CN212301808U - 一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，属于直流电源系统绝缘监测领域，解决的问题是：提供一种站用直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置；采用的技术方案是：一种直流电源系统接地故障精确定位装置，包括：绝缘监测装置和支路选线CT；绝缘监测装置包括：平衡电桥和切换电桥；平衡电桥由两个阻值相等的电阻R₁和电阻R₄组成；所述电阻R₁接入直流电源系统正母线与地电位之间，电阻R₄接入直流电源系统负母线与地电位之间；所述切换电桥由电位器R₂、电位器R₃、切换开关K₁和切换开关K₂组成。

Description

一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置

技术领域

本实用新型一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，属于直流电源系统绝缘监测技术领域，具体涉及一种能够准确定位接地故障的装置。

背景技术

站用直流电源系统为变电站的保护设备、通信设备、断路器操作机构等重要设备设施提供不间断电源，是保障变电站和电力系统安全、稳定运行的重要组成部分。然而，目前蓄电池接地故障的监测，特别是蓄电池两点接地故障的监测，一直是困扰运行人员和设备生产厂家的难题。蓄电池两点接地可引起电池内部短路，直流电源系统的保护电器无法发挥作用，很可能引起火灾等严重事故，但针对蓄电池两点接地故障的监测仍然是直流电源系统绝缘监测的盲区。近年来，变电站相继出现了多起由于蓄电池绝缘故障导致的蓄电池起火、直流母线失电等事故，为电网企业带来了重大损失。

现有的监测装置和方法虽然可以判断蓄电池整组出现接地故障，但无法实现蓄电池两点接地故障的精确定位和接地电阻的精确测量。现有的监测方法主要通过绝缘监测装置平衡桥的电压偏移来定位蓄电池接地故障和计算接地电阻，但该方法只适用于蓄电池一点接地故障，当蓄电池出现第二点接地故障时，该方法无法分别对两点接地位置和接地电阻进行定位和计算。蓄电池接地故障特别是两点接地故障若不能精确定位、接地电阻不能精确计算，将会为直流电源系统的运行维护带来诸多困难，有可能由于小故障无法及时处理而发展为大故障，从而影响变电站和电力系统的的安全稳定运行。因此，开展蓄电池接地故障精确定位相关技术的研究和应用，可以发现和准确判断蓄电池组早期绝缘故障，便于运维检修人员及时消缺，提升变电站和电力系统供电可靠性。

实用新型内容

本实用新型克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题是：提供一种站用直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置。

为解决上述技术问题：本实用新型所采用的技术方案是：一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，包括：绝缘监测装置和支路选线CT；所述绝缘监测装置包括：平衡电桥和切换电桥；

所述平衡电桥由两个阻值相等的电阻R₁和电阻R₄组成；所述电阻R₁接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电阻R₄接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述切换电桥由电位器R₂、电位器R₃、切换开关K₁和切换开关K₂组成，所述电位器R₂串接切换开关K₁后接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电位器R₃串接切换开关K₂后接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述直流电源系统正母线和地电位之间串接有电压表V₁，所述直流电源系统负母线和地电位之间串接有电压表V₂；

所述支路选线CT与直流电源系统支路数量相等并且均与绝缘监测装置电气相连，所述直流电源系统支路的进线和出线同时穿过支路选线CT。

所述绝缘监测装置还包括主控制器；上述电位器、切换开关和电压表均与主控制器电气相连。

直流电源系统接地故障精确定位方法，包括以下步骤：

第一步、接地电阻计算：将电位器R₂和电位器R₃设置相同阻值，闭合切换开关K₁，断开切换开关K₂，此时，测得正负母线对地电压分别为U₊₁和U_-1，得到方程(1)；

其中“//”表示电阻并联后的阻值，R₊为正母线对地绝缘电阻，R_-为负母线对地绝缘电阻；由于电阻R₁和电阻R₄阻值相等，所以计算时电阻R₁和电阻R₄均以R₁数值计算；

然后断开切换开关K₁，闭合切换开关K₂，测得正负母线对地电压分别为U₊₂和U_-2，得到方程(2)；

测量结束后，断开切换开关K₁和切换开关K₂，根据方程(1)和(2)求得正母线对地绝缘电阻R₊和负母线对地绝缘电阻R_-，然后进入第二步；

第二步：蓄电池接地选线：若第一步测得的正负母线对地绝缘低于告警值，则启动接地选线程序：闭合切换开关K₁，调节电位器R₂，使其输出为呈正弦变化的阻值，监测支路选线CT的变化；

若某个支路选线CT的测试电流大于告警值，则判定此支路出现接地故障，定位完成；

若所有支路选线CT的测试电流均低于告警值，则判定蓄电池或母线出现接地故障，然后进入第三步；

第三步：接地定位：假设U₁和U₂分别为正极母线到接地点电压值和接地点到负极母线的电压值，U_d为正负母线电压值，则U₁+U₂＝U_d；

假设R为接地电阻值，忽略蓄电池内阻；可到方程(3)和方程(4)；

则根据方程(3)和(4)可求得正极母线到接地点电压U₁、接地点到负极母线的电压U₂和接地电阻值R；

此时，假设蓄电池节数为N，从蓄电池正极向负极编号：即1～N，则得到方程(5)

根据方程(5)，可以求得发生接地故障的电池编号n(四舍五入为整数)，系统记录故障电池编号n；当n＝0或n＝N时，判定发生母线接地故障；然后进入第四步；

第四步：重复第一步操作，如果此时测量的正负母线对地绝缘电阻与上述第一步中相同，则说明蓄电池发生一点接地；

如果此时测量的正负母线对地绝缘电阻与上述第一步中不相同，则重复上述第二步和第三步，分别记录切换开关K₁闭合、切换开关K₂断开时的正负母线电压U₊₃、U_-3以及切换开关K₁断开、切换开关K₂闭合时的正负母线电压U₊₄、U_-4；

如果计算结果显示故障蓄电池位置与第一次接地故障位置一致，则判定蓄电池一点接地，且接地电阻发生变化；

如果计算结果显示故障蓄电池位置与第一次接地故障位置不一致，则判定蓄电池可能发生两点接地故障，则进入第五步；

第五步：蓄电池两点接地定位：若第四步判定蓄电池或母线出现两点接地故障，则启动蓄电池两点接地定位程序；

根据方程(5)、方程(6)和方程(7)分别求得第二点接地故障电池对负极母线的电压U4、接地电阻R′以及故障电池编号n′，从而确定另一故障电池编号。

本实用新型与现有技术相比具有的有益效果是：本实用新型不仅可准确定位蓄电池一点接地故障，计算一点接地电阻值，还可以准确定位蓄电池两点接地故障，分别计算两点接地电阻值，解决了蓄电池两点接地故障无法定位和计算的绝缘监测盲区问题，大大提升直流电源系统的运维便利性和安全性。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明：

图1是本实用新型的电路结构示意图；

图2是本实用新型中绝缘监测装置电路结构示意图；

图3是本实用新型中蓄电池组一点接地等效电路图；

图4是本实用新型中蓄电池组两点接地等效电路图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实用新型一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，包括：绝缘监测装置和支路选线CT；所述绝缘监测装置包括：平衡电桥和切换电桥；

所述平衡电桥由两个阻值相等的电阻R₁和电阻R₄组成；所述电阻R₁接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电阻R₄接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述切换电桥由电位器R₂、电位器R₃、切换开关K₁和切换开关K₂组成，所述电位器R₂串接切换开关K₁后接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电位器R₃串接切换开关K₂后接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述直流电源系统正母线和地电位之间串接有电压表V₁，所述直流电源系统负母线和地电位之间串接有电压表V₂；

所述支路选线CT与直流电源系统支路数量相等并且均与绝缘监测装置电气相连，所述直流电源系统支路的进线和出线同时穿过支路选线CT。

所述绝缘监测装置还包括主控制器；上述电位器、切换开关和电压表均与主控制器电气相连。

本具体实施方式中，建立仿真模型：假设蓄电池内阻为0.7mΩ，蓄电池节数为104节，正负母线压差为U_d＝235V，正负母线绝缘良好情况下对地电阻为100GΩ，在第10节蓄电池负极对地接入阻值为20kΩ的电阻；电阻R₁和电阻R₄均采用阻值为24kΩ电阻；电位器R₂和电位器R₃均采用调节范围50kΩ-150kΩ的电位器，以此定位故障蓄电池和接地电阻。

直流电源系统接地故障精确定位方法，包括以下步骤：

第一步、接地电阻计算：将电位器R₂和电位器R₃设置相同阻值，闭合切换开关K₁，断开切换开关K₂，此时，测得正负母线对地电压分别为U₊₁和U_-1，得到方程(1)；

其中“//”表示电阻并联后的阻值，R₊为正母线对地绝缘电阻，R_-为负母线对地绝缘电阻；

然后断开切换开关K₁，闭合切换开关K₂，测得正负母线对地电压分别为U₊₂和U_-2，得到方程(2)；

测量结束后，断开切换开关K₁和切换开关K₂，根据方程(1)和(2)求得正母线对地绝缘电阻R₊和负母线对地绝缘电阻R_-；

仿真实验中：正常运行状态下，测得正极母线对地电压为U₊(81.9V)，负极母线对地电压为U_-(153.1V)，正负极母线对地电压差值ΔU＝|U₊-U_-|＝|81.9V-153.1V|＝71.2V，将电位器R₂和电位器R₃调节为相同的阻值120kΩ，正负母线之间电压为U_d＝235V；

闭合切换开关K₁，断开切换开关K₂，测得正负母线对地电压分别为U₊₁(77.1V)和U_-1(157.9V)，得到方程(1)；断开切换开关K₁，闭合切换开关K₂，测得正负母线对地电压分别为U₊₂(90.9V)和U_-2(144.1V)，得到方程(2)；测量结束后，K₁和K₂均处于断开状态；根据方程(1)和(2)求得正负母线对地绝缘R₊(22050.6Ω)和R_-(204444.4Ω)，接地电阻R₊＜25kΩ(告警值)；然后进入第二步；

第二步：蓄电池接地选线：若第一步测得的正负母线对地绝缘低于告警值，则启动接地选线程序：闭合切换开关K₁，调节电位器R₂，使其输出为呈正弦变化的阻值，监测支路选线CT的变化；

若某个支路选线CT的测试电流大于告警值，则判定此支路出现接地故障，定位完成；

若所有支路选线CT的测试电流均低于告警值，则判定蓄电池或母线出现接地故障；

仿真实验中：第一步测得的正负母线对地绝缘低于告警值，启动接地选线程序，闭合切换开关K₁，调节电位器R₂(50kΩ-150kΩ)，使其输出为呈正弦变化的阻值[100+50sin(πt)]kΩ；监测支路选线CT的变化，若支路选线CT的测试电流大于告警值，则判定此支路出现接地故障；若所有支路选线CT的测试电流均低于告警值，则判定蓄电池或母线出现接地故障，然后进入第三步；

第三步：接地定位：假设U₁和U₂分别为正极母线到接地点电压值和接地点到负极母线的电压值，U_d为正负母线电压值，则U₁+U₂＝U_d；

如图3所示，假设R为接地电阻值，忽略蓄电池内阻；可到方程(3)和方程(4)；

则根据方程(3)和(4)可求得正极母线到接地点电压U₁、接地点到负极母线的电压U₂和接地电阻值R；

此时，假设蓄电池节数为N，从蓄电池正极向负极编号：即1～N，则得到方程(5)

根据方程(5)，可以求得发生接地故障的电池编号n(四舍五入为整数)，系统记录故障电池编号n；当n＝0或n＝N时，判定发生母线接地故障；然后进入第四步；

仿真实验中：蓄电池一点接地等效电路图如图2所示，其中，U1和U2分别为正极母线到接地点和接地点到负极母线的电压值，U₁+U₂＝U_d，U_d为正负母线电压值，R为接地电阻值，忽略蓄电池内阻；则根据方程(3)和(4)可求得U₁＝22.9V、U₂＝212.1V和R＝19.9kΩ；

设蓄电池节数为N，从蓄电池正极向负极编号，即1～N，则根据方程(5)可求得发生接地故障的电池编号n＝10。系统记录故障电池编号n＝10、U₁＝22.9V以及R＝19.9kΩ。

第四步：重复第一步操作，如果此时测量的正负母线对地绝缘电阻与上述第一步中相同，则说明蓄电池发生一点接地；

如果此时测量的正负母线对地绝缘电阻与上述第一步中不相同，则重复上述第二步和第三步，分别记录切换开关K₁闭合、切换开关K₂断开时的正负母线电压U₊₃、U_-3以及切换开关K₁断开、切换开关K₂闭合时的正负母线电压U₊₄、U_-4；

如果计算结果显示故障蓄电池位置与第一次接地故障位置一致，则判定蓄电池一点接地，且接地电阻发生变化；

如果计算结果显示故障蓄电池位置与第一次接地故障位置不一致，则判定蓄电池可能发生两点接地故障，则进入第五步；

如图4所示，第五步：蓄电池两点接地定位：若第四步判定蓄电池或母线出现两点接地故障，则启动蓄电池两点接地定位程序；

根据方程(5)、方程(6)和方程(7)分别求得第二点接地故障电池对负极母线的电压U₄、接地电阻R′以及故障电池编号n′，从而确定另一故障电池编号。

仿真实验中：将第20节对地接入阻值设定为50kΩ，模拟蓄电池第二点接地，通过以下方法计算第二点蓄电池接地的接地电阻值和位置；

按照第三步计算出相应的故障蓄电池节数n＝10、U₁＝22.9V以及接地电阻值R＝19.9kΩ；重复第一步的操作过程中发现正负母线对地绝缘电阻有新的变化，分别记录切换开关K₁闭合、切换开关K₂断开时的正负母线电压U₊₃(73.2V)、U_-3(161.8V)以及切换开关K₁断开、切换开关K₂闭合时的正负母线电压U₊₄(85.3V)、U_-4(149.7V)，并启动第二步接地选线程序；

在排除支路接地故障后，则重复第三步得到蓄电池接地电阻R＝14.15kΩ的计算和故障蓄电池定位n＝30，计算结果显示故障蓄电池位置与第一次接地故障位置不一致，则判定蓄电池可能发生两点或多点接地故障，其中两点接地故障发生概率最高，按照两点接地故障进行计算和定位；

第四步判定蓄电池或母线出现两点接地故障，则启动蓄电池两点接地定位程序，根据方程(5)、方程(6)和方程(7)分别求得第二点接地故障电池对负极母线的电压U₄＝189.6V、接地电阻R′＝50.2kΩ以及故障电池编号n′＝20。

本实用新型不仅可准确定位蓄电池一点接地故障，计算一点接地电阻值，还可以准确定位蓄电池两点接地故障，分别计算两点接地电阻值，解决了蓄电池两点接地故障无法定位和计算的绝缘监测盲区问题，大大提升直流电源系统的运维便利性和安全性。

Claims (2)

1.一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，其特征在于：包括：绝缘监测装置和支路选线CT；所述绝缘监测装置包括：平衡电桥和切换电桥；

所述平衡电桥由两个阻值相等的电阻R₁和电阻R₄组成；所述电阻R₁接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电阻R₄接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述切换电桥由电位器R₂、电位器R₃、切换开关K₁和切换开关K₂组成，所述电位器R₂串接切换开关K₁后接入直流电源系统正母线与地电位之间，所述电位器R₃串接切换开关K₂后接入直流电源系统负母线与地电位之间；

所述直流电源系统正母线和地电位之间串接有电压表V₁，所述直流电源系统负母线和地电位之间串接有电压表V₂；

所述支路选线CT与直流电源系统支路数量相等并且均与绝缘监测装置电气相连，所述直流电源系统支路的进线和出线同时穿过支路选线CT。

2.根据权利要求1所述的一种直流电源系统蓄电池接地故障精确定位装置，其特征在于：所述绝缘监测装置还包括主控制器；上述电位器、切换开关和电压表均与主控制器电气相连。

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