CN106556744B - 一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法，通过母线投切带有电流表的电感支路，对直流系统中的对地电容进行补偿，并通过单片机进行快速高频率投切带有电流表的电阻支路，改变线路中的电压、电流频率，辅助电感与对地电容产生谐振，从而消除电容对绝缘检测造成的影响。本质上并未向电路中注入谐波，因此对直流系统并无影响。故考虑采用具有较高精度的交流传感器，并施以快速投切电路以改变回路中直流电压电流波形，使其转变为方波交流电。将谐振补偿理论与高速投切电阻改变波形方法相结合进行高精度故障电流测量，计算出对地电阻，从而提升直流系统绝缘检测精度。

Description

一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法。

背景技术

变电站和发电厂的直流系统常出现母线、支路绝缘下降的故障，现有检测方法存有不可避免的缺点，直流系统为变电站和发电厂的继电保护及操作电路供电，如果直流系统发生严重故障，会导致整个电网出现重大事故，因此直流系统能否安全稳定运行，关系到整个电网安全运行。而支路对地绝缘下降，又称对地电阻降低是直流系统的主要故障。当一点出现接地故障，由于没有构成完整回路，因此对电路不会产生较大影响，一旦出现两点接地故障，构成完整回路，将产生严重事故，例如继电保护故障误动作。

经多次仿真实验及现场调试后，发现直流电流传感器在检测精度上需要进一步提升。原有的直流传感器基于霍尔传感器原理，其在检测大电流时效果显著，而在检测几十至上百微安级别电流时灵敏度明显不足。在直流系统绝缘监测的过程中，为了能够及时发现故障并对其进行排除，以避免故障的发生，在线路电阻小于设定值时应该对线路进行报警，此时由于绝缘电阻下降不大，所以对地产生的电流还很小，只有几十微安，因此霍尔传感器不能满足需求。

通过查阅文献及参考资料，发现目前工程应用的在线式直流传感器大都基于霍尔原理，并且精度严重不足，而市面上使用的交流传感器精度极高，甚至可到达几微安的精度，因此尝试使用交流传感器进行电流的测量。有部分文献中的方法采用的是变频探测法，其基本原理是定时的在直流系统母线与大地之间注入低频交流电流信号，根据交流电流信号的流向来查找接地故障，但使用变频探测法监测接地故障时，不仅会增大系统的电压纹波系数,影响供电质量,而且受系统的分布电容影响,使分辨率降低，而且国家规定不允许使用变频探测法。针对此问题，提出一种基于谐振补偿方法的直流系统绝缘监测方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种将高精度的交流传感器在线安装，通过投切电阻的方法将直流检测对地等效回路改造成交流回路，但并未向系统内注入谐波，并通过谐振补偿的原理将系统对地电容对交流传感器的影响进行消去，测量电流精度得以提升，从而提升支路绝缘检测的精度的一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法，包括以下步骤：

1)计算出系统总对地电容值；

2)以50Hz为基准，通过谐振公式计算出发生谐振所需电感值，再投切电感组中与所需电感值最接近的电感，最后改变投切电阻频率，以实现完全谐振；

3)达到谐振后，将高精度交流电流传感器进行在线安装，并对各支路进行电流进行测量，首先对照等效电路列出基尔霍夫电流向量方程组：

4)将交流电流传感器测出的I_i，I_j，I_k...与I_R(I_R＝I_Ra＝I_Rb)，I_L带入方程组：

求出I_Ri，I_Rj，I_Rk，....I_Ci，I_Cj，I_Ck，....，最后将其带入支路电阻计算公式即可计算出支路绝缘状况，从而实现对直流系统的绝缘检测。

本发明的有益效果为：通过快速投切电阻的方式，以改变支路电路电流的波形，将其由直流电转化为交流电，波形变为方波，从而使具备高精度的交流传感器得以应用。并通过发生并联谐振，对系统电容进行补偿，消除电容对交流传感器测量造成的影响。

附图说明

图1为本发明一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法中的谐振电路。

图2为本发明一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法中的谐振仿真电路。

图3为本发明一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法中的直流系统等效电路。

图4为本发明一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法中的直流系统投切电阻支路等效电路。

图5为本发明一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法中的投切电路仿真图。

图6为电容测量方法的原理图。

图7为电容放电曲线图。

图8为投切回路电流波形。

具体实施方式

首先对理论谐振进行仿真，证明谐振在实际电路中存在。然后对直流系统电路进行分析，画出等效电路，再对其电流、电阻计算公式进行推导。

参阅图1-图5。

一、证明谐振存在于实际电路中

仿真实验：通过使用multisim仿真软件对电路进行谐振电路的仿真。

数据显示：通过仿真，验证谐振在实际电路中是真是发生的，设定电容初值为1μF，频率f＝50Hz，推出当L＝10.1452H时与电感发生理论谐振，此时流过电感的电流I₆＝69.027mA，流过电容的电流I₇＝69.259mA，两个电流表显示的值近似相等，电阻电流I₄等于干路电流I₈。又通过搭建电路，根据电容值，缠绕线圈，设置与其谐振的电感值。仿真与理论推导均证明电路中真实存在谐振现象。

二、谐振补偿法测量支路对地电阻

对公式进行编程，计算出电路中电容大小，并优化选择投切电感。电容的求取采用一种已知的计算方法。电感使用电感箱，以50Hz为基准，根据电容投切最接近谐振的电感，再通过调整频率以达到完全谐振。单片机控制K1，K2开关快速交换开闭，控制电路中电流频率，使电路中电流波形为方波，以达到电感对电容补偿，发生谐振。由于发生并联谐振，因此等效电路为断路，从而消除了电感对对地电阻测量时产生的影响。R₁，C₁...R_n,C_n为支路等效对地电阻及电容。

IRa＝-IRb＝IR，根据基尔霍夫电流定律，可列出如下向量方程组：

又化简为解非线性方程组，

通过对仿真数据进行计算，设电容为1uF，f＝50Hz，经计算L＝5.07H时，电路中可发生谐振。为简化仿真过程，设置电阻R＝0。

电路中：

(1)I_R＝7.504mA,I_R1+I_R2＝4.398mA+3.143mA＝7.54mA,通过仿真得出I_R≈I_R1+I_R2；

(2)I_C1＝69.087mA＝I_C2，I_l1＝138.066mA≈I_C1+I_C2＝138.174mA；

(3)I₁＝69.227mA,I₁ ²＝4792.38≈I_R1 ²+I_C1 ^2＝19.34+4773.01＝4792.35；

(4)I₂＝69.158mA,I₂ ²＝4782.82≈I_R2 ²+I_C2 ^2＝9.87+4773.01＝4782.88；

通过仿真，证明上面4个等式的成立。通过仿真结果，由电流表电流求IR1,IR2求电阻R1，R2。电压311V为幅值，有效值为220V。

经仿真结果计算求取的电阻值与电路中设定的电阻值基本相等，可证明理论成立。

通过R环境进行编程(实际中电压已知为311VC，I₁，I₂为支路传感器测量电流，IRa＝IRb＝IR，可通过投切电路中电流表测出，I_L为投切电感支路电流可由电流表测出，四个方程，解四个未知量)，将实际数据进行带入，即可求出各支路电阻上的电流值，又可测量出各支路的对地电压，从而可以准确计算出各支路对地电阻值。对方程组

计算结果带入下列公式：

支路电阻计算公式为

根据图6和图7所示，其中，C1，C2分别为正负母线对地电容；R1，R2分别为正负母线对地电阻；Rt为已知测量电阻；R为直流系统正常运行时各接入负载总等效电阻；U1为待测电压；Uc为C1两端电压。

电容测量方法为：测量开关K闭合前后Uc值U0和U∞，利用RC电路零输入响应特性和三要素法求电容，得到以下结果：

u₀＝ER₁(R₁+R₂)

u_∞＝ER_M/R₂

R_M＝R₁R₂R_t/(R₁R₂+R₂R_T+R₁R_t)

τ＝(C₁+C₂)R_M

R_M＝R₁//R₂//R_t

令k＝u₀-u_∞

y(t)＝u_c(t)-u_∞

t-t₀＝τln[k/y(t)]

任取电压曲线上两点(t1,u1)，(t2,u2)带入上式

t₁-t₀＝τln[k/y(t₁)]

t₂-t₀＝τln[k/y(t₂)]

t₁-t₂＝τln[y(t₁)/y(t₂)]

τ＝(t₁-t₂)/ln[y(t₁)/y(t₂)]

由τ＝(C₁+C₂)R_M和t₁-t₂＝τln[y(t₁)/y(t₂)]推出

又有，R_M＝R_t(u₀-u_∞)/u₀

可得，

通过仿真，对结果进行验证，得出测量值与计算值之间误差精度很小，满足实际需求。

C<sub>1</sub>设定值F	C<sub>2</sub>设定值F	C<sub>1</sub>+C<sub>2</sub>测量值F	误差	达到稳态时间
					0.0005	0.0005	0.0096	4％	1.6s
0.0009	0.0001	0.0095	5％	1.6s
					0.0015	0.0005	0.00204	2％	3.1s
0.002	0.004	0.00594	1％	8.2s
					0.005	0.005	0.01004	0.4％	15.1s
0.01	0.01	0.02004	0.2％	28s
					0.02	0.01	0.031	0.33％	45s
0.04	0.01	0.0499	0.02％	61s

本发明的有益效果为：通过快速投切电阻的方式，以改变支路电路电流的波形，将其由直流电转化为交流电，波形变为方波，从而使具备高精度的交流传感器得以应用。并通过发生并联谐振，对系统电容进行补偿，消除电容对交流传感器测量造成的影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于谐振补偿理论的直流系统绝缘检测方法，其特征在于：将直流系统等效为一直流系统等效电路，所述直流系统等效电路包括正母线、负母线、R₊、R_-、C₊、C_-、R_i+、R_i-、C_i+、C_i-，其中正负电压分别为直流+110V、-110V，R₊、R_-和C₊、C_-为正、负母线等效对地电阻、电容；R_i+、R_i-、C_i+、C_i-为正、负支路对地电阻和对地电容，母线上连接多条支路，所有支路对地电阻和对地电容的集合即为母线对地电阻和对地电容；该方法为：在直流系统中的正负母线上分别设置开关投切支路和电感补偿支路，每个开关投切支路包括R_a、R_b、K₁、K₂，R_a、R_b为开关投切支路上的限流电阻，K₁、K₂为投切开关，每个电感补偿支路包括L₊、L_-，L₊、L-为电感补偿支路上的电感；开关K₁、K₂交替开断与大地相连，与母线对地电阻构成频率可调的方波交流回路，使L₊、L_-与C₊、C_-发生并联谐振；电流表测量流过开关投切支路的电流为I_Ra、I_Rb，通过电流表测得流过电感补偿支路的电流为I_L+、I_L-；在每条支路上安装交流小电流传感器，正负母线上开关交替开闭调节电压电流频率，电感补偿电路上的电感与系统对地等效电容发生谐振，从而消除电容对交流传感器精度的影响，电阻R_a与R_b为预设限流电阻，当开关投切支路投切于正母线位置时，电流由正母线、开关经支路接地电阻流入负母线构成回路，电感与电容发生并联谐振等效为开路状态，测量数据，开关投切支路投切于负母线时原理相同，仅电流方向相反；

具体包括以下步骤：

1)计算出系统总对地电容值；

2)以50Hz为基准，通过谐振公式计算出发生谐振所需电感值，再投切电感组中与所需电感值最接近的电感，最后改变投切电阻频率，以实现完全谐振；单片机控制K1，K2开关快速交换开闭，控制电路中电压、电流频率，使电路中电压、电流波形为方波，以达到电感对电容补偿，发生谐振；

3)与此同时将交流小电流传感器进行在线安装，并对各支路电流进行测量，首先对照等效电路列出基尔霍夫电流向量方程组：

其中，R₁，C₁...为支路等效对地电阻及电容，I₁，I₂为支路传感器测量电流，I_Ra为开关投切支路投入正母线时流过开关投切支路电流，通过开关投切支路中电流表测出，I_Rb为开关投切支路投入负母线时流过开关投切支路电流，通过开关投切支路中电流表测出，得出I_Ra＝-I_Rb＝I_R，I_L为投切电感支路电流，由电流表测出；

4)将交流小电流传感器测出的I_i，I_j，I_k...与I_R，I_L带入方程组：

求出I_Ri，I_Rj，I_Rk，....I_Ci，I_Cj，I_Ck，....，最后将其带入支路电阻计算公式其中R_i为待求第i条支路电阻值，I_Ri为流过第i条支路中待测电阻的电流，U为直流系统正负母线之间电压220V，I_R为流过投切开关的电流，R为开关投切支路电阻，即可计算出支路绝缘状况，从而实现对直流系统的绝缘检测。