CN108445361B - 测量电力用直流系统接地电阻的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电力用直流系统接地电阻的系统和方法，采用双倍桥臂差流法，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，通过四个开关K₁、K₂、K₃、K₄的切换，利用交替投切两组桥臂产生的漏电流之差，推导直流系统对地绝缘电阻值。本发明相比现有技术具有以下优点：采用双倍桥臂抵消直流漏电流传感器零漂，可提高基于不平衡桥的差流绝缘监测法的准确性，准确计算各分支的接地电阻值。

Description

测量电力用直流系统接地电阻的系统和方法

技术领域

本发明涉及直流电源系统的绝缘监测领域，更具体涉及一种测量电力用直流系统接地电阻的系统和方法。

背景技术

发电厂和变电所直流系统是发电厂和变电所中控制回路、信号回路、保护装置、自动装置及自动化系统的操作电源，其可靠性直接影响到电力系统运行的安全。由于直流系统分布广，元器件多，所处环境各异，可能会出现绝缘下降，甚至一点接地现象。与通信基站用48V直流电源的正输出与大地相连不同，电力用直流操作电源输出正、负母线均不接地，故一点绝缘下降或接地，对直流系统和直流负荷工作无任何影响，但必须及时发现和消除，否则当出现另一点绝缘下降或接地，就会造成直流电源输出正负母线通过大地形成回路，可能会引起保护装置误动作，甚至直流断路器跳闸或熔断器熔断，导致二次回路失去直流工作电源，故电力用直流操作电源系统均安装绝缘监察装置。

早期发电厂和变电站的直流系统采用电桥平衡技术来检测接地故障，如图1所示，其中R₊和R_-分别为正负直流母线对地电阻，R为检测装置内部的检测电阻，R_J为继电器的电阻。当正负母线绝缘状况良好，即R₊和R_-很大时，只有微小的不平衡电流流过R_J。当直流母线某一级的对地电阻下降到某一门槛值时，电桥失去平衡，有电流流过R_J，继电器动作，绝缘监察装置发出接地报警信号。但电桥平衡技术不能反映直流系统正、负母线绝缘均等下降的情况，且只能判断直流系统的整体绝缘状态，不能实现故障分支定位。

为实现不停电的支路查找要求，从上世纪90年代末开始，采用信号寻迹法的微机型直流接地巡检仪开始在110kV及以上变电站和发电厂得到广泛应用。其在直流馈出支路安装毫安级的电流互感器(CT)，如图2所示。当该装置检测到正负母线对地绝缘电阻低于门槛值时，装置在正母线注入一个低频交流信号，在CT的二次侧检测各支路低频电流的幅值和相位，进而计算出各支路的绝缘电阻。当该装置检测到正负母线对地绝缘电阻低于门槛值时，装置在正母线注入一个低频交流信号，在CT的二次侧检测各支路低频电流的幅值和相位，进而计算出各支路的绝缘电阻。

差流检测法是较为新颖的方法，其利用不平衡桥检测母线绝缘状况，再结合直流漏电流传感器实现对分支故障进行检测。该方法相对于现有检测方法，无须向系统注入低频信号，对直流系统不会造成干扰，且与系统分布电容大小无关，检测灵敏度较高。

为实现直流馈出支路绝缘下降查找功能，将图2中的CT换成非接触式直流漏电流传感器，如图3所示，可检测出任一分支正负导线的流入与流出电流差值的大小与方向。

在K₊或K_-闭合期间，若无绝缘电阻下降或接地故障，穿越漏电流传感器的正极电流I₊和负极电流I_-大小相等、方向相反，即I₊＝I_-，两者的差值为零，则漏电传感器输出为0。

K₊闭合K_-断开时，若分支电路负极绝缘电阻下降或接地，分支负极接地电阻为R_Z-与正母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路，分支电路负极存在漏电流，穿越漏电流传感器的正极电流和负极电流之差为I_Z-。K₊断开K_-闭合时，若分支电路正极绝缘电阻下降或接地，分支正极接地电阻为R_Z+与负母线绝缘检测电阻R通过大地形成回路，分支电路正极存在漏电流，穿越漏电流传感器的正极电流和负极电流之差为I_Z+。根据各支路的直流漏电传感器是否输出为0和输出电压的极性即可判断出该支路是否有接地故障和接地的极性。但具体接地的电阻值的计算则要根据支路接地点的情况进行分析和计算，其具体情况可按单支路接地和多支路接地来区分。

如图4，为单桥臂差流法测绝缘电阻的单支路正负均接地典型等效电路原理图，其中R_f为负载电阻(是母线上通过空气开关形成的负载电阻，当对应的空气开关闭合时，即并联在直流母线上，其对绝缘检测没有影响，故等效为一个等效电阻R_f)，R₁、R₂为检测装置内部的检测电阻、K₊、K_-为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₊接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K_-接在负母线和大地之间，R_Z+和R_Z-分为分支电路中正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻。图5a为K₊闭合K_-断开时的等效电路，图5b为K₊断开K_-闭合时的等效电路。假定检测电阻R₁、R₂的阻值均为R，单桥臂差流法单支路正负均接地公式如下，其中u_m为正负母线间电压。

图6为多支路出现接地故障的负接地的等效电路，正极无接地，即各分支正极对大地的绝缘电阻R_Z1+～R_Zn+为无穷大，且K₊闭合K_-断开时的等效电路，可计算出各分支负极对大地的绝缘电阻R_Z1-～R_Zn-的具体数值。

同理，当出现多支路正接地无负接地时，可根据K₁断开K₂闭合时测得的各分支正极漏电流I_Z1+～I_Zn+计算出各分支正极对大地的绝缘电阻R_Z1+～R_Zn+的具体数值。

现有的基于不平衡桥的差流绝缘监测法的优势在于，可以实现对多支路直流系统的绝缘故障定位定量检测，并利用非接触式的直流漏电流传感器检测某分支回路流入和流出电流的差值，来判断该支路的绝缘状况。

但存在的问题是在差流法绝缘监测过程中，当所测的漏电流数值较小时，漏电流传感器的固有零漂会导致计算的绝缘电阻误差很大，造成绝缘报警误动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何消除直流漏电流传感器的零漂对差流绝缘监测法准确性的影响。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种测量电力用直流系统接地电阻的系统，采用双倍桥臂差流法，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，单支路的情况下，R_f为并联在直流母线上的负载电阻，R_Z+和R_Z-分为分支电路中正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，多支路的情况下，R_f1……R_fn为并联在直流母线上的负载电阻，R_Z1+、R_Z2+……R_Zn+和R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分为分支电路中各分支正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2。

更具体的，设定上述电阻R₁、R₂的阻值为R，电阻R₃、R₄的阻值为(1/4)R。

本发明还提供一种采用上述的测量电力用直流系统接地电阻的系统进行测量的方法，单支路正负均接地的情况的测量包括下述步骤：

1)仅使K₁闭合，得分支负极漏电流I_Z1-；

仅使K₃闭合，得分支负极漏电流I_Z2-；

仅使K₂闭合，得分支正极漏电流I_Z1+；

仅使K₄闭合，得分支正极漏电流I_Z2+。

2)由1)得到的数据可知，K₁、K₂交替导通得正负接地电阻公式：

其中u_m为正负母线间电压；

K₃、K₄交替导通得正负接地电阻公式：

3)由公式(1)和(2)得：

另使ΔI₊＝I_Z2+-I_Z1+，ΔI_-＝I_Z2--I_Z1-

即K₂和K₄分别闭合时，得到分支正极漏电流之差为ΔI₊；K₁和K₃分别闭合时，得到分支负极漏电流之差为ΔI_-。

则有：

同理：

同时：ΔI₊R_Z+＝ΔI_-R_Z-

故得：

4)根据以上三个步骤即推导出利用漏电流差值计算正负接地电阻值的公式：

多支路单极性接地的计算步骤如下：

1)以两条支路负接地为例进行推导：

定义I_Z11-和I_Z21-分别为K₁闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流；I_Z12-和I_Z22-分别为K₃闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流。

K₁闭合得：

K₃闭合得：

2)由公式(3)和(4)得：

另ΔI₁＝I_Z12--I_Z11-，ΔI₂＝I_Z22--I_Z21-

即ΔI₁为分支1在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差；ΔI₂为分支2在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差。

则有：

同理：

同时：ΔI₁R_Z1-＝ΔI₂R_Z2-

故得：

3)根据以上两个步骤推导出利用漏电流差值计算两条支路负接地电阻值的公式：

4)由公式(5)推广任意条支路负接地的情况：

其中R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分别为分支电路中各分支负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2。

多支路正接地与多支路负接地原理相同。

本发明相比现有技术具有以下优点：采用双倍桥臂抵消直流漏电流传感器零漂，可提高基于不平衡桥的差流绝缘监测法的准确性，准确计算各分支的接地电阻值。

附图说明

图1是现有单桥平衡法检测绝缘电路原理图；

图2是现有信号寻迹法原理图；

图3是现有差流检测法检测馈出支路绝缘状况原理图；

图4是现有单桥臂差流法单支路电路原理图；

图5a为图4中K₁闭合时单桥臂差流法单支路接地等效电路；

图5b为图4中K₂闭合时单桥臂差流法单支路接地等效电路；

图6为K₁闭合时单桥臂差流法多支路接地等效电路；

图7是本发明实施例双倍桥臂差流法单支路电路原理图；

图8a为图7中K₁闭合时双倍桥臂差流法单支路接地等效电路；

图8b为图7中K₃闭合时双倍桥臂差流法单支路接地等效电路；

图8c为图7中K₂闭合时双倍桥臂差流法单支路接地等效电路；

图8d为图7中K₄闭合时双倍桥臂差流法单支路接地等效电路；

图9是本发明实施例双倍桥臂差流法多支路电路原理图；

图10a为K₁闭合时双倍桥臂差流法多支路接地等效电路；

图10b为K₃闭合时双倍桥臂差流法多支路接地等效电路。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图7所示，本发明实施例测量电力用直流系统接地电阻的系统采用双倍桥臂差流法，单支路正负均接地的情况下，其中R_f为负载电阻(母线上通过空气开关形成的负载电阻，当对应的空气开关闭合时，即并联在直流母线上，其对绝缘检测没有影响，故等效为一个等效电阻R_f)，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，R_Z+和R_Z-分为分支电路中正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻。并且假设上述电阻R₁、R₂的阻值为R，电阻R₃、R₄的阻值为(1/4)R。

采用上述系统测量电力用直流系统正接地电阻R_Z+和负接地电阻R_Z-的方法如下：

单支路正负均接地，等效电路如图8a至8d所示：

1)仅使K₁闭合如图8a，得分支负极漏电流I_Z1-；

仅使K₃闭合如图8b，得分支负极漏电流I_Z2-；

仅使K₂闭合如图8c，得分支正极漏电流I_Z1+；

仅使K₄闭合如图8d，得分支正极漏电流I_Z2+。

2)由1)得到的数据可知，K₁、K₂交替导通得正负接地电阻公式：

其中u_m为正负母线间电压。

K₃、K₄交替导通得正负接地电阻公式：

3)由公式(1)和(2)得：

另使ΔI₊＝I_Z2+-I_Z1+，ΔI_-＝I_Z2--I_Z1-

即K₂和K₄分别闭合时，得到分支正极漏电流之差为ΔI₊；K₁和K₃分别闭合时，得到分支负极漏电流之差为ΔI_-；

则有：

同理：

同时：ΔI₊R_Z+＝ΔI_-R_Z-

故得：

4)根据以上三个步骤即可推导出利用漏电流差值计算正负接地电阻值的公式：

上式为单支路正负均接地的算法，通过公式可以看出，仅使用两个不同桥臂分别投切所测得的漏电流之差代入计算，可以消除漏电流传感器的零漂，因此可以准确求出正负对地绝缘电阻值。

请参阅图9所示，本发明实施例测量电力用直流系统接地电阻的系统采用双倍桥臂差流法，多支路的情况下，其中R_f1……R_fn为负载电阻(R_f1……R_fn都是负载电阻，母线上通过空气开关形成的多个分支上的负载电阻，当对应的空气开关闭合时，即并联在直流母线上，其对绝缘检测没有影响)，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，R_Z1+、R_Z2+……R_Zn+和R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分为分支电路中各分支正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2。并且假设上述电阻R₁、R₂的阻值为R，电阻R₃、R₄的阻值为(1/4)R。

多支路单极性接地，等效电路如图10a和图10b所示：

1)以两条支路负接地为例进行推导：

定义I_Z11-和I_Z21-分别为K₁闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流；I_Z12-和I_Z22-分别为K₃闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流。

K₁闭合得：

K₃闭合得：

2)由公式(3)和(4)得：

另ΔI₁＝I_Z12--I_Z11-，ΔI₂＝I_Z22--I_Z21-

则有：

同理：

同时：ΔI₁R_Z1-＝ΔI₂R_Z2-

故得：

即ΔI₁为分支1在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差；ΔI₂为分支2在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差。

3)根据以上两个步骤推导出利用漏电流差值计算两条支路负接地电阻值的公式：

4)由公式(5)可推广任意条支路负接地的情况：

其中R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分别为分支电路中各分支负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2。

多支路正接地与多支路负接地原理相同，不做叙述。通过公式可以看出，只要准确得到两个不同阻值的桥臂分别投切所测得的漏电流之差，就可以计算出接地电阻值，此时直流漏电传感器的零漂已被抵消。

采用现有技术的单桥臂差流法和本申请的双倍桥臂差流法进行接地电阻的测量的对比实验如下所述：

1、电路中正母线和负母线的电压u_m用120V稳压电源提供。R阻值为3.64k，1/4R阻值为0.91k。

2、选用13k和20k(实际值分别为12.94k和19.96k)的电阻分别作为分支正极对大地的绝缘电阻R_Z+和负极对大地的绝缘电阻和R_Z-，具有并联的三个支路：支路1、支路2、支路3，其中本次实验中支路2和支路3均不接地，只有一路支路1接地，用以模拟单支路接地的情况。用现有技术的单桥臂差流法和双倍桥臂差流法分别模拟单支路正负均接地的情况，检测数据记录于表1和表2。

单桥臂差流法单支路正负均接地公式：

双倍桥臂差流法单支路正负均接地公式：

表1

表2

3、再用13k、20k、40k(实际值分别为12.94k、19.96k和39.7k)的电阻作为支路1、支路2、支路3的负接地电阻。用单桥臂差流法和双倍桥臂差流法分别模拟多支路负接地的情况，检测数据记录于表5和表6。

单桥臂差流法多支路负接地公式：

双倍桥臂差流法多支路负接地公式：

表3

表4

对比表1与表2、表3与表4的数据可知，双倍桥臂差流法基本可以消除直流漏电流传感器零漂的影响，比传统的单桥臂差流法检测更准确。实验中发现，增大母线电压或者适当减小桥臂的阻值可提高测量精度。在实际工程应用中，母线检测电阻数值的选取要考虑母线电阻的功率和漏电传感器的最大检测能力。实际上母线检测电阻的数值选取应根据实际应用场合仔细计算，该数值对于检测精度有很大的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (2)

1.采用测量电力用直流系统接地电阻的系统进行测量的方法，测量电力用直流系统接地电阻的系统采用双倍桥臂差流法，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，单支路的情况下，R_f为并联在直流母线上的负载电阻，R₊和R_-分别为电路中正母线和负母线对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，当只有单支路出现绝缘状况降低时，定义R_Z+和R_Z-分别为该支路正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其特征在于，设定上述电阻R₁、R₂的阻值为R，电阻R₃、R₄的阻值为(1/4)R，单支路正负均接地的情况的测量包括下述步骤：

1)仅使K₁闭合，得分支负极漏电流I_Z1-；

仅使K₃闭合，得分支负极漏电流I_Z2-；

仅使K₂闭合，得分支正极漏电流I_Z1+；

仅使K₄闭合，得分支正极漏电流I_Z2+；

2)由1)得到的数据可知，K₁、K₂交替导通得正负接地电阻公式：

其中u_m为正负母线间电压；

K₃、K₄交替导通得正负接地电阻公式：

3)由公式(1)和(2)得：

另使ΔI₊＝I_Z2+-I_Z1+，ΔI_-＝I_Z2--I_Z1-

即K₂和K₄分别闭合时，得到正极漏电流之差为ΔI₊；K₁和K₃分别闭合时，得到负极漏电流之差为ΔI_-；

则有：

同理：

同时：ΔI₊R_Z+＝ΔI_-R_Z-

故得：

4)根据以上三个步骤即推导出利用漏电流差值计算正负接地电阻值的公式：

2.采用测量电力用直流系统接地电阻的系统进行测量的方法，测量电力用直流系统接地电阻的系统采用双倍桥臂差流法，R₁、R₂、R₃、R₄为检测装置内部的检测电阻、K₁、K₂、K₃、K₄为可控开关，串联的第一检测装置、可控开关K₁接在正母线和大地之间，串联的第二检测装置、可控开关K₂接在负母线和大地之间，串联的第三检测装置、可控开关K₃接在正母线和大地之间，串联的第四检测装置、可控开关K₄接在负母线和大地之间，单支路的情况下，R_f为并联在直流母线上的负载电阻，R₊和R_-分别为电路中正母线和负母线对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，当只有单支路出现绝缘状况降低时，定义R_Z+和R_Z-分别为该支路正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，在多支路的情况下，R_f1……R_fn为并联在直流母线上的负载电阻，R_Z1+、R_Z2+……R_Zn+和R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分别为电路中各分支正极和负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2，其特征在于，设定上述电阻R₁、R₂的阻值为R，电阻R₃、R₄的阻值为(1/4)R，多支路单极性接地的计算步骤如下：

1)以两条支路负接地为例进行推导：

定义I_Z11-和I_Z21-分别为K₁闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流；I_Z12-和I_Z22-分别为K₃闭合时，流经R_Z1-和R_Z2-的负极漏电流；

K₁闭合得：

K₃闭合得：

2)由公式(3)和(4)得：

另ΔI₁＝I_Z12--I_Z11-，ΔI₂＝I_Z22--I_Z21-

即ΔI₁为分支1在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差；ΔI₂为分支2在K₁和K₃分别闭合时得到的漏电流之差；

则有：

同理：

同时：ΔI₁ R_Z1-＝ΔI₂ R_Z2-

故得：

3)根据以上两个步骤推导出利用漏电流差值计算两条支路负接地电阻值的公式：

4)由公式(5)推广任意条支路负接地的情况：

其中R_Z1-、R_Z2-……R_Zn-分别为电路中各分支负极对大地的绝缘电阻，也就是待检测的电阻，其中n大于等于2；

多支路正接地与多支路负接地原理相同。

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