CN1327235C - 直流系统接地故障的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流系统接地故障的探测方法，特别适用于直流系统具有很大对地分布电容的场合，利用在直流母线与地之间加入一种特定的周期性电压信号，通过卡钳式探头探测各支路电流，分析、计算电流信号基波与谐波的相位及相位差，进而判断是否存在接地故障，保证直流系统正常供电的同时，利用电容对电流信号相位的影响，实现准确、稳定、快速的查找出故障点，实现直流系统的安全运行。

Description

直流系统接地故障的探测方法

技术领域

本发明涉及一种直流系统接地故障的探测方法，一种消除由于分布电容的存在而导致测量误差的直流系统接地故障的探测方法，特别适用于直流系统具有很大对地分布电容的场合。

背景技术

发电厂和变电站的直流系统为控制、保护、信号和自动装置提供电源，直流系统的安全连续运行对保证发电供电有着极大的重要性。由于直流系统为浮空制的不接地系统，如果发生两点接地，就可能引起上述装置误动，拒动，造成重大事故。因此当发生一点接地时就应在保证直流系统正常供电的同时准确迅速的探测出接地点，排除接地故障，从而避免两点接地可能带来的危害。

在目前已有技术中，主要以低频信号寻迹法为主，其做法分为两种，其一：一方面通过信号发生器在接地母线与地之间注入一低频电压信号，此信号将沿母线，从接地点流入大地，再通过大地返回信号发生器，构成一个回路，另一方面，通过带有放大电路的钳形电流探头感应此低频电流信号，当某一支路的电流信号大于设定值时即认为该支路发生故障，如《中国专利》申请号：89216125.6，发明名称：直流系统接地点低频探测仪，申请人：山东工业大学；其二：在母线上交替注入两种不同频率的低频电压信号，再利用电流探头探测各支路的低频电流，通过比较各支路的二个低频电流信号的比值与幅值判别接地支路和接地点。如《中国专利》1992年11月25日公开的，申请号：92104871.8，发明名称：直流系统接地故障的探测方法及探测装置，申请人：华北电力学院。但此二类产品存在的最大问题：一是在直流系统对地存在大电容时，仍容易造成误判，二是接地电阻较大时无法检测。在一般情况下，直流系统对地都存在较大的电容，其由直流系统自身具有的电容和供电支路存在的分布电容所决定的，再者在直流系统供电线路出现绝缘不良时，常会出现对地大电阻，因此，如不能解决上述两个问题，将很难达到检测要求。而造成上述两个问题的主要原因是：检测判断的依据是检测到的电流信号的幅值，但幅值强弱受传感器、放大电路精度的影响很大，因此无法保证测量的稳定性和准确度。

发明内容

本发明解决技术问题所采用的技术方案是，根据信号电流幅值大小判断接地故障，其特征在于：分析、计算支路中的特定电流信号，计算基波与谐波的相位及相位差，进而判断是否存在接地故障。计算基波与谐波的相位及相位差，是采用在直流母线与地之间施加一个特定的周期性电压信号，该信号可分解为基波f1与谐波f2、f3……fk等多个电压信号，用卡钳式探头探测支路中的I_f1、I_f2、I_f3……I_fk电流信号，得出相对应的相位Φ_f1、Φ_f2Φ_f3……Φ_fk，令Φ_差＝Φ_f1-Φ_f2/n(n＝f2/f1)，在特定的电压信号源内阻与隔直电容的影响下，Φ_差的变化可线性的反映直流系统接地电阻和分布电容的关系，计算Φ_差，Φ_差与基准点Φ_基准点比较来判断故障支路，基准点Φ_基准点可在30°～45°之间任意选取。该发明的原理是：直流系统是由各种规格电缆连接起来的，电缆在正常工作时绝缘电阻趋于无穷大，对地分布电容对流过电缆的交流信号，除有容抗外，电流还超前电压90°。据此思路采用发射一周期性检测信号，通过傅立叶分析分解为基波、谐波，且基波与谐波的频率、相位、幅值关系是确定的。当基波与谐波电流分别流过相同的阻容系统，其相位角亦发生相应的变化。在流经纯电阻的情况下，基波与谐波的相位保持不变，但流经电容时，都超前90°，将谐波的相位按时间关系折算为基波下相应的角度，则可判别出两者的相位差，而该相位差可以直接反应出系统的阻容关系，从而判断是否发生故障接地，该方法解决了分布电容造成误判的问题，公式如下：

Φ_差＝Φ_基-Φ_谐/n

上述式中：

Φ_差——基波与谐波(折算后)之间的相位差；

Φ_基——电流传感器采集到的电流信号，通过计算算得的基波信号的相位；

Φ_谐——电流传感器采集到的电流信号，通过计算算得的谐波信号的相位；

n——基波与谐波之间的频率关系。

当系统绝缘良好，即外部接地电阻趋于无限大时，流经绝缘电阻的电流趋于零，所测电流基本为流经电容的电流，此时Φ_差将无限趋近于90°-90°/n。算得Φ_差与预先整定的相位基准值比较，当大于基准值时，即是绝缘正常，反之则认为存在接地故障。

在实际设计当中，采用发射周期性方波信号，根据傅立叶分析可知：

$\begin{array}{ccc}f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-u,& -T/2<t\&le;0\\ u,& 0<t\&le;T/2\end{array}\right.& \&DoubleRightArrow;& f\left(t\right)=\frac{4U}{\mathrm{\&pi;}}\end{array}\underset{n=1}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t}}{2n-1}$

取基波与三次谐波，其间的相位关系在纯电阻的情况下相位差为0°，在纯电容的情况下相位差为60°，在不确定系统阻容的情况下，基波与谐波的相位差也是变化的，但范围是确定在0°～60°之间。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果是：根据电流幅值、相位判断接地故障，利用电容对电流信号相位的影响，解决了直流系统对地存在大电容时造成的误判，或接地电阻较大时无法检测的问题，在直流系统正常供电的同时实现准确、稳定、快速的查找出故障点，保证直流系统的安全运行。

附图说明

图1信号发生器的电压输出波形；

图2直流系统简化的电路模型图；

图3发生器内阻与隔直电容确定的情况下，判据与系统接地电阻和分布电容的关系图；

图4信号发生器的电路图；

图5在直流系统中实现故障检测的示意图；

图6电阻接地时的电流信号图。

图7系统绝缘正常但分布电容较大时的电流信号图；

其中：1信号发生器  2接收装置  3方波信号源  4功率放大电路  5过压保护电路  6系统内阻  7隔直电容与过流保护电路  R₁信号源的等效内阻  C₁信号源的隔直电容  R₂直流系统的接地电阻  C₂直流系统的分布电容  C₃-C₆电容  VT₁-VT₄三极管  D₁、D₂集成电路  Q₁晶振  D₃、D₄继电器  VD₃、VD₄稳压二极管VD₁、VD₂、VD₅、VD₆二极管  VT₅双向可控硅  R₃-R₁₂电阻  F₁、F₂保险管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本探测方法进一步说明。

图1信号发生器的电压输出波形采用方波，根据傅立叶分析，

$\begin{array}{ccc}f\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}-u,& -T/2<t\&le;0\\ u,& 0<t\&le;T/2\end{array}\right.& \&DoubleRightArrow;& f\left(t\right)=\frac{4U}{\mathrm{\&pi;}}\underset{n=1}{\overset{\&Proportional;}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\sin (2n-1)\mathrm{\&omega;t}}{2n-1}\end{array}$

方波的基波f₁，谐波f₂＝3*f₁，初相位都为0°。

图2将直流系统简化而成的电路模型图，此时系统阻抗可表示为：

$Z=R_1+\frac{1}{\mathrm{jw}{C}_1}+\left(\frac{R_2}{\mathrm{jw}{C}_2{R}_2+1}\right)$

式中：

R₁：信号源的等效内阻；

C₁：信号源的隔直电容；

R₂：直流系统的接地电阻；

C₂：直流系统的分布电容。

图3在确定信号源内阻和隔直电容后，依据图2的系统电路模型图列出如下关系：

Φ_基＝arctg(Z_基)，Φ_谐＝arctg(Z_谐)，Φ_差＝Φ_基-Φ_谐/n。

绘制Φ_差与系统接地电阻和分布电容的关系图(依据方波信号)，在图中可看到随R₂、C₂的增大，Φ_差逐渐趋于60°。为了克服测量、计算误差的影响，如将基准取为35°，依图所示：在分布电容为5μF时可判出23K的接地电阻；在分布电容为10μF时可判出11K的接地电阻；在分布电容为15μF时可判出7K的接地电阻；即使在分布电容为20μF时仍可判出5.7K的接地电阻，由此可见该方法大大提高了排除电容影响的能力。

图4方波信号源的内部电路组成，主要分为：方波信号源3、功率放大电路4、过压保护电路5、系统内阻6、隔直电容与过流保护电路7。其中方波信号源3由51系列单片机D₂及外围器件看门狗芯片D₁，晶振Q₁，电容C₃，C₄构成的简易的记时电路，开机后可以输出稳定的时钟信号，基波频率小于10Hz，该时钟信号控制功率放大电路4中三极管VT₁，VT₂，VT₃，VT₄的开通与关断，从而实现信号的放大，放大后的信号幅值小于30V。所获放大后的信号送入过压保护电路5，该回路中采用继电器D₃加稳压管VD₃，VD₄与双向可控硅VT₅，当系统接入电压过高，稳压管VD₃，VD₄将开通双向可控硅VT₅，通过双向可控硅VT₅将电压钳住，从而达到对信号源的过压保护。随后将信号接入系统内阻6，此电阻R₁₁将实现信号源内阻的调整设定，使其小于500Ω，最后信号通过隔直电容C₅，C₆与保险管F₂构成的隔直与过流保护电路7，其中C₅、C₆的容值大于400μF，即可实现信号源的整个设计。该设计可以满足探测时对信号源的要求，接收器将利用该信号结合系统分布电容与接地电阻计算相位差Φ_差。

图5在直流系统中实现故障检测的示意图，在母线与地之间通过信号发生器1施加一周期性电压信号，当系统存在接地故障时，电流信号沿线路由接地点流入大地，经大地、信号发生器构成回路。此时用接收装置2顺线路查找，将接收装置2的卡钳式探头卡在直流系统A点，在A点无电流信号指示，表明由A点以下的支路不存在接地点，继续查找下一个回路分支处，再将接收装置2的卡钳式探头卡在直流系统B点，在B点出现电流信号指示，表明由B点以下的支路中存在接地点，顺延该支路继续查找，发现在C点无电流信号，则可断定B、C两点之间存在接地故障点。继续查找其他支路D点……，未出现故障报警，则其余各支路绝缘正常。

图6存在接地故障支路的电流信号波形，该图是将卡钳式探头采集到的电流信号通过放大电路转换为电压信号，通过AD采样2.4秒的波形，根据计算得知：Φ_基为45.95°，Φ_谐为19.08°，再减掉电路的固定相移，最后得到Φ_差为22.6°，小于判据Φ_基准点35°，所以是故障点。

图7为系统分布电容较大时的电流信号波形，该图是将卡钳式探头采集到的电流信号通过放大电路转换为电压信号，通过AD采样2.4秒的波形，根据计算得知：Φ_基为45.10°，Φ_谐为-59.16°，再减掉电路的固定相移，最后算得Φ_差为47.8°，大于判据Φ_基准点35°，所以判为绝缘正常而非故障接地。

Claims (4)

1、直流系统接地故障的探测方法，根据电流幅值大小判断接地故障，其特征在于：分析、计算支路中的特定电流信号，计算基波与谐波的相位及相位差，进而判断是否存在接地故障，采用在直流母线与地之间施加一个周期性电压信号，该信号可分解为基波f1与谐波f2或f3多个电压信号，用卡钳式探头探测支路中的I_f1、I_f2、I_f3……I_fk电流信号，得出相对应的相位Φ_f1、Φ_f2、Φ_f3……Φ_fk，令Φ_差＝Φ_f1-Φ_f2/n(n＝f2/f1)，在特定的电压信号源内阻与隔直电容的影响下，Φ_差的变化可线性的反映直流系统接地电阻和分布电容的关系，计算Φ_差与基准点Φ_基准点比较来判断故障支路，基准点Φ_基准点可在30°～45°之间任意选取。

2、根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：施加的一周期性电压信号，其基波频率小于10Hz，其电压幅值范围小于30V。

3、根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：电压信号源内阻阻值小于500Ω。

4、根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：电压信号源与直流母线之间串有的隔直电容C5、C6，电容值大于400μF。

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