换开关组成；

所述的连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻是可控的、可变的；所述的连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻是可控的、可变的。

3.如权利要求1所述的可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置，其特征是：

所述的补偿电桥电路仅由连接到直流母线正极和地之间的补偿电阻、正极对地补偿电阻的切换开关组成，或仅由连接到直流母线负极和地之间的补偿电阻、负极对地补偿电阻的切换开关组成。

4.一种可补偿正负极对地电压偏移的直流绝缘监测装置的控制方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)采集直流系统正极对地电压U₊和负极对地电压U_-，设

$K=\frac{U_{-}}{U_{+}}$

当K大于某定值或小于某定值时，或U_-大于某定值或小于某定值时，或U₊大于某定值或小于某定值时，起动补偿电桥；

(2)当正极对地绝缘下降较负极对地绝缘下降严重时，向负极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b-按下式计算：

$R_{b-}=\frac{K_b\×R_p\×R_{+}\×R_{-}}{P_p\×R_{-}-K_b\×R_p\×R_{+}+(1-K_b)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值,R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b-}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{-}-R_{+}};$

(3)当负极对地绝缘下降较正极对地绝缘下降严重时，向正极投入电阻进行补偿，补偿电阻的阻值R_b+按下式计算：

$R_{b+}=\frac{R_p\×R_{+}\×R_{-}}{K_b\×R_p\×R_{+}-R_p\×R_{-}+(K_b-1)\×R_{+}\×R_{-}}$

其中，K_b为补偿后负极对地电压与正极对地电压的比值,R_p为平衡桥电阻，R+、R-分别表示母线正极和负极对地的绝缘电阻，

此处，希望正极对地电压和负极对地电压相等，即K_b＝1，则上式可简化为

$R_{b+}=\frac{R_{+}\×R_{-}}{R_{+}-R_{-}}.$