CN207249036U - 直流系统主动式接地保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流系统主动式接地保护装置。本实用新型包括全桥PWM移相DC/DC变换器、数字控制单元、隔离单元以及接地故障检测单元；所述的全桥PWM移相DC/DC变换器通过直流母线连接蓄电池组；所述的数字控制单元与全桥PWM移相DC/DC变换器的驱动端相连；所述全桥PWM移相DC/DC变换器的输出端通过隔离单元与直流系统的各个直流负载支路相连；所述的数字控制单元与接地故障检测单元相连；所述的接地故障检测单元与隔离单元相连；所述的接地故障检测单元采样直流负载支路正、负母线的对地电压，通过数字控制单元计算正、负母线的对地电阻值，实现直流接地故障本地显示、接地故障报警上传与报警、接地故障的定位。

Description

直流系统主动式接地保护装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统领域，具体地说是一种直流系统主动式接地保护装置。

背景技术

低压直流系统常应用于变电站以及电厂等需要使用直流设备的场合，是电力系统控制和保护的基础，同时也是事故状态下断路器能快速跳闸的保障。但在直流配电系统中，直流回路一般是浮地系统，其馈线支路数较多，馈线距离较长；现场人为误操作、雨水进入配电箱、馈线电缆绝缘老化以及支路负载故障等，则会造成直流系统的正或负母线对地绝缘下降甚至接地，即发生直流系统接地故障。

当发生直流母线接地故障时，如果接地发生在直流正母线，可能会造成继电保护及自动装置发生误动；如果接地发生在直流负母线，可能会造成继电保护及自动装置发生拒动；正、负母线两点接地则造成直流短路，断路器跳闸，继电保护装置及操作失去直流电源。

目前直流系统接地故障的解决方法可以通过便携式的接地故障查找仪来查找接地故障，但是由于查找仪的兼容性低和抗干扰能力差的因素，会造成接地故障的误报，而且对于接入直流母线上的任何导线都要查找，工程量大，时效性差，不能实现接地故障的快速精确定位；另外，也可以采用逐路断电寻找接地点的方法，但需要的时间长，试停的回路多，造成继电保护或自动装置临时退出运行，对电力系统的安全运行存在隐患。这些仪器或方法即使能查找到接地故障，但是无法限制和隔离故障，故障现象会进一步扩大到整个直流系统，影响直流系统的正常运行。此外，若直流系统发生单点接地故障（正接地），则接地故障需要快速查找解决，否则若再发生另一点接地（负接地），则直流系统就会短路，造成整个系统的崩溃。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在缺陷，提供一种直流系统主动式接地保护装置，其可以实现直流系统接地故障的快速查找、准确定位，同时实现接地故障的隔离，把接地故障限制在故障支路，防止接地故障的向上传递。

为此，本实用新型采用如下的技术方案：直流系统主动式接地保护装置，包括全桥PWM移相DC/DC变换器、数字控制单元、隔离单元以及接地故障检测单元；

所述的全桥PWM移相DC/DC变换器通过直流母线连接蓄电池组；所述的数字控制单元与全桥PWM移相DC/DC变换器的驱动端相连；所述全桥PWM移相DC/DC变换器的输出端通过隔离单元与直流系统的各个直流负载支路相连；所述的数字控制单元与接地故障检测单元相连；所述的接地故障检测单元与隔离单元相连；

所述的接地故障检测单元采样直流负载支路正、负母线的对地电压，通过数字控制单元计算正、负母线的对地电阻值，实现直流接地故障本地显示、接地故障报警上传与报警、接地故障的定位。

蓄电池组的输出提供给直流母线，给直流系统主动式接地保护装置供电，直流系统主动式接地保护装置的输出给直流负载支路供电。

作为上述技术方案的补充，所述的直流系统主动式接地保护装置还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，二者分别与数字控制单元相连；所述的RS-485通讯接口还与外部的监控上位机相连。

作为上述技术方案的补充，所述的蓄电池组由108节2V 1000Ah的铅酸蓄电池串联组成，其供电给直流母线，直流母线供电给全桥PWM移相DC/DC变换器。

作为上述技术方案的补充，所述的全桥PWM移相DC/DC变换器包括高频隔离变压器、隔直电容、谐振电感、整流二极管、滤波电容和功率管；

所述高频隔离变压器的原边串联隔直电容、谐振电感和功率管，并联一输入滤波电容；高频隔离变压器的副边串联整流二极管、电感和负载，并联一输出滤波电容。高频隔离变压器实现了原副边的电气隔离，同时实现了直流母线和直流负载支路的电气隔离，即直流负载支路的接地故障不会传递到直流母线侧，直流母线侧的接地故障也不会传递到负载侧。

作为上述技术方案的补充，所述的功率管为MOS管，有四个，其两端并联寄生二极管和寄生电容。

作为上述技术方案的补充，所述的数字控制单元包括ARM处理器，所述ARM处理器的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用于控制全桥PWM 移相DC/DC变换器的四个MOS管，ARM处理器的AD采样端口AN0、AN1、AN4分别采集全桥PWM 移相DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流。

作为上述技术方案的补充，所述ARM处理器的485A和485B端口即为RS-485通讯接口，实现与外部的监控上位机的通讯，ARM处理器通过其SPI通讯接口SDI、SCK、SDO与人机交互界面实现数据通讯，就地数据显示、故障查询与参数设置。

作为上述技术方案的补充，所述的接地故障检测单元包括正负母线对地电压差分采样电路和与其串联的负反馈放大电路，经过负反馈放大电路信号调理的直流负载支路正负母线对地电压送至ARM处理器的AD采样端口AN2和AN3。

作为上述技术方案的补充，所述直流负载支路正负母线上分别装有一隔离二极管，所述的隔离二极管即为隔离单元。

相对于现有技术，本实用新型具有的有益效果如下：

1、本实用新型的主动式接地保护装置具有绝缘下降和接地故障主动报警功能、接地故障主动隔离与主动保护功能，同时具有绝缘电阻阻值侧记、接地电阻阻值侧记以及绝缘下降和接地故障实时报警、故障信息上传功能，而且绝缘电阻报警值可设定。

2、当直流系统某一支路的正或负母线发生绝缘下降或接地故障时，由于接地保护装置的隔离保护作用使得接地故障不会向直流母线侧和其他直流负载支路上传。

3、主动式接地保护装置将接地故障限制在发生故障的本支路，实现了故障主动隔离与保护的效果，避免了整个直流系统接地甚至发生短路、直流消失的风险。

4、实现直流绝缘下降和接地故障的精确定位和快速选线功能，减少了工程查找量，提高了时效性，保证了直流系统的正常运行。

附图说明

图1为本实用新型主动式接地保护装置的结构示意图；

图2为本实用新型全桥PWM移相DC/DC变换器的电路图；

图3为本实用新型数字控制单元的原理图；

图4为本实用新型接地故障检测单元采样与信号处理原理图；

图5为本实用新型主动式接地保护装置的配置示意图；

图6为本实用新型主动式接地保护装置的控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

参见图1，本实用新型主动式接地保护装置的输入端通过直流母线与蓄电池组相连，输出端与直流系统的各个直流负载支路相连。主动式接地保护装置包括全桥PWM 移相DC/DC变换器、数字控制单元、隔离单元以及接地故障检测单元、RS-485通讯接口和人机交互界面；采用数字控制技术，通过ARM处理器控制电路实现对变换器的控制和接地故障的检测、侧记、报警与信息上传；同时主动式接地保护装置将负载和直流母线进行电气隔离，将接地故障限制在负载侧，不会传递到电源侧；另外，实现了接地故障的快速定位与查找，方便故障选线。

结合图2，全桥PWM 移相DC/DC变换器采用ARM处理器作为其实现数字控制的核心器件，Uin为输入电压，Uo为输出电压，L为电感，T为高频隔离变压器，Cin为输入滤波电容，功率管Q1、Q2、Q3和Q4选用MOS管，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4由ARM处理器控制电路给出四路驱动控制信号，D1、D2、D3、D4为MOS管寄生的二极管，C1、C2、C3和C4为MOS管的寄生电容，整流二极管D5、D6选用快恢复二极管，Lr为谐振电感、Cr为隔直电容，Co为输出滤波电容，Ro为负载。

参见图3，ARM处理器数字控制单元原理图，ARM处理器型号STM32F407，Uo为输出电压采样，Io为输出电流，LEM为电流传感器，Y表示晶振，C1、C2为晶振电容，R1、R2、R3、R4为电压采样电阻，AN2、AN3为直流正负母线对地电压采样端口，其采样输入电压来自图4中的直流正负母线对地电压采样，ARM处理器的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用来控制全桥PWM 移相DC/DC变换器的四个MOS管，ARM处理器的AD采样端口AN0、AN1、AN4分别采集DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流；ARM处理器的485A和485B端口即为RS-485通讯接口，实现与外部监控系统的通讯，ARM处理器通过其SPI通讯接口（SDI、SCK、SDO）与人机交互界面实现数据通讯，方便就地数据显示、故障查询与参数设置。

参见图4，接地故障检测单元采样与信号处理原理图，直流220V的电源为全桥PWM移相DC/DC变换器的输出电压，在正负母线上分别加装了一个隔离二极管，此二极管即为图1中的隔离单元，选择普通的整流二极管；R1、R3为直流正母线对地采样电阻，R2、R4为直流负母线对地采样电阻，S1和S2分别正负母线投切开关，分别由图3中的STR和STP信号控制；R5、R6、R7、R8、R9、R10、C1、C2以及运放U1构成正负母线对地电压差分采样电路；R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18以及运放U2构成了负反馈放大电路，进行采样电压的极性翻转与信号放大；D3和D4构成了ARM处理器端口保护过电压保护电路；经过信号调理的正负母线对地采样电压送到图3中AN2和AN3端口，最终由软件程序进行计算。实现正负母线对地电阻的计算、故障报警与主动保护。

结合图2、图3、图4、图5和图6可知，主动式接地保护装置采用的保护方法如下：

将直流系统主动式接地保护装置串联于蓄电池组的直流母线与各个直流负载支路之间，在各单元及各参数初始化之后，主动式保护装置启动；启动完成后，由图6的流程图可知，ARM处理器控制电路通过自身的AD单元采集输入电压、输出电压和输出电流、直流母线正或负对地电压，进行相关的逻辑、数据处理和数据运算。当直流系统正或负母线发生接地故障时，通过检测电路检测正或负母线对地电压，送到ARM处理器进行数据处理、由软件程序进行正负母线对地电阻的计算，软件程序计算的正或负母线对地电阻值与设定的报警值进行比较，若对地电阻值≤25kΩ，则主动式接地保护设备报绝缘下降故障，此数据通过SPI通讯送到人机交互界面进行显示，同时主动给出绝缘下降报警信号，进行就地显示；若对地电阻值≤5kΩ，则主动式接地保护设备报绝缘下降与接地故障，此数据通过SPI通讯送到人机交互界面进行显示，同时主动给出接地故障报警信号，进行就地显示；也可以通过RS485通讯进行故障信息的远程上传，实现远程监控，实现接地故障的主动报警功能。

另外，根据图2和图5可知，直流系统的每个负载支路都安装主动式接地保护装置，而且主动式接地保护装置内部存在高频隔离变压器，可以实现电源侧与负载侧的电气隔离，保证了电源侧和直流负载支路侧不会相互影响。另外，当某一支路发生接地故障时，由于主动式接地保护装置的作用，接地故障被限制在本支路，不会传递到蓄电池组的直流母线侧，不会造成整个直流系统发生接地故障，最终把故障限制在本支路，实现接地故障的主动隔离，实现了直流系统接地故障的快速定位和精确选线。然而，由于接地保护装置的存在，允许直流负载支路在出现单点接地故障时主动式接地保护装置仍能继续给本支路负载供电，提高了直流系统的供电可靠性。

以上描述了本实用新型的基本原理和主要特征及优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本实用新型要求保护的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.直流系统主动式接地保护装置，包括全桥PWM移相DC/DC变换器、数字控制单元、隔离单元以及接地故障检测单元；其特征在于，

所述的全桥PWM移相DC/DC变换器通过直流母线连接蓄电池组；所述的数字控制单元与全桥PWM移相DC/DC变换器的驱动端相连；所述全桥PWM移相DC/DC变换器的输出端通过隔离单元与直流系统的各个直流负载支路相连；所述的数字控制单元与接地故障检测单元相连；所述的接地故障检测单元与隔离单元相连；

所述的接地故障检测单元采样直流负载支路正、负母线的对地电压，通过数字控制单元计算正、负母线的对地电阻值，实现直流接地故障本地显示、接地故障报警上传与报警、接地故障的定位。

2.根据权利要求1所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，它还包括RS-485通讯接口和人机交互界面，二者分别与数字控制单元相连；所述的RS-485通讯接口还与外部的监控上位机相连。

3.根据权利要求1或2所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述的蓄电池组由108节2V 1000Ah的铅酸蓄电池串联组成，其供电给直流母线，直流母线供电给全桥PWM移相DC/DC变换器。

4.根据权利要求1或2所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述的全桥PWM移相DC/DC变换器包括高频隔离变压器、隔直电容、谐振电感、整流二极管、滤波电容和功率管；

所述高频隔离变压器的原边串联隔直电容、谐振电感和功率管，并联一输入滤波电容；高频隔离变压器的副边串联整流二极管、电感和负载，并联一输出滤波电容。

5.根据权利要求4所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述的功率管为MOS管，有四个，其两端并联寄生二极管和寄生电容。

6.根据权利要求5所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述的数字控制单元包括ARM处理器，所述ARM处理器的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4信号用于控制全桥PWM 移相DC/DC变换器的四个MOS管，ARM处理器的AD采样端口AN0、AN1、AN4分别采集全桥PWM 移相DC/DC变换器的输入电压、输出电压以及输出电流。

7.根据权利要求6所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述ARM处理器的485A和485B端口即为RS-485通讯接口，实现与外部的监控上位机的通讯，ARM处理器通过其SPI通讯接口SDI、SCK、SDO与人机交互界面实现数据通讯，就地数据显示、故障查询与参数设置。

8.根据权利要求6所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述的接地故障检测单元包括正负母线对地电压差分采样电路和与其串联的负反馈放大电路，经过负反馈放大电路信号调理的直流负载支路正负母线对地电压送至ARM处理器的AD采样端口AN2和AN3。

9.根据权利要求6所述的直流系统主动式接地保护装置，其特征在于，所述直流负载支路正负母线上分别装有一隔离二极管，所述的隔离二极管即为隔离单元。