關(guān)于電力系統(tǒng)中直流接地檢測(cè)的設(shè)計(jì)研究

　引言

　　發(fā)電廠中的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)裝置、事故照明和電氣設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作，和電力、電信、冶金、石化、化工等領(lǐng)域補(bǔ)給電源一般采用直流電源，而直流電源部分由蓄電池組、充電設(shè)備、直流屏等設(shè)備組成，所以直流電源的輸出質(zhì)量及可靠性直接關(guān)系到各個(gè)企業(yè)的安全和可靠的生產(chǎn)。因此，發(fā)電廠的直流系統(tǒng)被人們稱(chēng)為企業(yè)的“心臟”。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，一般情況下是不會(huì)立即產(chǎn)生危害性后果，但是，若發(fā)生兩點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)接地， 則可能造成信號(hào)裝置、控制回路和繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，致使斷路器跳閘，或直接造成直流操作電源短路，從而引發(fā)嚴(yán)重的電力系統(tǒng)事故。因此，在直流系統(tǒng)中，絕對(duì)不允許在一點(diǎn)或多點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間接地的情況下使用設(shè)備。必須對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的在線監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有接地故障，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查并排除接地故障，以避免發(fā)生嚴(yán)重的電力系統(tǒng)故障。

　　監(jiān)控系統(tǒng)主要完成直流系統(tǒng)對(duì)地電阻的檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括：1、正負(fù)母線對(duì)地電阻;2、支路對(duì)地電阻;3、判斷哪條母線接地。本文主要討論兩種接地檢測(cè)及接地電阻計(jì)算的方法。

　　方案

　　測(cè)量接地電阻大致可以分為兩種方法：交流法測(cè)電阻和直流法測(cè)電阻。使用交流法測(cè)量電阻，就是在系統(tǒng)上，疊加一個(gè)交流信號(hào)，利用交流電流傳感器去檢測(cè)漏電流，從而計(jì)算出接地電阻。由于這種方法受到分布電容的影響，要想使測(cè)量的結(jié)果滿足一定的要求，我們必須嚴(yán)格控制交流信號(hào)的幅值和頻率，這就使得交流信號(hào)源電路變得較為復(fù)雜，也增加了交流信號(hào)源設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)檢測(cè)交流信號(hào)也相對(duì)復(fù)雜而且檢測(cè)精度也不同程度的受到分布電容的影響。另一方面，在系統(tǒng)上疊加一個(gè)交流信號(hào)，也就相當(dāng)于人為的向系統(tǒng)增加干擾源，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也在一定程度上制造了系統(tǒng)隱患。由于這些原因，人們又提出了直流法測(cè)電阻，但是現(xiàn)有的、使用直流法測(cè)電阻的系統(tǒng)，也只能在以下兩種情況下測(cè)量出接地電阻，并發(fā)出報(bào)警信息：1、單根母線接地;2、所有接地支路都正接地或者負(fù)接地。在正負(fù)母線同時(shí)接地或支路既正接地同時(shí)也負(fù)接地的時(shí)候，系統(tǒng)一般很難準(zhǔn)確的檢測(cè)出接地情況，并準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻值，在這種情況下，筆者提出兩種解決方案。

　　方案1

　　如圖1框圖所示，電阻R1和R2串聯(lián)在正負(fù)母線間，并在兩電阻間接地，使得系統(tǒng)在正常工作的情況下，能夠保證正負(fù)母線有一個(gè)穩(wěn)定的電壓u+和u-;Rx+和Rx-為虛擬接地電阻;圖右半部分為用戶負(fù)載，M點(diǎn)為漏電流傳感器輸出點(diǎn)。

　　在系統(tǒng)中，我們實(shí)時(shí)監(jiān)控正母線電壓U+、負(fù)母線電壓U-和漏電流傳感器M點(diǎn)的電壓值，根據(jù)這三個(gè)電壓值和u+、u-，我們便可以得出母線和支路接地的極性，母線和支路接地電阻的大小。

　　1、 接地極性判斷：|u+|+|u-|=a(a為常數(shù)，正負(fù)母線間電壓)，故當(dāng)正母線接地或支路B、D點(diǎn)接地時(shí)，U+的絕對(duì)值會(huì)減小，U-的絕對(duì)值會(huì)增加;當(dāng)負(fù)母線接地或支路A、C點(diǎn)接地時(shí)，U+的絕對(duì)值會(huì)增加，U-的絕對(duì)值會(huì)減小，從而我們可以得出母線接地情況;根據(jù)M點(diǎn)的電壓值(當(dāng)沒(méi)有接地時(shí)，電壓接近零伏;正接地時(shí)，輸出正電壓;負(fù)接地時(shí)，輸出負(fù)電壓。)，便可獲知是哪個(gè)支路接地和其接地極性，

　　2、 接地電阻值計(jì)算：由M點(diǎn)的電壓Vm，可以計(jì)算出漏電流的大小Im(不同支路的霍爾漏電流傳感器，M點(diǎn)的電壓和支路電流有著不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系)。所以，支路電阻可由如下公式得出：

當(dāng)兩母線同時(shí)接地且對(duì)地電阻同比例減小時(shí)，母線電壓沒(méi)有被拉偏，支路的霍爾電流傳感器也檢測(cè)不出電流的變化，所以這種情況我們是很難檢測(cè)出有接地發(fā)生的，即使理論上是可以計(jì)算出接地電阻值，但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)中是不可實(shí)現(xiàn)的。

　 　　　　　　　　　圖1 電橋法測(cè)接地電阻1

　方案2

　　為解決方案1存在的弊端，即當(dāng)兩母線同時(shí)接地且對(duì)地電阻同比例減小時(shí)，接地電阻不可求，筆者現(xiàn)在提出第二種方案，在這種方案中，所有情況的接地電阻都可以求得，現(xiàn)分析如下：

　　如圖2框圖所示，電阻R1、R2和R3、R4分別構(gòu)成兩對(duì)電橋，并由光耦來(lái)選擇哪對(duì)電橋接地;圖右半部分為用戶負(fù)載，M點(diǎn)為漏電流傳感器輸出點(diǎn)。

　　接地極性判斷：同方案1;

　　接地電阻值計(jì)算：由M點(diǎn)的電壓Vm，可以計(jì)算出漏電流的大小Im(不同的霍爾漏電流傳感器，M點(diǎn)的電壓和支路電流有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系)。當(dāng)計(jì)算支路電阻時(shí)，選擇R1、R2電橋，斷開(kāi)R3、R4電橋，即可得出支路電阻為：

　　其次，選擇R3、R4電橋，斷開(kāi)R1、R2電橋，檢測(cè)正負(fù)母線電壓U2+，U2-，即可得到：

　　由方程1和方程2組成的方程組，即可求得母線接地電阻Rx-、Rx+。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 電橋法測(cè)接地電阻2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 系統(tǒng)框圖

　　如圖3所示，該設(shè)計(jì)大致可分為：采集部分、電橋選擇部分、通訊部分、顯示部分、報(bào)警部分，所有部分由CPU統(tǒng)一管理。首先，CPU根據(jù)不同方案選擇不同的電橋，然后采集母線電壓和霍爾電流傳感器M點(diǎn)電壓，將采集到的電壓在CPU內(nèi)進(jìn)行處理，最終將處理后的信息通過(guò)通訊模塊上傳給主卡或上位機(jī)，且同時(shí)實(shí)時(shí)在顯示模塊上顯示并根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文主要介紹了在電力系統(tǒng)中直流檢測(cè)的兩種方法，由于直流檢測(cè)比之交流法檢測(cè)有著很多優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多數(shù)直流系統(tǒng)都采用直流檢測(cè)法去監(jiān)控，但是目前的直流檢測(cè)方法還存在著很多弊端，針對(duì)這種情況，筆者提出這兩套方案。由于這兩套方案的電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，軟件結(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，所以其具有很好的應(yīng)用價(jià)值。本文所介紹的方案，已成功的應(yīng)用在哈爾濱九洲電氣股份有限公司的多功能監(jiān)控裝置上，其檢測(cè)結(jié)果理想，最小可檢測(cè)27K歐姆的接地電阻故障，精度可達(dá)到±5%，若精選器件，可達(dá)到更高的精度。