不平衡電橋法直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測

不平衡電橋法直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測【摘要】變電站或配電室的直流系統(tǒng)中由于設備老化、環(huán)境改變、梅雨季節(jié)線頭受潮等原因，常存在由于絕緣下降造成接地故障或保護裝置誤動作的安全隱患。本文通過介紹不同測量方法的優(yōu)點和不足，在現(xiàn)有方法的基礎上，提出一種測量精度高且簡單易行的絕緣電阻檢測方法。該方法不同于現(xiàn)有的平衡電橋法，采用基于校正網(wǎng)絡的不平衡電橋原理，通過校正網(wǎng)絡對電橋的校準，消除實際運用中由于電阻誤差和數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量誤差，提高絕緣電阻測量精度且測量方法簡單易行?！娟P(guān)鍵詞】電橋校正網(wǎng)絡；不平衡電橋法；檢測；直流系統(tǒng)絕緣1.引言直流電源系統(tǒng)在發(fā)電廠、配電室中具有重要的作用，直流系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行對于發(fā)電和配電等電氣設備安全運行有著重要的意義。而且在變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)以及二次繼電保護裝置中，需要直流電源為設備提供控制或操作電源，直流系統(tǒng)的絕緣水平對站內(nèi)設備的穩(wěn)定和安全運行有著重要影響。隨著運行設備的老化，氣候和環(huán)境的改變，以及接線端子和觸頭受潮等原因，會造成絕緣水平下降，嚴重者甚至造成接地故障，進而會導致自動控制裝置和繼電保護裝置誤動或拒動，造成一次設備誤跳閘和越級跳閘，進一步擴大事故范圍。由此可見，對變電站內(nèi)直流系統(tǒng)絕緣電阻的檢測有著重要意義。通過對直流系統(tǒng)的絕緣電阻檢測，能夠預防和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中發(fā)生或潛在的接地故障，其一般判斷方法為：首先通過檢測直流系統(tǒng)中±母線的對地絕緣電阻的大小是否符合標準，然后再檢測支路的對地絕緣電阻是否正常。如何靈敏迅速可靠地檢測出絕緣電阻值是正確判斷故障發(fā)生點及潛在發(fā)生危險的重要依據(jù)。目前直流系統(tǒng)絕緣電阻檢測方法可分為交流法和直流法，其中直流法主要是基于電橋平衡的原理；交流法主要包括信號注入法和變頻探測法，對于信號注入法，由于注入的為低頻載波脈沖信號，會受到系統(tǒng)電容電流的嚴重干擾。假如支路中純在大電容元件或等效對地電容較大時，必須對電容電流進行補償后才能使用該方法，而且測量精度不準，另外，注入的低頻載波脈沖信號對于原系統(tǒng)而言相當于人為增加的外部干擾，使得系統(tǒng)的電壓紋波變大，影響其他設備的使用。對于近年來發(fā)展出來的變頻探測法，其基本原理是在直流母線中注入兩組幅值一樣頻率不同的交流信號，然后檢測支路上感應出的低頻信號，當系統(tǒng)絕緣電阻下降發(fā)生接地故障時，檢測出的低頻信號的幅值會發(fā)生明顯的變化，但是該方法和信號注入法一樣，存在對地電容電流的干擾問題。實際現(xiàn)場中簡單易行的方法還是基于電橋原理的直流法。直流系統(tǒng)絕緣檢測示意圖如圖1所示，主要包括母線絕緣電阻的測量和支路絕緣電阻的測量。常用的方法是基于平衡電橋的原理，該方法最大缺點是無法辨識支路故障而且只能檢測非對稱性故障。本文提出一種附帶校正網(wǎng)絡的不平衡電橋測量方法，通過校正網(wǎng)絡的校準，消除實際運用中由于電阻誤差和數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量誤差，提高絕緣電阻測量精度且測量方法簡單易行。圖1直流系統(tǒng)絕緣檢測示意圖2.常規(guī)檢測方法的原理及缺陷圖2所示為常規(guī)方法測量支路電阻的原理圖，圖2中R1、R2、R3分別為1支路和2支路的等效對地電阻，V1、V2為支路出線端的漏電流傳感器。當絕緣水平正常時，對地電阻非常大，可視為斷路，流過正負極線路上的電流大小相等，方向相反，漏電流傳感器的輸出電壓為0；當線路上某處絕緣下降，對地電阻減小，如2支路中R3所示，此時正負極線路上的電流不相等，漏電流傳感器的輸出端感應出電壓，再通過該信號的大小即可判斷出故障程度。此方法簡單易行，對于單點接地故障能夠準確判斷但是復雜故障時難以檢測出故障支路。例如圖2中1支路所示，該支路正負極均有接地電阻，且R1=R2時，該方法不能確定故障支路，造成漏報和誤報。圖2支路電阻常規(guī)方法原理圖平衡電橋法的測量原理如圖3所示。虛線部分的R+和R-分別表示正母線和負母線的等效對地電阻，R3=R4+R5，構(gòu)成平衡電橋。其工作原理如下：u1檢測直流母線電壓，當正負母線間電壓保持不變時，u1的輸出值不變，絕緣正常時，R+和R-支路相當于斷路，u2檢測值不變。一旦出現(xiàn)接地故障時，由于R+和R-支路的作用，原有平衡被打破，u2的檢測值會發(fā)生很大變化，通過該值即可測量出接地電阻的大小。該方法原理簡單易于實現(xiàn)，但是存在和支路絕緣檢測類似的不足即無法測量出復雜接地故障，例如當正負母線均產(chǎn)生接地故障且等效接地電阻大小相等時，依然會保持原有的電橋平衡，無法檢測出故障造成漏報和誤報。圖3平衡電橋法測量原理圖4不平衡電橋母線絕緣檢測原理圖3.帶校正網(wǎng)絡的不平衡電橋法測量原理3.1不平衡電橋法原理通過上述分析可知，基于平衡電橋的傳統(tǒng)檢測方法難以判斷出多點接地等復雜接地故障，采用不平衡電橋法則可以有效彌補此缺陷。不平衡電橋法的測量原理如圖4所示，不平衡電橋則是通過繼電器K1、K2的開關(guān)動作將電阻R投切進測量網(wǎng)絡實現(xiàn)。具體工作原理如下：繼電器K1處于閉合狀態(tài)，繼電器K2處于斷開狀態(tài)時，測量u1、u2的輸出，得到一組輸出電壓值；繼電器K1處于斷開狀態(tài)，繼電器K2處于閉合狀態(tài)時，測量u1、u2的輸出，得到另一組輸出電壓值。通過兩組電壓值計算出等效對地電阻。具體計算過程為，令U為母線電壓，U+為正母線對地電壓，U-為負母線對地電壓，則U=U-+U+。母線電壓與測量電壓的關(guān)系式可由式（1）表示。當圖4中繼電器K1處于閉合狀態(tài)，繼電器K2處于斷開狀態(tài)時，此時得到一組母線電壓與測量電壓的關(guān)系：在A點列基爾霍夫電流方程可得：當圖4中繼電器K1處于斷開狀態(tài)，繼電器K2處于閉合狀態(tài)時，此時得到另一組母線電壓與測量電壓的關(guān)系：同理，在A點列基爾霍夫電流方程可得：聯(lián)立上述方程，可得接地電阻的表達式：3.2帶校正網(wǎng)絡的不平衡電橋上述不平衡電橋法用于實際系統(tǒng)中必須要考慮由于取樣電阻本身的誤差以及模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差造成的母線電壓測量誤差，進而會導致對地電阻測量精度的影響。本文提出一種帶校正網(wǎng)絡的不平衡電橋，通過校正網(wǎng)絡和標準電壓對測量值進行校準，提高對地電阻的測量精度，原理圖如圖5所示。圖5基于校正網(wǎng)絡的不平衡電橋理想狀態(tài)下，令Us、Uc、Vs、Vc分別為母線電壓實際值、母線電壓測量值、測量點電壓實際值和測量點電壓測量值，則存在如下關(guān)系：由于取樣電阻R1、R2存在誤差，導致k1≠k2；由于數(shù)模轉(zhuǎn)換的誤差，導致Vs≠Vc。本文采用的校準方法首先將繼電器K3閉合，繼電器k1、k2斷開，然后在母線輸入端施加220V標準電壓，采集測量點電壓Vc。則，母線電壓實際值與測量點的測量值之間的關(guān)系為：誤差校正系數(shù)K3中包含了取樣電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換帶來的測量誤差，而且該系數(shù)不受外界因素干擾，因此能夠提高母線對地電壓的測量精度，進而提高母線對地電阻的測量精度。同理，在測量支路對地電阻時，將K3斷開，依次閉合K1、斷開k2，再閉合K2、斷開K1，得到兩組測量點的電壓值以及漏電流值，進而可通過上述不平衡電橋的計算原理，分別得到支路正極線和負極線的對地電阻。4.測量結(jié)果分析實驗過程中，直流母線電壓取220V，用幾組大小不同的電阻并聯(lián)在正、負母線與地線之間，模擬正、負接地絕緣電阻。測量結(jié)果如表1所示。由表1可知，測量的母線對地電阻值精度較高，而且當正負母線對地電阻值不同時，依然能夠得到精確的測量值，相比常規(guī)的平衡電橋法有著更廣泛的應用范圍，測量結(jié)果更加準確。5.結(jié)束語本文根據(jù)變電站直流系統(tǒng)絕緣檢測工作中存在的實際問題，介紹了幾種絕緣電阻檢測的原理，并且詳細分析了各種方法的使用范圍和優(yōu)缺點，著重分析了常規(guī)平衡電橋法檢測原理及不足，在此基礎之上對原有方法進行改進，采用一種帶校正網(wǎng)絡的不平衡電橋法進行絕緣檢測，并且詳細推導了母線對地電阻的計算公式。通過校正網(wǎng)絡對電橋的校準，消除實際運用中由于電阻誤差和數(shù)模轉(zhuǎn)換誤差帶來的測量誤差。該方法與常規(guī)方法相比，能夠檢測出復雜接地故障下的對地電阻且通過校正取樣電阻和模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差，提高了測量精度，有著廣泛的實際應用意義。參考文獻[1]錢君霞，尹斌.一種分布式直流絕緣檢測裝置的研究[J].絕緣材料，2004，05：35-37.[2]李海建.一種在線式智能直流絕緣檢測裝置的設計[J].低壓電器，2012，24：19-22.[3]李改茹，時維獎，高原，張秋月.直流系統(tǒng)絕緣檢測方法的研究[J].科技致富向?qū)В?013，18：185+237.[4]鮑諺，姜久春，張維戈，王嘉悅，溫家鵬.新型直流系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測方