CN201589839U - 一种直流系统接地故障的集成化检测装置 - Google Patents

一种直流系统接地故障的集成化检测装置 Download PDF

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熊超英
吴剑敏
杨晞明
鲁炜
戴春怡
冯煜珵
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Abstract

一种直流系统接地故障的集成化检测装置，属电测量领域。包括在直流系统输出回路上设置电流传感器，其特征是设置依次连接的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器、告警电路和电源发生电路；将上述电路集成于一个壳体内，在壳体一端设置与直流系统输出回路接线端子；在壳体另一端设置与直流系统负载回路接线端子；在壳体一面设置告警电路发光孔；在壳体另一面，设置与控制柜端子排连接的固定卡/勾。其通过测量直流系统“接地”时产生的差流所引起的有源振荡器的振荡频率变化来监测直流系统“接地”故障，直接发出报警信号，弥补了现有技术的不足，更好地保证了原有系统正常运行，可实现分布式安装，能方便地实现实时在线监测。

Description

一种直流系统接地故障的集成化检测装置
技术领域
本实用新型属于电测量领域，尤其涉及一种用于变配电系统中直流供电系统接地故障的检测装置。
背景技术
发电厂、变电站的直流系统是电力系统中非常重要的工作电源，它为电气、热工、自动装置、电保护、事故照明、通讯等二次设备提供电源；这些二次设备的正常工作对于保障发电厂、变电站的安全运行十分重要，直流电源在额定参数下稳定运行和其回路的完好，是保证变电站正常操作和保护装置正确动作的必要条件；因此要求直流系统及其网络具有高度的可靠性。
上述的直流系统均采用“对地绝缘”的运行方式。
当直流系统发生一点“接地”故障时，对整个直流系统的运行并不会引起任何危害，但必须及时处理，否则当整个直流系统再发生另一点的“接地”故障时，有可能会使继电保护装置或继电保护继电器发生“误动作”或“拒动作”；或者，有可能造成直流电源短路，引起熔断器熔断，或快分电源开关断开，使设备失去操作电源，引发电力系统严重故障乃至事故。因此，不允许直流系统在一点“接地”情况下长时间运行，必须加强在线监测，迅速查找并排除接地故障，杜绝因直流系统接地而引起的电力系统故障。
在实际运行实践中还发现，直流系统发生“接地”故障，还会造成采用直流系统供电/控制的设备产生“误动”或“拒动”，以至设备损坏，造成大面积停电、最终有可能导致电力供电系统瓦解，产生极其严重的后果。
因此直流系统的“接地”问题不能仅从一个变电站、一个发电厂的角度去看问题，而应从整个电网去考虑如何查找和防范。
现有直流系统绝缘检测的方法和存在的问题：
1、利用平衡电桥原理进行检测：
对于变电站和发电厂而言，经过多年运行以后，电缆绝缘普遍下降，各种端子箱和机构箱等生锈损坏，密封性能下降，遇雨、雪、雾天气，易发生“接地”故障；而且多为非金属性接地(对地阻值高)，多点接地、正负极绝缘电阻之差较小形成对称性“接地”故障。而目前各种直流系统接地的装置报警均采用电桥平衡原理，对上述高阻对称性接地无法有效监测。
因受电桥平衡原理的限制，此类装置只能判断整个系统的绝缘状况，不能直接确定具体的“接地”点，必须再分别利用“拉路法”逐一对各路直流负载进行“断电”检查，才能确定发生“接地”故障的点/回路。所谓“拉回路”，就是停掉该回路的直流电源(停电时间应小于三秒)，一般先从信号回路，照明回路检查起，再对操作回路，保护回路等等进行检查。由于二次系统越来越复杂，大部分的厂站由于施工或扩建中遗留的种种问题，使信号回路与控制回路和保护回路没有一个严格的区分，而且更多的还形成一些非正常的闭环回路，在这种情况下使用该种方法，必然增大了拉回路查找接地故障的难度。由于回路接线存在不确定性，往往令在“拉回路”的过程中，常常发生人为的“跳闸”事故，再加上微机保护的大量应用，微机保护由于计算机的运行特性也不允许随意断电。
故，此方法的最大缺点就是要切断所供回路的操作或信号电源，造成断电回路在短时间内不能对主回路开关进行分/合闸操作，一旦主供电回路正好发生故障时，会危及系统的正常运行。
2、交流注入式检测法：
现国内广泛使用向系统注入交流信号方式的微机型支路选线装置，主要采用的是“低频”探测法和“变频”探测法两种方式。即在直流故障母线和地之间注入一低频或变频的交流信号，用钳形电流探头逐点检测，找到“接地”支路并根据“接地”点前后低频电流出现明显的差别来确定“接地”点。
随着微机保护大量抗干扰电容的安装使用，直流系统开环辐射供电运行方式的采用使直流系统的对地电容电流增大。当电容电流大于检测装置对绝缘电阻泄漏电流的整定值时，将造成误发信号，影响装置的正确判断。同时由于要向被测直流系统注入交流信号，尽管其幅值与直流母线电压相比很小，但对安全性要求很高的电力系统来说，注入的交流信号也会给系统带来不安全因素。
3、霍尔磁式平衡法：
霍尔磁式平衡原理的基本原理如图1所示。观察直流系统任一支路，从电源正端流出的电流IL+，流经支路全部负载后，返回电源负端的支路电流为IL-，当该支路没有接地电流时，IL+＝IL-，穿过传感器的电流大小相等，传感器无输出。
而当发生接地故障时，假设接在正极母线上的支路经电阻R接地，接地电流为IR，则IL+＝IL-+IR，流经传感器的电流大小不等，传感器输出一个反应该差值IR大小和方向的信号，据此判断出接地电阻的大小和接地支路的极性。
此种方法虽然克服了系统分布电容的影响，但其仍然存在不足之处，主要问题出在有源传感上；采用磁平衡原理，做成有源传感器，当一次侧有电流变化或有电流冲击时，易发生剩磁变化，尤其当传感无源时，受电流冲击后，剩磁变化更大。这种剩磁变化会严重造成电流、电压放大器及A/D转换器的直流偏移，致使用以上方法做成的选线装置零点不断漂移，需及时调节装置的零点及传感器特性，才能保证选线装置的精度及稳定，不仅给现场带来极大的不便和麻烦，而且造成选线装置的不准。
综上可见，目前各类绝缘检测装置所采用的技术原理，与现场的实际情况存在一定的差距，对于直流接地查找不能做到及时、准确的判断，造成装置功能难于完全满足现场的实际需要。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种直流系统接地故障的集成化检测装置。其通过测量直流系统“接地”时产生的差电流所引起的有源振荡器的振荡频率变化，来监测直流系统“接地”故障的发生；它既克服了利用平衡电桥法时对各回路进行逐一断电查找时所带来的危害，又无需向系统中注入交流信号，且与直流系统的分布电容无关，与被测系统没有任何电气联系，整个监测装置集成化/小型化，分别设置在直流系统各输出回路与负载连接的端子排处，可以实现分布式安装，能更加系统的检测到直流系统的每个输出回路，并可十分方便地实现实时在线监测。
本实用新型的技术方案是：提供一种直流系统接地故障的集成化检测装置，包括在直流系统输出回路上设置电流传感器，其特征是：设置一有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路；所述电流传感器的次级线圈作为有源LC振荡器的电感线圈；所述有源LC振荡器的输出端与脉冲计数器的输入端连接；所述脉冲计数器的输出端与微处理器电路的I/O输入端连接；所述微处理器电路的I/O输出端与触发器的输入端连接；所述触发器的输出端与告警电路连接；所述的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路与一个电源发生电路连接。
其中，所述的电源发生电路为直一直隔离输出电源电路，其输入端与直流系统输出回路连接，其输出端与有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的电源端对应连接。
所述的电流传感器套装在直流系统输出回路上，直流系统的输出回路构成电流传感器的原边线圈。
所述的微处理器电路为常规单片机电路。
所述的触发器为常规双稳态触发器电路。
所述的告警电路为发光二极管或发光二极管及其驱动电路。
具体的，所述的有源LC振荡器包括第一至第四电容、第一至第四电阻、三极管和电感线圈，其中，
第一电阻构成三极管的上偏置电阻，第二电阻构成三极管的下偏置电阻，第一电容与第二电阻并联，三极管的集电极经电感线圈与正电源端连接，三极管的发射极经第三电阻接地，第二电容的一端与三极管的集电极连接，另一端构成振荡器的第一输出端，接地端构成振荡器的第二输出端，第三电容并接在三极管发射极和集电极之间，第四电容并接在第三电阻两端，第四电阻并接在振荡器的第一、二输出端之间。
具体的，所述的电源发生电路包括第五至第八电容、第五和第六电阻、第一和第二二极管、三端集成隔离元件和变压器，其中，
电源发生电路的正、负电源输入端与直流系统输出回路的正、负电源端连接，第五电容并接在电源发生电路的正、负电源输入端之间，三端集成隔离元件的D端与电源发生电路的正电源输入端连接，三端集成隔离元件的C端经第五电阻与第一二极管的负极连接，第一二极管的正极经第六电阻与电源发生电路的负电源输入端连接，三端集成隔离元件的S端与变压器原边线圈的首端连接，第六电容并接在三端集成隔离元件的C端与S端之间，第七电容并接在三端集成隔离元件的S端与第一二极管的负极之间，电源发生电路的负电源入端与变压器原边线圈的末端连接；
变压器副边线圈的末、首端分别构成电源发生电路的正、负电源输出端，第八电容并接在电源发生电路的正、负电源输出端之间，第二二极管串接在电源发生电路的负电源输出端上。
更进一步的，将所述的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路集成于一个壳体内，在壳体的一端，设置用于与直流系统输出回路连接的接线端子；在壳体的另一端，设置用于与直流系统负载回路连接的接线端子；在壳体的一面，设置与告警电路对应的发光孔；在壳体的另一面，设置与控制柜端子排连接的固定卡/勾；在与直流系统负载回路连接的接线端子的壳体一端，设置识别缺口或识别突起。
上述的集成了有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的壳体，构成直流系统输出回路和直流系统负载回路之间的带有直流接地监视功能的集成化双端接线端子；所述的集成化双端接线端子，设置在直流系统各输出回路与负载连接的端子排处；所述的集成化双端接线端子可以设置在直流系统的任意一路或多个输出回路上。
与现有技术比较，本实用新型的优点是：
1.通过测量直流系统“接地”时产生的差电流所引起的有源振荡器的振荡频率变化，来监测直流系统“接地”故障的发生，直接发出报警信号，避免了逐一拉开回路断电检查时所带来的危害；
2.本装置无需向系统中注入交流信号，可以避免交流注入法检测时对直流系统运行所产生的影响；
3.由于传感器测的是直流接地电流差值IR的大小，因此与直流系统的分布电容无关；
4.所测的频率来源于传感器的二次线圈，与被测系统没有任何电气联系，可以更好的保证原有系统的正常运行；
5.将整个监测装置集成化/小型化，分别设置在直流系统各输出回路与负载连接的端子排处，即可以实现分布式安装，能更加系统的检测到直流系统的每个输出回路，并可十分方便地实现实时在线监测。
附图说明
图1为本实用新型的系统构成方框图；
图2为本实用新型有源LC振荡器实施例的线路图；
图3为电源发生电路实施例的线路图；
图4为双端接线端子的结构示意图。
图中，1、1’为直流系统输出回路接线端子，2、2’为直流系统负载回路接线端子，3、4为运行状态/报警信号灯，5为识别缺口，6为集成化双端接线端子的壳体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
图1中，本集成化检测装置包括在直流系统输出回路上设置的电流传感器，其发明点在于还设置了依次连接的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路；其电流传感器的次级线圈作为有源LC振荡器的电感线圈，有源LC振荡器的信号输出端与脉冲计数器的信号输入端连接，脉冲计数器的信号输出端与微处理器电路的I/O输入端连接，微处理器电路的I/O输出端与触发器的触发控制信号输入端连接，触发器的翻转信号输出端与告警电路的控制端连接，有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路由一个电源发生电路进行供电。
其中，电源发生电路为直-直隔离输出电源电路，其电源输入端与直流系统输出回路连接，其电源输出端与有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的电源端对应连接。
电流传感器套装在直流系统输出回路上，直流系统的输出回路构成电流传感器的原边线圈。
微处理器电路为常规单片机电路；触发器为常规双稳态触发器电路；告警电路为发光二极管或发光二极管及其驱动电路。
在上述技术方案中，脉冲计数器采用通用的频率计数器即可。
由于频率是单位时间内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。
频率计数器首先获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路(即与其连接的微处理器电路)识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将所得数据记录并输出。
触发器可采用集成JK触发器，为与门输入模式，在触发器接收到输入信号全为1时，触发器输出为高电平，使告警灯亮。
图2中，有源LC振荡器包括第一至第四电容C1～C4、第一至第四电阻R1～R4、三极管BG和电感线圈L，其中，第一电阻R1构成三极管BG的上偏置电阻，第二电阻R2构成三极管的下偏置电阻，第一电容C1与第二电阻并联，三极管的集电极经电感线圈L与正电源端V+连接，三极管的发射极经第三电阻R3接地，第二电容C2的一端与三极管的集电极连接，另一端构成振荡器的第一输出端EF，接地端构成振荡器的第二输出端ED，第三电容C3并接在三极管发射极和集电极之间，第四电容C4并接在第三电阻两端，第四电阻R4并接在有源LC振荡器的第一、二输出端之间。
图3中，电源发生电路包括第五至第八电容、第五和第六电阻、第一和第二二极管、三端集成隔离元件和变压器，其中，
电源发生电路的正、负电源输入端+、一与直流系统输出回路的正、负电源端连接，第五电容C5并接在电源发生电路的正、负电源输入端之间，三端集成隔离元件LNK的D端与电源发生电路的正电源输入端连接，三端集成隔离元件的C端经第五电阻R5与第一二极管D1的负极连接，第一二极管的正极经第六电阻R6与电源发生电路的负电源输入端连接，三端集成隔离元件的S端与变压器原边线圈T1的首端连接，第六电容C6并接在三端集成隔离元件的C端与S端之间，第七电容C7并接在三端集成隔离元件的S端与第一二极管的负极之间，电源发生电路的负电源入端与变压器原边线圈T1的末端连接；
变压器副边线圈T2的末、首端分别构成电源发生电路的正、负电源输出端+’、一’，第八电容C8并接在电源发生电路的正、负电源输出端之间，第二二极管D2串接在电源发生电路的负电源输出端上。
电源发生器是利用三端集成隔离元件LNK组成的隔离输出电源，图中C5对输入电源进行滤波作用，通过LNK隔离输出后，通过电容C6、C7等元件的滤波，最终经变压器T1\T2进行输出为5V的稳定电压，电容C8对输出的直流电压进行滤波，二极管D2起保护作用。
图4中，将有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路集成于一个壳体6内，在壳体的一端，设置用于与直流系统输出回路连接的接线端子1、1’；在壳体的另一端，设置用于与直流系统负载回路连接的接线端子2、2’；在壳体的一面，设置与运行/告警电路对应的发光孔3、4；在在壳体的另一面，设置用于与控制柜端子排连接的固定卡勾或固定结构(图中未示出)；在与直流系统负载回路连接的接线端子的壳体一端，设置识别缺口或识别突起5。
实际使用过程中，现场工作人员只需检查端子的告警灯是否有发光指示，即可迅速地发现接地回路的位置，进行相应的处置。
进一步的，上述集成了有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的壳体，构成直流系统输出回路和直流系统负载回路之间的带有直流接地监视功能的集成化双端接线端子；该集成化双端接线端子，设置在直流系统各输出回路与负载连接的端子排处；该集成化双端接线端子可以设置在直流系统的任意一路或多个输出回路上。
设置识别标记的目的，是为了在现场便于安装人员快速识别集成化双端接线端子的整体安装方向，防止误装而导致装置起不到应有的作用。
本实用新型工作过程简述：
直流系统正常运行时，流经直流检测端子的差流ΔI＝I+-I-＝0，此时有源LC震荡器的固有频率被初始化为基准频率f0；当所检测线路发生接地故障时，势必引起流过检测端子的电留发生变化，产生差流：ΔI＝I+-I-＝IR，当IR达到门槛值时，就对振荡器的固有频率引起足够大的变化；通过脉冲计数器的检测，可以检测到正常运行的固有频率f0和接地时频率fR两个不同频率；微处理器对两个频率进行分析，当与两频率之间的差值等参数达到或超过预设定值时，微处理器即输出触发信号到触发器；当触发器得到触发信号时，即可触发启动报警输出。
由于传感器(实际上就是一个微型电流互感器)、有源LC振荡器电路、脉冲计数器电路、通过脉冲计数来测量被测对象的频率以及微处理器电路和触发器电路均为现有技术，其具体工作原理、元件选择以及连接方式在此不再叙述。
本领域的普通技术人员，在掌握了本技术方案解决问题的思路和方法之后，完全可以不经过创造性的劳动，再现本技术方案的技术效果和发明目的。
由于本装置通过测量直流系统“接地”时产生的差电流所引起的有源振荡器的振荡频率变化，来监测直流系统“接地”故障的发生，直接发出报警信号，无需向系统中注入交流信号，避免了逐一拉开回路断电检查时所带来的危害，亦可避免交流注入法检测时对直流系统运行所产生的影响；此外，由于传感器测的是直流接地电流差值IR的大小，因此与直流系统的分布电容无关；加上所测的频率来源于传感器的二次线圈，与被测系统没有任何电气联系，可以更好的保证原有系统的正常运行，另外，整个方案可以实现分布式安装，能更加系统的检测到直流系统的每个输出回路，并可十分方便地实现实时在线监测。
本实用新型可广泛用于电力系统/变配电系统的直流系统监测/保护领域。

Claims (10)

1.一种直流系统接地故障的集成化检测装置，包括在直流系统输出回路上设置电流传感器，其特征是：
还设置有有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路；
所述电流传感器的次级线圈作为有源LC振荡器的电感线圈；
所述有源LC振荡器的输出端与脉冲计数器的输入端连接；
所述脉冲计数器的输出端与微处理器电路的I/O输入端连接；
所述微处理器电路的I/O输出端与触发器的输入端连接；
所述触发器的输出端与告警电路连接；
所述的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路与一个电源发生电路连接。
2.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的电源发生电路为直-直隔离输出电源电路，其输入端与直流系统输出回路连接，其输出端与有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的电源端对应连接。
3.按照权利要求2所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的电流传感器套装在直流系统输出回路上，直流系统的输出回路构成电流传感器的原边线圈。
4.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的微处理器电路为常规单片机电路。
5.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的触发器为常规双稳态触发器电路。
6.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的告警电路为发光二极管或发光二极管及其驱动电路。
7.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的有源LC振荡器包括第一至第四电容、第一至第四电阻、三极管和电感线圈，其中，
第一电阻构成三极管的上偏置电阻，第二电阻构成三极管的下偏置电阻，第一电容与第二电阻并联，三极管的集电极经电感线圈与正电源端连接，三极管的发射极经第三电阻接地，第二电容的一端与三极管的集电极连接，另一端构成振荡器的第一输出端，接地端构成振荡器的第二输出端，第三电容并接在三极管发射极和集电极之间，第四电容并接在第三电阻两端，第四电阻并接在振荡器的第一、二输出端之间。
8.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的电源发生电路包括第五至第八电容、第五和第六电阻、第一和第二二极管、三端集成隔离元件和变压器，其中，
电源发生电路的正、负电源输入端与直流系统输出回路的正、负电源端连接，第五电容并接在电源发生电路的正、负电源输入端之间，三端集成隔离元件的D端与电源发生电路的正电源输入端连接，三端集成隔离元件的C端经第五电阻与第一二极管的负极连接，第一二极管的正极经第六电阻与电源发生电路的负电源输入端连接，三端集成隔离元件的S端与变压器原边线圈的首端连接，第六电容并接在三端集成隔离元件的C端与S端之间，第七电容并接在三端集成隔离元件的S端与第一二极管的负极之间，电源发生电路的负电源入端与变压器原边线圈的末端连接；
变压器副边线圈的末、首端分别构成电源发生电路的正、负电源输出端，第八电容并接在电源发生电路的正、负电源输出端之间，第二二极管串接在电源发生电路的负电源输出端上。
9.按照权利要求1所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路集成于一个壳体内，在壳体的一端，设置用于与直流系统输出回路连接的接线端子；在壳体的另一端，设置用于与直流系统负载回路连接的接线端子；在壳体的一面，设置与告警电路对应的发光孔；在壳体的另一面，设置用于与控制柜端子排连接的固定卡/勾或固定结构；在与直流系统负载回路连接的接线端子的壳体一端，设置识别缺口或识别突起。
10.按照权利要求1或9所述的直流系统接地故障的集成化检测装置，其特征是所述的集成有有源LC振荡器、脉冲计数器、微处理器电路、触发器和告警电路的壳体，构成直流系统输出回路和直流系统负载回路之间的带有直流接地监视功能的集成化双端接线端子；所述的集成化双端接线端子，设置在直流系统各输出回路与负载连接的端子排处；所述的集成化双端接线端子设置在直流系统的任意一路或多个输出回路上。
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