直流系统绝缘监察装置

直流系统绝缘监察装置

1 现有检测装置及存在的问题

在发电厂和变电站的直流系统接地故障诊断领域中，从国内来看，主要有以下2类装置［1，2］。其一类装置基于“信号寻迹”的工作原理，如“直流系统接地低频探测仪”、“直流系统接地故障探测装置”。它们有如下特点：(1)需在直流系统上施加低频交流激励；(2)根据直流母线分段数，配置相应检测主机台数，制约直流母线的运行方式；(3)随着直流系统对地电容的增大，装置叠加在被测系统的交流分量也随之增大；(4)直流系统对地电容对这类装置的正常工作有较大的影响。另一类装置是直接用倍频磁调制器作直流电流传感器，巡回检测每个传感器的输出，并送给计算机进行处理。如“直流系统绝缘监测装置”、“直流回路漏电流在线巡回监测仪”等。在实际应用过程中，这种方法涉及到严重的干扰问题，主要有环境电磁干扰及被测直流电流中的纹波干扰。为了抑制干扰，采取的处理措施很复杂。另外，传感头的输入(被测直流电流)与输出2次谐波电压之间的关系为非线性，且每个传感头的特性参数离散性较大，使用前必须逐个进行预测标定，每一传感器的标定参数必须记录在控制程序中，若增加或更换1个传感器则需对控制软件作修改，使用、维护很不方便，系统适应性差。要对多路直流回路进行检测，相应的检测、处理方法就很复杂。最后，从整个绝缘监测系统来看，该类装置需要增加1套母线电压测量电路来监视直流系统的绝缘水平，若直流系统出现正、负母线绝缘电阻等值下降情况时，这类装置不能起到监测作用。

2 新型直流系统绝缘监察装置

2.1 装置的基本工作原理

用直流漏电电流传感器套穿在各路直流回路的正负出线上，当回路绝缘水

平正常时，穿过传感器的直流电流大小相等，方向相反，即I

++I

-

＝0，此时传感

器中的合成直流磁场为零，其输出也就为零；当回路绝缘水平下降到一定范围

或出现接地故障时，此时I

++I

-

≠0，该回路中出现合成直流电流，对应于该回路

的传感器中合成直流磁场就不为零，其输出也就不为零。因此，可以通过巡回检测各路传感器的输出是否为零，来判定整个直流系统是否出现接地故障，并确定故障回路。上述检测方法是根据直流电桥的原理来实现的，该方法能否实现的关键是要求直流电流传感器测量精度高，并且有足够的分辨率。

2.2 相位差磁调制式直流电流传感器

经理论和实践证明，在交变对称电压或电流源激磁的铁心中，若同时存在直流恒定磁场，铁心中交变磁通的对称性就被破坏，磁通波形的正负半波相位将发生变化，相应地，检测绕组输出电压中的正负半波将发生相对位移。正负半波相位变化量的大小和方向可以反映直流偏置电流的大小和方向，利用这一特性测量直流电流，就是相位差磁调制式直流电流测量方法的基本原理［3］。

单铁心磁调制器在三角波恒定交流激磁下，铁心磁化波形为对称的三角波，检测绕组端电压的波形为正、负相间的矩形脉冲波。当被测直流电流I为零时，该电压中相邻的正、负矩形脉冲之间的间隔t

+-

＝T/2，T为激励电源的周期。

当被测直流电流不为零时，由理论分析可知，检测绕组端电压中的正、负矩形脉冲相对发生反方向移相，且移相幅度相等，此时

(1)

式中Δt——t

+-

的变化量；

I

m

——激励电流的幅值；

W 1、W

2

——直流信号绕组和交流激磁绕组的匝数。

由此可得(2)

因此，Δt的大小及正负就可以反映直流被测电流的大小和方向，可以通过检测Δt来测量直流电流，式(2)即相位差磁调制器式直流电流测量方法的工作原理。从式(1)、(2)可见，I与Δt间的关系为标准的线性关系。

相位差磁调制式直流电流测量系统结构十分简洁，基本上全由数字电路构成，故系统稳定性、可靠性较好，使用方便，调校工作很少，测量精度较高。经对由MCS?51系列单片计算机8752构成的相位差磁调制式直流电流测量系统实测表明，当计数时钟频率为5 MHz，采用由坡莫合金带卷绕的磁环制作单铁心磁调制器，并且取直流信号绕组匝数为1匝时，分辨率可达到10 μA。在实际测量过程中，激励源幅值波动对测量精度的影响。可以根据式(1)、(2)进行校正，以保证测量精度。

2.3 直流系统正、负母线接地的检测原理

直流系统绝缘监察装置是根据直流电桥原理构成的(见图1)。

其中，R

J 为信号继电器的电阻，R

+

、R

-

分别为直流系统正、负母线对地绝缘

电阻，正常情况下，R

+和R

-

很大，只有微小的不平衡电流流过R

J

。当直流系统发

生接地故障时，某一极的绝缘电阻下降，电桥失去平衡，有电流流过R

J

，继电

器动作。若发生对称接地故障，R

+＝R

-

，电桥处于平衡状态，流过R

J

的电流仍然

为零。因此，这种装置不能监测对称接地故障。对于这种情况，可以通过对图1(a)所示电路进行改进来解决，原理电路如图1(b)所示。图中，接到正母线的电阻R两端并联了1条支路，该支路是由1个断电器的常开触点J1与电阻R串联组成。正常情况下，J1断开。

通过定时控制J1闭合，来检查直流系统正、负母线对称接地故障。当J1

闭合，若发生对称接地故障时(R

+＝R

-

≠∞)，此时流过R

J

的电流为I

J

＝

。例如，对于220 V的直流系统，若取R＝1 kΩ，

R J ＝30 kΩ，当R

+

和R

-

值下降为20 kΩ时，可以根据上式计算出R

J

＝0.909 mA。

这一电流用研制出的相位差式直流电流传感器是可以分辨出来的。因此，根据上述方法就能实现对直流系统对称接地故障的监测。

图1 绝缘监察装置原理电路

在实施过程中，继电器J1按下列原则动作：当已检测出直流系统出现不对称接地时，J1不动作。当直流系统没有不对称接地故障时，J1每间隔1 h闭合1次，监测直流系统是否出现对称接地故障。若存在对称接地，就进行巡检并确定故障回路；若无，则断开J1，返回到正常监视状态。

3 绝缘监察装置的整体设计

整个装置的原理接线如图2所示。所有传感器的输出都接到由单片机构成的主机上，装置主机实时监测绝缘监察回路传感器的输出，当直流系统出现绝缘水平下降或接地故障时，对各路传感器进行巡检，计算并显示出接地回路、接地极性、接地电阻以及正负母线对地电压。

图2 绝缘监察装置原理接线

4 结束语

从整体来看，整个装置与直流系统完全独立，不会对被测系统带来任何影响，也不影响直流系统原有的绝缘监察继电器的运行和使用功能。由于本装置是直接用直流漏电流传感器来测量直流系统的接地漏电流的。因此，直流系统

对地电容对装置的工作没有影响。因为采用了相位差磁调制式直流电流测量装置作直流漏电流传感器，传感器一致性好，基于它的特点，整套直流系统绝缘监察装置设计非常简单，在现场使用时安装简单，不需要调校。并且由于该传感器的测量精度及分辨率高，可以直接根据测量出的接地漏电流来计算出直流正负母线对地电压，以及能对直流系统对称接地故障进行检测，而不需要另外增加母线电压测量部分。