基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法与流程

本发明涉及测量技术领域，是一种基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法，适用于发电厂、变电站中的直流系统的接地故障监测，以避免引起的大规模供电事故。

背景技术：

在直流系统故障中最常发生的故障为直流系统绝缘下降，出现直接接地或间接接地等。在电力系统的发电、变电、输电等过程中直流系统的构成和负载端都较为复杂，故障发生的几率很高，对其进行在线监测的难度较大，在故障发生后对其实现检修的过程较为繁杂。而在绝缘下降故障中，最为常见的是负载支路单极性接地，即负载支路正极。近年来由于直流系统绝缘下降而造成的电厂、变电站误停机，保护设备误动作等情况时有发生。因此，对直流系统绝缘实时监测，在绝缘下降时需迅速预警并准确定位绝缘下降处的位置，快速排除故障，及时恢复装置的正常运行，以免造成更大规模的事故是本领域技术人员亟待解决的课题。

现有技术中，对直流系统接地故障监测最常用的方法是频率注入法，频率注入法通过在母线和大地之间加装一交流信号源，向母线中发出交流信号，通过加装在每条支路的交流传感器测量该信号的大小以达到监测绝缘情况的目的。然而，此方法向母线中注入了交流电流，会给供电母线带来较大纹波，并且会受到分布电容的影响，因此中国国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求》(国能安全[2014]161号)明确要求“新投入或改造后的直流电源系统绝缘监测装置，不应采用交流注入法测量直流电源系统绝缘状态。在用的采用交流注入法原理的直流电源系统绝缘监测装置，应逐步更换为直流原理的直流电源系统绝缘监测装置。”对直流系统接地故障监测还有另一种方法是直流漏电流法，直流漏电流法通过在每个支路加装直流传感器检测流入与流出电流的差值以达到监测的目的。然而现阶段直流小电流传感器仅能精确到毫安级，对微安级的电流测量出现较大误差，不能满足实时精确监测的需要。

技术实现要素：

本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种科学合理，简便易行，适用性强，监测精确度高，效果佳的基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法，其特征是，它包括的步骤有：

1)低频投切电阻支路：

在正负母线上分别设置对地电阻支路，以10Hz频率分别投切，此时通过支路传感器的电流由纯直流电流转变为基于零点的直流方波；

2)使用交流传感器测量直流漏电流：

使用交流互感器代替直流互感器以提高漏电流的检测精度，当直流系统支路对地电阻出现小幅度下降时，接地电阻使正极流入负载的电流等于负极流出电流加接地电路电流，因此传感器采集到的不平衡电流，即为接地支路漏电流，而当接地电阻较大时，漏电流较小，投切电阻时流经传感器的电流变为了直流方波；

3)基于电路方程计算：

根据加装在支路处的交流互感器，直接得到该支路的漏电流I_X；根据直接加装在投切支路的电流表，得到投切支路的电流I_T，最后通过求解电路等式，得到接地电阻值R_X和分布电容值C_X，正负母线上的接地电阻和分布电容R₊、C₊与R-、C-分别并联后由正负直流母线经大地串联在一起，而投切支路接在测量接地电阻极性相反一侧的母线上，通过大地与接地支路串联回到母线形成回路，此时需要测量的投切支路接地电阻R_X和支路分布电容C_X并联后串联在回路中，通过测量接地支路电流I_X和投切支路电流I_T得到电路方程为(1)、式(2)：

U＝Z_X×I_X+R_T×I_T (1)

Z_X＝R_X//X_C (2)

其中Z_X是支路接地电阻与分布电容的并联阻抗，U是母线电压，I_X、I_T、U的矢量值，R_X、X_C则为所求量，然而由于分布电容的存在，此方程中电流、电压量均为交流量，需分实部、虚部分别计算；

为方便计算分别令I_X＝A+jB,

I_T＝C+jD,U＝E+jD，电路方程表示为(3)、式(4)：

(A+jB)×R_T+(C+jD)×Z_X＝E+jF (3)

其中Z_R为接地电阻的阻抗，Z_C为分布电容的容抗，由阻抗三角形得到数学关系，

对式(3)、式(4)进行化简求解，得式(5)、式(6)：

其中f为投切电阻频率；

4)对投切形成电流电压波形的误差分析：

在对投切支路进行投切操作时，投切支路对于整个电路产生的是一个基于零点的直流方波，对方波进行谐波分析，得(7)：

其中，h为方波幅值，ω为投切角频率，t为时间量，其分析结果f_(t)包含了直流分量a₀，基波分量一次项和各奇次谐波分量，根据交流传感器原理，其不识别直流信号，故直流分量可直接省略，因此，仅剩下需要的基波分量和奇次谐波分量，需要消除奇次谐波的影响，为便于比较，故将低次谐波进行有效值变换，三次谐波的有效值而五次谐波的有效值n次谐波的有效值需在正常求解结果后减去谐波影响的成分。

本发明的基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法，采用投切电阻原理将通过互感器的电流由直流变为直流矩形波；由此使用交流互感器实现对支路十微安级接地漏电流的精确检测；通过检测与计算实现对接地电阻和分布电容的实时测量；在投切电阻原理上通过在DC200V直流母线上加装一接地投切支路，使用电子开关以10Hz的频率向直流系统投切100K的接地电阻，产生一接地电流并使用支路上串联的电流表读出该电流的准确值，加装接地支路后，通过原故障支路的电流变成了直流矩形波形式，故可使用交流传感器测量其值实现故障定位与精确检测，其精确度可达到10μA；再通过计算分别计算出分布电容的值与接地电阻的值，解决直流系统接地故障精确监测和故障支路定位，能够直接避免分布电容对接地电阻测量精度的影响。具有科学合理，简便易行，适用性强，监测精确度高，效果佳等优点。

附图说明

图1为基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法的投切电阻法等效电路图；

图2为基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法的单支路接地简化图；

图3为基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法的等效简化示意图；

图4为基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法形成方波示意图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法作进一步说明。

参照图1，直流系统由正负110V母线构成，由于大地是良导体，故正负母线上对地存在分布式电容C₊、C_-。母线上也分别存在对地电阻R₊、R_-，其分别与相应分布电容并联接地。而直流系统负载采用两根支路电线直接挂载到母线上，在支路端口处安装有测量支路电流的互感器，若该支路发生接地短路故障时，会产生一个能够测量的接地电阻R_X并联支路分布电容C_X接地。

直流系统绝缘检测分为母线检测与支路检测两部分，母线检测检测技术现已非常成熟，而支路接地故障由于电流较小，分布电容等影响检测精度较低。本发明采用增加投切接地电阻支路R_T+、R_T-的方式增加一条电流支路以构成新的电路平衡，由此采用交流互感器测量支路的漏电流以提高检测精度，再通过电路关系求解出该支路的接地电阻和分布电容，由于是采用电路方程直接求解，故该结果不受分布电容影响，并且还不会向直流系统注入信号，不产生纹波，不影响直流系统正常供电。

本发明的基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法，包括的步骤有：

1)低频投切电阻支路：

在正负母线上分别设置对地电阻支路，以10Hz频率分别投切，此时通过支路传感器的电流由纯直流电流转变为基于零点的直流方波；

2)使用交流传感器测量直流漏电流：

使用交流互感器代替直流互感器以提高漏电流的检测精度，当直流系统支路对地电阻出现小幅度下降时，接地电阻使正极流入负载的电流等于负极流出电流加接地电路电流，因此传感器采集到的不平衡电流，即为接地支路漏电流，而当接地电阻较大时，漏电流较小，现阶段使用的直流互感器仅能识别1mA左右的电流，而交流传感器可识别到10μA级的电流，投切电阻时流经传感器的电流变为了直流方波，可使用交流传感器测量。

3)基于电路方程计算：

根据加装在支路处的交流互感器，直接得到该支路的漏电流I_X；根据直接加装在投切支路的电流表，可得到投切支路的电流I_T，最后通过求解电路等式，得到接地电阻值R_X和分布电容值C_X。如图2和图3所示，此时正负母线上的接地电阻和分布电容R₊、C₊与R_-、C_-分别并联后由正负直流母线经大地串联在一起，而投切支路接在测量接地电阻极性相反一侧的母线上，通过大地与接地支路串联回到母线形成回路，此时需要测量的投切支路接地电阻R_X和支路分布电容C_X并联后串联在回路中，可以通过测量接地支路电流I_X和投切支路电流I_T得到电路方程为(1)、式(2)：

U＝Z_X×I_X+R_T×I_T (1)

Z_X＝R_X//X_C (2)

其中Z_X是支路接地电阻与分布电容的并联阻抗，U是母线电压，I_X、I_T、U的矢量值，R_X、X_C则为所求量，然而由于分布电容的存在，此方程中电流、电压量均为交流量，需分实部、虚部分别计算；

为方便计算分别令I_X＝A+jB,

I_T＝C+jD,U＝E+jD，电路方程表示为(3)、式(4)：

(A+jB)×R_T+(C+jD)×Z_X＝E+jF (3)

其中Z_R为接地电阻的阻抗，Z_C为分布电容的容抗，由阻抗三角形得到数学关系，

对式3、式4进行化简求解，得(5)、式(6)：

其中f为投切电阻频率。

4)对投切形成电流电压波形的误差分析：

在对投切支路进行投切操作时，投切支路对于整个电路产生的是一个基于零点的直流方波，而不是利于计算所使用的正弦波，因此，需对形成的方波进行谐波分析，

对图4所示方波进行谐波分析，得(7)：

其中,h为方波幅值，ω为投切角频率，t为时间量，其分析结果f_(t)包含了直流分量a₀，基波分量一次项和各奇次谐波分量，根据交流传感器原理，其不识别直流信号，故直流分量可直接省略，因此，仅剩下需要的基波分量和奇次谐波分量，需要消除奇次谐波的影响，为便于比较，故将低次谐波进行有效值变换，三次谐波的有效值而五次谐波的有效值n次谐波的有效值因此需在正常求解结果后减去谐波影响的成分。

本发明基于定频投切电阻原理的直流系统绝缘监测方法的实质性特点是：利用投切电阻的方法将测量漏电流的传感器变为交流传感器以提高测量精度。采用投切电阻的方式将直流电流变为了直流方波，并非通常所用的利于计算的正弦波，需要对计算结果进行误差分析，方波可分解为直流分流加上基波和基次谐波的叠加，需要消除基次分量的谐波，仅保留基波以准确计算。

本发明的实施例仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动的复制和改进均在本发明保护范围内。