CN1687799A - 直流接地电阻的开关状态组合检测装置及组合检测方法 - Google Patents

Abstract

直流接地电阻的开关状态组合检测装置及组合检测方法是一种用于实现电力系统直流操作电源正负母线和支路线缆对地绝缘电阻的高精度在线检测方法，该检测装置包括第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)、采样电阻(R3)和第一可控电子开关(S1)、第二可控电子开关(S2)，第一限流电阻的一端接直流系统的正极(KM+)，第一限流电阻的另一端与第一可控电子开关的一端相连，第一可控电子开关的另一端与第二可控电子开关的一端、采样电阻的一端接在一起，为电压取样点(U)，采样电阻的另一端接大地，第二可控电子开关的另一端与第二限流电阻的一端相连，第二限流电阻的另一端接直流系统的负极(KM－)。

Description

直流接地电阻的开关状态组合检测装置及组合检测方法

技术领域

本发明是一种用于实现电力系统直流操作电源正负母线和支路线缆对地绝缘电阻的高精度在线检测方法，属于电力系统故障检测的技术领域。

背景技术

直流接地是电力系统直流操作电源常见的故障之一。当直流系统发生一点接地故障(直接接地或对地绝缘电阻减小)时，一般不会立即产生危害性后果，但若发生两点同时接地，则可能造成信号装置、控制回路和继电保护装置的误动作，致使断路器跳闸，或直接造成直流操作电源短路，从而引发严重的电力系统事故。因此，不允许直流系统在一点接地的情况下长期运行。必须对直流操作电源进行连续的在线监视，当其某一点出现接地故障时，立即发出报警信号，提示工作人员查找并排除接地故障，从而杜绝因直流系统接地而引起电力系统故障。

目前，具有实用价值并得到推广应用的直流接地故障检测方法，有以下几种，它们都存在着各自的不足之处，下面进行简单的介绍。

注入低频交流信号检测法，就是在直流正、负母线和地之间，分别施加低频交流电压信号，根据低频交流电压的幅值和检测到的低频交流电流的幅值和相位，可以计算出直流系统正、负极对地的电阻值。根据低频交流电流的路径，可以判断接地故障点所在的支路或接地点。该方法的优点是支路检测传感器价格低廉，缺点是：需要交流信号发生电路，系统较为复杂；检测结果受系统分布电容影响，当分布电容数值较大时，几乎无法检测；对系统施加的小于20V的交流信号，为较大幅值的一个干扰量，对直流系统有不良影响。根据施加信号频率变换与否，注入低频交流信号检测法可以分为恒频法和变频法。变频法能在一定程度上减轻分布电容的影响，检测效果优于恒频法。

当直流系统发生接地故障时，会在接地的支路产生漏电流，根据地对直流正负母线的电压值和各支路的漏电流值，可以计算出直流系统对地电阻值，根据漏电流出现的位置，判断直流接地故障点的所在。这就是基于漏电流检测的直流接地故障检测方法。该方法的优点是无须向直流系统注入任何信号，对系统无不良影响；检测结果不受系统分布电容影响；系统简单。不足之处是，检测精度不高，检测灵敏度和范围有限。

采用两个光控开关，分别为直流系统的正、负对地漏电流提供通路，采用光耦隔离测量正负极对地电流，检测直流母线电压值，根据电路定理计算出直流系统对地电阻数值，根据各支路漏电流大小，可以判断出接地点所在支路，这就是基于开关切换的直流检测方法。该方法除了具有基于漏电流检测方法的所有优点之外，还具有检测精度高，检测范围大，检测灵敏度高等显著优点，配合直流微电流钳形表，在施工条件允许的场合，可以准确地查找到接地故障点，是目前性能最佳的检测方法。其不足之处是采用了非线性检测元件，而且非线性检测元件的分散性极大，为了准确检测接地电阻的数值，需要逐个测量非线性元件的特性并进行曲线拟合，所以，生产过程非常烦琐，检测仪器上元件置换性差，不利于维护，批量生产困难，而且非线性元件还限制了检测精度的进一步提高。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种直流接地电阻的开关状态组合检测装置及组合检测方法，该检测装置及组合检测方法可以克服上述几种检测方法的不足，具有检测精度高、仪器一致性好、成本低、对系统无不良影响等优点。

技术方案：本发明的直流接地电阻的开关状态组合检测装置包括第一限流电阻、第二限流电阻、采样电阻和第一可控电子开关、第二可控电子开关，第一限流电阻的一端接直流系统的正极，第一限流电阻的另一端与第一可控电子开关的一端相连，第一可控电子开关的另一端与第二可控电子开关的一端、采样电阻的一端接在一起，为电压取样点，采样电阻的另一端接大地，第二可控电子开关的另一端与第二限流电阻的一端相连，第二限流电阻的另一端接直流系统的负极。

本发明的检测方法是通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测：

a、直接测量直流母线电压E；

b、取第一可控电子开关闭合、第二可控电子开关断开，设电压取样点此时数值为U1，第一限流电阻、第二限流电阻的阻值均为R，求取直流母线电压E、电压取样点的电压U1和第一限流电阻、第二限流电阻及采样电阻的一个方程；

R_pU₂＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)，

c、取第二可控电子开关闭合、第一可控电子开关断开，设电压取样点此时数值为U2，求取直流母线电压E、电压取样点的电压U2和第一限流电阻、第二限流电阻及采样电阻的一个方程；

R_nU₁＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)，

d、联解以上两个方程组成的方程组，得到待求的正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。

本发明的另一种组合检测方法是通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测：

a、取第一可控电子开关闭合、第二可控电子开关断开，设电压取样点此时数值为U1，第一限流电阻、第二限流电阻阻值均为R，求取直流母线电压E、电压取样点的电压U1和第一限流电阻、第二限流电阻及采样电阻的一个方程；

R_pU₂＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)

b、取第二可控电子开关闭合、第一可控电子开关断开，设电压取样点此时数值为U2，求取直流母线电压、电压取样点的电压U2和第一限流电阻、第二限流电阻及采样电阻的一个方程；

R_nU₁＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)

c、取第一可控电子开关和第二可控电子开关均闭合，设电压取样点此时数值为U3，求取直流母线电压、电压取样点的电压U3和第一限流电阻、第二限流电阻及采样电阻的一个方程；

$\frac{1}{R_p}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}+\frac{E}{2})+\frac{1}{R_n}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}-\frac{E}{2})+\frac{U_3}{R_3}=0$

d、解由此三个方程组成的方程组，得到待求的正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。

有益效果：采用该基于开关状态组合的直流接地电阻检测方法，通过控制两个电子开关，产生3个有效的电路状态，只使用一个采样电阻和模拟输入通道，无须高精度的电流、电压传感器，即可实现直流接地电阻的低成本、全线性、高精度检测，能够改善仪器的一致性，便于生产和维修，降低生产成本和维修成本，并进一步提高检测精度。具有检测精度高、仪器一致性好、成本低、对系统无不良影响等优点。

附图说明

图1是开关状态组合检测法示意图。

图2是实施例1原理示意图。

图3是实施例2原理示意图。

以上的图中有控制信号P1、P2，电压取样点电压U，第一可控电子开关S1，第二可控电子开关S2，正极对地电阻Rp，负极对地电阻Rn，第一限流电阻R1，第二限流电阻R2，采样电阻R3，直流系统的负极KM-，直流系统的正极KM+，直流母线电压E，支路漏电流传感器HL1、HL2、HL3，漏电流Id，第一支路负载电流I1，第二支路负载电流I2，第三支路负载电流I3，第四限流电阻R4，第五限流电阻R5，第一反相缓冲器D1，第二反相缓冲器D2，第一三极管Q1，第二三极管Q2

具体实施方式

本发明的直流接地电阻的开关状态组合检测装置包括第一限流电阻R1、第二限流电阻R2、采样电阻R3和第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2，第一限流电阻R1的一端接直流系统的正极KM+，第一限流电阻R1的另一端与第一可控电子开关S1的一端相连，第一可控电子开关S1的另一端与第二可控电子开关S2的一端、采样电阻R3的一端接在一起，为电压取样点U，采样电阻R3的另一端接大地，第二可控电子开关S2的另一端与第二限流电阻R2的一端相连，第二限流电阻R2的另一端接直流系统的负极KM-。

本发明如附图1中的左半部分所示，直流系统正、负极对地绝缘电阻为Rp、Rn，虚线表示该二电阻为待求的等效电阻，其位置具有不确定性，E为直流母线电压。第一限流电阻R1、第二限流电阻R2的阻值为R，第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2为两个可控的电子开关，采样电阻R3。第一限流电阻R1、第二限流电阻R2和采样电阻R3数值的选择原则为：一是要保证采样电阻R3两端电压的数值保持在-5到+5V之间，二是在第一限流电阻R1、第二限流电阻R2的数值要在尽可能大和采样电阻R3两端电压U对正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn在最关注范围内的敏感度尽可能高之间折中考虑。通过改变电子可控开关的状态组合，可以产生4种电路状态，通过检测每一种状态下采样电阻R3两端的电压，根据电路定理，建立并求解一系列方程组，就可以得到待求参数的数值。这是一种新的电量检测方法，可以推广到其它应用场合。为了求得正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值，必须对直流母线电压进行测量。由于有两个待求量，所以，需要两个方程组，也就是说，需要两个有效电路状态：控制第一可控电子开关S1开通、第二可控电子开关S2关断，设测得采样电阻R3上的电压为U1，根据串并联电压分配关系，可以得到式(1)；控制开关第一可控电子开关S1关断、第二可控电子开关S2开通，设测得采样电阻R3上电压为U2，根据串并联电压分配关系，可以得到式(2)：

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_P{U}_2={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(1\right)\\ R_n{U}_1={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(2\right)\end{array}\right.$

联立求解该方程组，可以很容易地得到正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。

但由于直流母线电压大约250V左右，高精度线性测量需要用到价格昂贵的霍尔传感器，所以，可以考虑对直流母线电压的测量，也采用间接测量的方法，也就是说，通过增加有效开关状态的个数和方程组的个数，来求取直流母线电压的数值。可以控制第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2均开通，得到第三个有效电路状态，设测得采样电阻R3上的电压为U3，根据基尔霍夫原理，采用电压节点法，列出节点电压方程组，联立消除其它中间变量后，可以得到式(3)。也就是说，可求得方程组如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_P{U}_2={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(1\right)\\ R_n{U}_1={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(2\right)\\ \frac{1}{R_p}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}+\frac{E}{2})+\frac{1}{R_n}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}-\frac{E}{2})+\frac{U_3}{R_3}=0& \left(3\right)\end{array}\right.$

求解该方程组，可以得到所需的正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。

实施例1：附图2为实施例之一，第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2采用两只光电隔离的半导体开关(也称光控继电器)，控制信号P1、P2为来自CPU或其它控制电路的控制信号；电压取样点U的电压经过绝对值电路和符号判断电路，输入微型计算机的模拟量输入口和数字量输入口；控制信号P1为高电平、控制信号P2为低电平，则第一可控电子开关S1导通、第二可控电子开关S2关断；控制信号P2为高电平、控制信号P1为低电平，则第二可控电子开关S2导通、第一可控电子开关S1关断；控制信号P1、P2均为高电平，则第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2均导通。由此产生三种有效电路状态，借助以CPU为中心的其它电路，求解该方程组，

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_P{U}_2={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(1\right)\\ R_n{U}_1={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(2\right)\\ \frac{1}{R_p}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}+\frac{E}{2})+\frac{1}{R_n}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}-\frac{E}{2})+\frac{U_3}{R_3}=0& \left(3\right)\end{array}\right.$

可以得到所需的正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。即可实现对直流正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的检测。

实施例2：附图3是本发明的实施例2，不同之处在于第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2采用继电器实现。控制信号P1、P2为来自CPU或其它控制电路的控制信号；电压取样点U的电压经过绝对值电路和符号判断电路，输入微型计算机的模拟量输入口和数字量输入口；控制信号P1为低电平、控制信号P2为高电平，则第一可控电子开关S1导通、第二可控电子开关S2关断；控制信号P1为高电平、控制信号P2为低电平，则第二可控电子开关S2导通、第一可控电子开关S1关断；控制信号P1、P2均为低电平，则第一可控电子开关S1、第二可控电子开关S2均导通。由此产生三种有效电路状态，借助以CPU为中心的其它电路，求解该方程组，

$\left\{\begin{array}{cc}{R}_P{U}_2={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(1\right)\\ R_n{U}_1={\mathrm{ER}}_3-(U_1+U_2)(R+R_3)& \left(2\right)\\ \frac{1}{R_p}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}+\frac{E}{2})+\frac{1}{R_n}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}-\frac{E}{2})+\frac{U_3}{R_3}=0& \left(3\right)\end{array}\right.$

可以得到所需的正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的数值。即可实现对直流正极对地电阻Rp和负极对地电阻Rn的检测。

Claims (3)

1、一种直流接地电阻的开关状态组合检测装置，其特征在于该检测装置包括第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)、采样电阻(R3)和第一可控电子开关(S1)、第二可控电子开关(S2)，第一限流电阻(R1)的一端接直流系统的正极(KM+)，第一限流电阻(R1)的另一端与第一可控电子开关(S1)的一端相连，第一可控电子开关(S1)的另一端与第二可控电子开关(S2)的一端、采样电阻(R3)的一端接在一起，为电压取样点(U)，采样电阻(R3)的另一端接大地，第二可控电子开关(S2)的另一端与第二限流电阻(R2)的一端相连，第二限流电阻(R2)的另一端接直流系统的负极(KM-)。

2、一种如权利要求1所述的直流接地电阻的开关状态组合检测装置的组合检测方法，其特征在于通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测：

a、直接测量直流母线电压(E)；

b、取第一可控电子开关(S1)闭合、第二可控电子开关(S2)断开，设电压取样点(U)此时数值为U1，第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)的阻值均为R，求取直流母线电压E、电压取样点(U)的电压U1和第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)及采样电阻(R3)的一个方程；

                R_pU₂＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)，

c、取第二可控电子开关(S2)闭合、第一可控电子开关(S1)断开，设电压取样点(U)此时数值为U2，求取直流母线电压(E)、电压取样点(U)的电压U2和第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)及采样电阻(R3)的一个方程；

   R_nU₁＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)，

d、联解以上两个方程组成的方程组，得到待求的正极对地电阻(Rp)和负极对地电阻(Rn)的数值。

3、一种如权利要求1所述的直流接地电阻的开关状态组合检测装置的组合检测方法，其特征在于通过下述步骤，完成直流接地电阻的检测：

a、取第一可控电子开关(S1)闭合、第二可控电子开关(S2)断开，设电压取样点(U)此时数值为U1，第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)阻值均为R，求取直流母线电压(E)、电压取样点(U)的电压U1和第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)及采样电阻(R3)的一个方程；

               R_pU₂＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)

b、取第二可控电子开关(S2)闭合、第一可控电子开关(S1)断开，设电压取样点(U)此时数值为U2，求取直流母线电压(E)、电压取样点(U)的电压U2和第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)及采样电阻(R3)的一个方程；                 R_nU₁＝ER₃-(U₁+U₂)(R+R₃)

c、取第一可控电子开关(S1)和第二可控电子开关(S2)均闭合，设电压取样点(U)此时数值为U3，求取直流母线电压(E)、电压取样点(U)的电压U3和第一限流电阻(R1)、第二限流电阻(R2)及采样电阻(R3)的一个方程；

$\frac{1}{R_p}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{{2R}_3}+\frac{E}{2})+\frac{1}{R_n}(U_3+\frac{{\mathrm{RU}}_3}{2R_3}-\frac{E}{2})+\frac{U_3}{R_3}=0$

d、解由此三个方程组成的方程组，得到待求的正极对地电阻(Rp)和负极对地电阻(Rn)的数值。

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