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1、摘要: 直流电源系统对变电站的安全运行起着至关重要的作用, 是变电站安全运行的前提。电力系统中直流电源系统采用对地绝缘运行方式，当直流系统发生一点接地时，并不引起直接危害，但潜在的危险性很大，必须立即给出告警，并进行查找;本文介绍了检测直流接地的通常方法和P-Source直流接地监测仪在这些检测方法的基础上的技术改进。 信息来源: 关键词: 直流系统; 直流接地; 接地检测; P-Source直流接地监测仪 信息来自: 发电厂、变电站的直流系统是一个独立的电源，不受发电机、厂用电、站用变以及系统运行方式改变的影响，为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠稳定的不间
2、断电源,它还为断路器的分、合闸提供操作电源。因此直流电源系统对变电站的安全运行起着至关重要的作用, 是变电站安全运行的前提。电力系统中直流电源系统采用对地绝缘运行方式，当直流系统发生一点接地时，并不引起直接危害，仍能继续运行，但潜在的危险性很大，必须立即给出告警，并进行查找;否则，当发生另一点接地时，有可能产生很严重的后果。 信息来源:1.关于直流系统的接地及其危害 信息来源:1.1 什么叫直流系统接地 信息来源:直流电源为带极性的电源，即电源正极和电源负极。直流电源的“地”对直流电路来讲仅仅是个中性点的概念。 如果直流电源系统正极或负极对地间的绝缘电阻值降低至某一整定值，或者低于某一规定值，
3、这时我们称该直流系统有正接地故障或负接地故障。 信息来源:1.2直流系统为什么会接地 信息来自:输配电设备网 发电厂、变电站直流系统所接设备多、回路复杂，在长期运行过程中会由于环境的改变、气候的变化、电缆以及接头的老化，设备本身的问题等等，而不可避免的发生直流系统接地。特别在发电厂、变电站建设施工中或扩建过程中，由于施工及安装的种种问题，难以避免的会遗留直流系统接地故障的隐患。 信息来自:输配电设备网1.3直流系统接地的分类和危害 信息来自:输配电设备网由于直流系统馈线网络连接比较复杂，按接地极性可分为正接地和负接地;按接地种类可分为直接接地(亦称金属接地或全接地)和间接接地(亦称非金属接地或
4、半接地);按接地的情况可分为单点接地、多点接地、环路接地和绝缘降低。根据研究表明正接地可能导致断路器误跳闸，由于断路器跳闸线圈均接负极电源，故当发生正接地时可能导致断路的跳闸。负接地可能导致断路器的拒跳闸。 信息来自:输配电设备网 运行实践也发现，直流接地不仅会造成继电保护误动、拒动，甚至会造成采用直流控制的设备误动、拒动，以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦解的严重后果。如2000年7月6日在暴雨天气下，河北某220kV枢纽变电站，站内发生了直流接地。273-1电动刀闸在运行中自动分闸，无任何信号。经查找分析，273-1刀闸控制箱渗水受潮，确认为因直流两点接地，造成该刀闸误分。某500kV枢
5、纽变电站，因大雪天气，直流两点接地，造成站用380V交流电源控制开关跳闸。广西某220kV枢纽变电站，因直流两点接地，造成断路器误动。这些都是由直流系统绝缘问题引起的电网故障。 信息请登陆:输配电设备网2.查找，排除直流系统的通常方法 直流系统接地故障的检测技术很多，实现的原理也不尽相同。可以归纳为以下几个方法： 信息来自:输配电设备网2.1 直流母线电桥法 信息来自:输配电设备网 采用电桥法研制的检测装置比较简单，相当于在正负直流母线上加两个平衡电阻，形成平衡电桥;其仅对直流系统的接地故障给出报警，不能指示故障所在的直路和接地电阻值，功能过于单调。现场维护人员排除故障时，通常采用人工拉路法。
6、依次短时拉开直流屏所供直流负荷各回路。当切除某一回路时故障消失, 说明故障在该回路内。可操作性比较差，特别是对于重要负荷，短时拉闸都是不允许的。因此，采用该方法的检测装置只适用于很低端的配电房的直流柜系统。 信息来自:输配电设备网 2.2 低频信号注入法 直流系统出现接地故障以后，在故障母线与地之间注入低频信号，低频电流从信号发生器流出，流经接地故障馈线，并从接地点返回。如图2.2所示，利用钳型电流检测仪逐条馈线检测。找到接地馈线，进而找到接地点。 信息请登陆:输配电设备网 图2.2 低频探测原理图该方法成功地实现了不停电查找直流接地点，但其检测的正确性及灵敏度受直流系统分布电容的影响很大。馈
7、线支流电容最大可达几微法. 当探头在某一点测量时, 由于有电容电流存在, 将使得操作人员难以确定是电容电流还是接地电阻电流。采用此方法检测接地电阻往往有误判或测量计算的接地电阻误差很大。 信息请登陆:输配电设备网 2.1 变频信号注入法 信息来源: 变频信号注入，实际上还是低频信号输入，只不过此时注入的信号是频率交替变化的低频信号。然后还是通过钳型电流探头, 检测支路阻性电流幅值的变化, 来确定接地支路与故障点。仍然可参见图2.2所示。通过注入幅值不变而变频的信号，间接的计算出馈线支路中的阻性电流。探头采集的电流幅值I由接地电阻R上的电流和直流馈线上分布电容C的电流两部分组成。设注入信号的幅值
8、为U,频率为f. 信息请登陆:输配电设备网则: I1 = U / R + j2fCU 信息请登陆:输配电设备网 在注入信号幅值不变的情况下，频率改为Kf(K1),则探头检测到的电流为: 信息来自:输配电设备网 I2 = U / R + Kj2fCU 信息来自:由式和可以间接计算出接地电阻阻性电流为: 信息来自:输配电设备网 IR = U / R = 信息来自:但通过现场使用检验, 效果仍然不理想, 原因还是分布电容。另外低频信号的注入将使直流系统的电压波纹系数加大。 信息来自:输配电设备网2.1 磁调制直流漏电流检测方法 信息来自:输配电设备网 图2.4 磁调制直流漏电流检测如图2.4 ,CA
9、为磁调制漏电流传感器，直流系统馈线支路正负两条线路穿过CA环状铁心,向负荷提供的电流,CA漏电流传感器中存在有三角波恒流激磁电流，激磁绕组，检测绕组;当正负线路上的电流不相等时，漏电流传感器有漏电流大小方向信号输出。 信息来自:输配电设备网 因受平衡电桥原理的限制，磁调制漏电流传感器只能监测非对称性直流接地故障，在正、负极绝缘电阻均等下降或其值相接近时无能为力。 信息请登陆:输配电设备网3. 直流绝缘检测装置的改进及效果 信息来源:通过对目前直流系统接地故障的各种检测方法在原理上进行分析，我们可以知道运用这些原理开发生产的直流接地故障检测仪器在性能上各有特点。但仍然与电力直流系统对接地故障检测
10、的准确性和可靠性的要求存在差距。为此，我公司和高校协作单位联合研制一种新型的微机直流接地选线监测装置P-Source直流接地选线监测仪。 信息来自:输配电设备网 3.1 P-Source直流接地选线监测仪概述 信息请登陆:输配电设备网P-Source直流接地选线监测仪是我公司针对电力直流系统开发地绝缘状况在线监测设备，可实现直流系统母线对地电压、正(负)母线对地绝缘电阻和支路对地单边、双边、平衡和不平衡绝缘电阻测量、显示、报警、故障信息上传等功能。在正常运行情况下，绝缘监测仪可对两段母线电压进行监测，通过监测母线电压计算母线对地的绝缘电阻。当母线对地绝缘电阻低于设定的告警限门时，绝缘监测仪进入
11、支路巡检状态，测量出有绝缘下降的支路和绝缘电阻值，通过显示屏和蜂鸣器报警信息，同时将此告警信息通过串行总线或以太网上传到主控机。本装置性能可靠，功能完善，人机界面友好，可广泛应用于电力发电厂和变电站、石油、化工、铁路、煤炭等行业的直流系统。 信息来源: 3.2 P-Source直流接地选线监测仪实现的主要功能有 信息来自:输配电设备网 3.2.1 系统采用DCS控制模式，便于用户进行扩展;一段母线上最多可外扩6个绝缘监测模块，二段母线上也最多可外扩6个绝缘监测模块，共可监测384条支路绝缘状态。 信息来自:3.2.2 按键设置母线是否分段、各段母线模块数、各模块支路数，母线报警门限。 信息来源
12、: 3.2.3 循环测量并显示两段正、负母线对地电压，正、负母线对地电阻。 信息请登陆:输配电设备网3.2.4 当正、负母线绝缘电阻低于报警门限时发出报警信息，启动支路巡检功能，显示支路对地绝缘电阻。 信息来源: 3.2.5 系统发生故障时，可最多存储199条历史故障记录。 信息来源:3.2.6 密码验证功能，系统中重要参数设置前需进行密码验证。 信息请登陆:输配电设备网3.2.7 通信协议选定功能，用户可选定“ModBus RTU协议”或“IEC 61850规约”;具有RS-485和以太网两种通讯接口，方便用户与上位机进行通信。 信息来自: 3.2.8 液晶屏背光可控性，当2分钟内无任何操作
13、时，液晶屏背光可自动熄灭。 信息请登陆:输配电设备网3.2.9 漏电流传感器零点自动补偿。3.3 P-Source直流接地选线监测仪配置框图 信息请登陆:输配电设备网3.3.1 P-Source绝缘检测仪主机采用ST公司的32bit ARM处理器实现4个串口(或3个串口，一个以太网口)通讯，LCD，11个按键的处理，绝缘采集数据处理等功能。 信息请登陆:输配电设备网3.3.2 绝缘检测模块1-6，分别安装于馈线柜上采集直流漏电流传感器的数据，通过RS485通讯送往P-Source绝缘检测仪主机。 信息请登陆:输配电设备网 图3.3 P-Source接地选线配置框图3.4 P-Source直流接
14、地选线监测仪工作原理 信息来源:采用平衡电桥与不平衡电桥相结合，可有效地检测单边接地，正、负极同时接地,对地绝缘电阻不受正、负极接地电阻是否相同或接近的影响，如图3.4. 信息来源: 当P-Source工作在平衡状态时，以段母线为例，K1、K2合上，为段母线提供一个接地点，记录下此时的正母线+KM1对地电压、负母线-KM1对地电压，以及段各支路的对地漏电流值。如果此时有一点接地发生，此时的|V正| |V负|，根据电压的偏差与直流漏电流传感器的采集值就可得出接地电阻的阻值。 信息来源:R = U / I 信息来自:当发生正负同时接地时，而需要使用不平衡方法检测母线对地绝缘。以段母线为例，P-So
15、urce可处于自动检测方式下的定期不平衡检测或处于手动点检的不平衡检测，将K1、K2分别合上一次，记录K1合上时的正负母线对地电压及支路漏电流;K2合上时正负母线对地电压及支路漏电流，根据母线对地的4个电压值，即可计算出正负母线的对地电阻 信息请登陆:输配电设备网 R+ = ( V3 - V1 ) Ro / V4 信息来自:输配电设备网R- = ( V2 - V4 ) Ro / V1 信息来源: 图3.4 平衡桥原理图再结合支路的2个漏电流值，即可计算出支路对地的电阻Rn+及Rn-。段母线的检测方法同段母线。为了克服系统电容的影响，我们采用切换后延时采样，以避开电容充放电的过渡过程的影响。 信
16、息请登陆:输配电设备网3.5 直流接地选线的技术难点及P-Source监测仪解决这些问题的办法 信息请登陆:输配电设备网对于生产现场而言,直流接地故障的情况可能比较复杂，如多点接地，正负母线平衡接地，馈线电流环路，两段母线并列运行，直流分布电容等。 信息来自:P-Source直流接地选线监测仪在软硬件设计时就考虑了这些问题，在软件设计上，我们优先检测接地最严重的馈线，直观解释就是优先报警接地电阻最小的支路，依次解决多点接地的问题。在采集数据时我们采用切换后延时采样，以避开电容充放电的过渡过程的影响。 信息来源:两段直流母线分列运行时，是两个独立的直流系统，每段母线均投运一对平衡桥，当两段母线并
17、列运行时，相当于一条直流母线一个直流系统，必须在并列前停运一段母线的平衡桥，否则造成两对平衡电阻并联，平衡电阻减半，故障时接地电流增大的危险。我们软件采用自动控制方式实现上述功能。馈线电流环路是指有些设备要求两路馈线供电，此时直流漏电流传感器会有误报，我们P-Source监测仪采用人为输入环路馈线编号法，软件对这些环路编号的馈线单独处理它们的信息。 信息来自:输配电设备网 3.6 P-Source直流接地选线监测仪在现场的运行情况 信息来自:输配电设备网 装置研制成功后，通过质量检验测试中心的检测，各项功能达到设计目标，并且成功的在南方电网多个变电站运行。 信息来源: 运行实践证明，该装置能够同时监视两段直流母线的电压及正、负级对地绝缘阻抗，不受两段母线分、并列运行影响。对接地支路的检测准确，有利于现场值班员、检修人员快速准确地处理直流接地故障，对确保电网运行安全起到了重要的作用。 信息来源: 目前，P-Source直流接地选线监测仪已在南方电网500kV换流变电站投运12套，在220kV枢纽变电站投运20多套。 信息来自:输配电设备网 注: P-Source为广州东芝白云菱机电力电子有限公司的直流接地选线监测仪的注册商标。