直流绝缘监测装置（精选8篇）
直流绝缘监测装置 篇1
0 引言
发电厂、变电站的控制及信号系统、继电保护及自动装置、电气测量仪表、操作电源等统称为二次设备。它负责厂站全部供电设备的控制、保护、测量、事故判断、发出相应信号。直流电源作为二次设备的供电电源, 是一个十分庞大的多分支供电网络, 其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下, 一点接地并不影响直流系统的运行, 但如果不能迅速找到接地故障点并予以修复, 又发生另一点接地故障, 就可能引起信号回路、控制回路、继电保护装置等的误动作[1,2,3,4]。
1 系统整体设计
绝缘检测装置采用高性能8位C8051F040单片机作为CPU, 用来在线检测直流系统的接地故障。通过测量三种状态下的采样电阻的电压, 计算直流母线对地电阻阻值, 检测母线是否存在接地故障;通过漏电流传感器测量各支路漏电流的值, 计算出各支路接地电阻, 检测各支路是否存在接地故障。本设计采用模块化设计思想, 主要有母线绝缘检测部分和支路绝缘检测部分组成。母线绝缘检测部分称为绝缘主机, 支路绝缘检测部分称为绝缘从机[5,6,7,8]。系统结构如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 CAN总线通信模块
电厂和变电站的直流系统为所有的二次设备供电, 所以它是一个庞大的多分支供电网。为了能准确检测出接地故障所在的支路, 必须给每个支路都安装电流传感器, 且各支路都带有CPU (形成智能节点) , 用来检测母线各支路的绝缘电阻。本文采用纠错能力强、造价低、实用性强、通信距离超过10km的CAN总线实现数据通讯。
绝缘从机模块的设计中采用了C8051F040单片机, C8051F040内带CAN总线控制器, 节省了独立元件的数量和其它外围电路的开销, 只需外加CAN收发器即可实现CAN通信。通讯接口电路原理图如图2所示。
2.2 传感器模块
传感器电路主要用来检测支路的漏电流[9]。主要有线圈、振荡电路、整形电路组成。传感器电路原理图如图3所示。其工作原理:电线从线圈的中心通过, 当有电流流过电线时, 振荡电路输出的矩形波的占空比就会发生变化, 通过整形电路将波形整定到0V~3V的矩形波, 单片机通过捕捉单元来捕捉高、低电平时间, 就可以计算出漏电流值[10]。
3 系统软件设计
传感器模块的软件主要包括:支路实时检测和与绝缘主机进行通信。
支路实时检测:检测各直流支路漏电流传感器的输出信号, 判定各支路是否出现接地故障或传感器是否自身故障[11]。
与绝缘主机进行通信:采用CAN总线通信, 通过中断接收绝缘主机的命令, 根据动作命令进行相应检测步骤, 并将检测的结果通过CAN总线发送给绝缘主机。传感器模块的主程序流程图如图4所示。初始化包括开全局中断、标志赋初值、端口初始化、看门狗初始化等。
传感器模块负责测量各支路的漏电流传感器的输出信号, 检测传感器是否有故障, 同时计算出各支路回路中的电流值, 以此来判断支路是否出现接地故障。
4 装置测试结果
漏电流传感器是本方案的重要组成部分, 由于本设计是工程项目, 要对老电厂、变电站的直流系统绝缘装置进行改造[12,13], 所以不能采用闭环式的漏电流传感器。考虑到以上因素, 本设计研制出了一种开环式、可拆装、漏电流传感器, 并对其进行了详细的研究和测试。测试原理图如图5所示。
测试结果如表1所示:规定K1闭合、K2打开时, 流过传感器的电流值为正。
根据测试结果, 本设计研制的传感器可以准确的测出0.1mA的小电流, 即能检测出直流系统支路绝缘电阻200千欧以上。且检测误差小于10%, 完全满足设计要求[14]。
5 结论
本课题主要针对发电厂直流系统进行在线绝缘监测。在进行现场调研和消化吸收国内外相关技术的基础上, 在认真论证设计方案的前提下, 研制了一种自动化监测装置:它集检测、显示、记录于一体, 无需在直流系统中注入任何信号, 因此对直流系统无任何影响。
直流绝缘监测装置 篇2
【关键词】浅析；电压互感器；绝缘监测装置；异常；处理
0.引言
在35kV及以下中性点不接地系统中，目前国内均采用电磁式电压互感器开口三角绕组构成的绝缘监测装置来监视系统的绝缘状况。本文分析了4种接线错误造成的“假接地”异常现象的原因，并对电磁式电压互感器励磁特性不同引起的异常和由于负载阻抗不匹配引起的异常进行了分析，并指出处理方法。
1.工作原理
电磁式电压互感器开口三角绕组构成的绝缘监测装置，当高压电网的绝缘正常时，由于电网三相电压对称，辅助二次绕组开口三角两端的电压为零，即U*a′x′=U*a′+U*b′+U*c′=0，绝缘监测装置不动作；当高压电网发生单相接地故障时，在辅助二次绕组开口三角两端将产生零序电压，此时U*a′x′=U*a′+U*b′+U*c′=3U*0′≠0（U*0′表示辅助二次绕组每相零序电压）。若A相完全接地，则U*a′x′=3U*a′，即开口三角绕组两端的零序电压是辅助二次绕组在正常情况下相电压的3倍。
通常，绝缘监测装置的电压整定值为15～30V。若开口三角绕组两端的零序电压3U*0′大于该整定值，则使绝缘监测装置发出接地信号。
由于绝缘监测装置是根据中性点不接地系统中发生单相接地时在电压互感器开口三角绕组两端出现零序电压的原理工作的，而实际电网中除单相接地外，还有多种原因，如铁磁谐振、耦合传递等都会使开口三角绕组两端出现零序电压，并可能导致绝缘监测装置动作。由于此时系统并没有真正接地，而装置却发出了接地信号，这种接地称为“假接地”。
2.接线错误引起的异常现象
接线错误引起的异常现象在现场时有发生，它给运行人员迅速分析、判断故障带来很大困难，所以研究分析这类异常现象具有实际意义。接线错误主要有以下几种情况：
2.1绝缘监视用电压表中性点未直接接地，而是经开口三角绕组接地。
2.1.1现象。
正常运行时，电压互感器二次侧三相电压对称，开口三角绕组两端电压为零。由于电压表为星形连接，虽然中性点经开口三角绕组接地，但是每块电压表测得的仍然是实际的相电压。
若系统发生单相接地，如A相接地，则A相对地电压为零。a相电压表Ua测得的电压即为开口三角绕组两端的电压Ua′x′。由于系统一次侧接地时开口三角绕组两端的电压为100V，所以，电压表Ua的指示值即為100V所对应的电压值，该值较正常值高，属异常现象。对于b、c两相电压可在向量图（按副边实际电压计算）中：
Ub=Uc=100 V
Ua′x′=100 V
则：Ub″=Uc″=2×100×cos 75°=52V
即：Ub″=Uc″<100/3=57.74V
由此可见，这种接线方法在系统发生单相接地时，绝缘监视电压表的读数与正常运行时相比，一相升高（实际的接地相），二相降低（非接地相），并可能发出接地信号，这给运行人员判断、分析故障带来了困难。
2.1.2处理的方法。
接线后由专人进行认真检查，确认无误后方可投入运行。
2.2 绝缘监视电压表中性点没有直接接地，而是经开口三角绕组的某一相绕组接地。
2.2.1现象。
在系统正常运行情况下，绝缘监视电压表的读数不是正常值，因而造成“假接地”现象，分析如下。
电压表的中性点经开口三角绕组中的C′Z′绕组接地，各电压表的数值可由向量图求得。
a相电压表的读数：
Ua=|U*a″|=|U*a-U*c′|>Ua（正常值）
b相电压表的读数：
Ub=|U*b″|=|U*b-U*c′|>Ub（正常值）
c相电压表的读数：
Uc=|U*c-U*c′|=|U*d|-|U*cd′|（正常值）
正常情况下a、b两相电压升高，c相电压降低（容易被认为是c相接地）。下面再用数值来进行计算分析。
若电网为6 kV系统，正常情况下：
Ua=6000/3=3464V（1）
Uc=6000/3=2000V（2）
此时
Ub″=Ua″=4788.2V
Uc″=3464-2000=1464V
与现场的实测结果（4800V和1500V）基本相符。
2.2.2处理的方法。
接线后由专人进行检查，确认无误后方可投入运行。
2.3辅助二次绕组极性接错。
2.3.1现象。
在中性点不接地系统中，绝缘监测装置的正确接线为：开口三角绕组每相首尾依次相接，串联成开口三角形。正常情况下向量图是闭合的三角形，即开口三角绕组两端电压为零。若一相接反，则在系统正常的情况下，开口三角绕组两端电压Ua′c′=2U0[U0为辅助二次绕组在系统正常时每相绕组的相电压]，也会导致绝缘监测装置动作而发出接地信号，出现“假接地”现象。
2.3.2处理的方法。
辅助二次绕组串接后，测量开口三角绕组两端的电压，系统正常情况下其电压为零即为正确，反之接线错误。
2.4误接二次线。
2.4.1现象。
在某35 kV变电所的10kV电压互感器柜（GG-1A-54）中，电压互感器中性点通过击穿保险器FN接地，且b相的接地点M与击穿保险器的N点连接。这种接线在投产运行时正常，但在运行中遇到雷电波的冲击后，却发生了烧毁事故。事故后误认为是电压互感器的质量问题，便更换了损坏的电压互感器和击穿保险器，并投入运行。投运后无异常现象，但在线路遇到雷电袭击时，又发生了类似事故。
经分析，产生上述异常现象的原因是由于厂家误将击穿保险器的接地端与电压互感器二次侧b相接地点直接连接，且b相接地点M置于绕组与熔断器Fb之间。这种接线，当击穿保险器击穿时，造成二次侧b相绕组直接短路，从而导致电压互感器烧损。
2.4.2处理的方法。
将二次侧b相接地点M移至b相熔断器Fb外侧。
3.电磁式电压互感器励磁特性不同引起的异常现象
3.1现象。
当采用3台单相电压互感器构成绝缘监测装置时，通常都选用3台同一厂家、励磁特性相同的单相电压互感器，若选用不当，会出现异常现象。某电厂曾用3台JDZJ-6单相三绕组电压互感器组成三相组用于测量及保护。合闸时，发现三相输出电压不一致，相差约20%。用一台单相电压互感器分别接至A、B、C三相电源上，此时所测电压相同。因此可以认为是产品本身的问题，现场验证性试验表明，此看法是正确的。
3.2处理的方法。
3.2.1配套电压互感器所采用的电工矽钢片的性能应一致，铁心的加工方法应相同，以保证配套电压互感器励磁特性一致。
3.2.2运行单位应选用励磁特性相同的电压互感器。
4.电压互感器与负载阻抗不匹配引起的异常现象
4.1现象。
导致中心点产生位移，并使开口三角绕组两端的零序电压大于绝缘监测装置电压整定值时，就会使电压继电器动作，发出接地信号，从而造成“假接地”现象。
4.2处理的方法。
重新配置回路电阻或使用原型号的电磁式电压继电器。
【参考文献】
[1]温宋东.三相电压互感器组在非直接接地系统中电压输出的不平衡问题.变压器，1986.10.
[2]王志信.前郭变电所10kV系统接地时异常情况的分析.吉林电力技术，1987.1（增）.
直流系统绝缘监测装置的改进研究 篇3
直流系统作为电力系统和通信系统中自动控制、继电保护和信号装置的供电电源, 其工作状况的好坏直接影响到电力和通信系统的安全稳定运行[1,2]。由于绝缘破损等造成的直流接地是直流系统最为常见的故障, 必须立即查找出故障点予以排除, 否则容易造成负载装置的误动作, 引发重大事故, 造成重大的经济损失[3,4]。因此, 对直流系统的绝缘状态进行在线监测具有重要的意义。
至此直流系统绝缘监测装置便应运而生, 由于直流系统是一个多段多级母线联合供电的多分支网络, 因此装置一般采用母线绝缘监测与支路绝缘监测相结合方式[5,6]。母线绝缘监测有平衡电桥和开关电阻两种方法[7,8], 通过电桥的失衡来反映母线的绝缘状况。但是当两极母线同时等值接地时, 电桥的平衡未被打破, 平衡电桥法失效, 装置漏报接地故障, 由于该方法存在监测死区, 致使其只能应用在一些小型变电站中, 起接地预警的作用。虽然开关电阻法能够完成这一死区的监测, 但是开关电阻法不断的切换电桥, 母线对地电压被人为拉偏, 容易造成继电保护装置的误动作。交流小信号注入法[9,10]和直流漏电流测量法[11,12]是支路绝缘监测最常用的两种方法, 交流小信号注入法通过向直流母线中注入低频小信号, 监测该信号的流向来定位故障支路, 但是该方法无法排除母线对地电容的影响, 同时注入的低频小信号增加了系统纹波, 影响了系统的安全运行。目前虽然提出了变频探测法[13], 电容补偿法[14]和小波分析法[15]等一系列方法进行改进, 但是结果都不甚理想。而直流漏电流测量法通过测量故障支路的漏电流来计算接地电阻, 不需要注入交流信号, 不受对地电容的影响, 因此受到广泛应用。但是其使用的直流漏电流传感器容易受到电磁干扰和温度的影响而发生零点漂移, 在现场应用中常常发生误报接地故障[16]。
针对以上方法出现的问题, 本文对直流系统绝缘监测装置提出了一系列改进措施, 首先对母线绝缘监测采用平衡电桥和不平衡电桥相结合的方式, 兼顾两种方法的优点。支路绝缘监测采用直流漏电流测量法, 利用软件消去法避免了直流漏电流传感器的零点漂移的影响, 有效地消除了接地故障的漏报和误报问题, 完善了直流系统绝缘监测装置的功能。
1 装置的工作原理
直流系统绝缘监测装置主要由母线电压检测电路、主控MCU、LCD显示模块, 声光报警模块、通讯接口、实时时钟、直流漏电流采集模块和直流漏电流传感器组成, 其结构框图如图1所示。首先由母线电压检测电路监测母线的工作状态, LCD显示模块对绝缘信息进行显示, 主控MCU判断当前绝缘状况, 如果母线出现接地故障, 声光报警模块红灯点亮, 并发出报警铃声。与此同时, 主控MCU通过RS485向各漏电流采集模块发出采集命令, 进行支路绝缘状况巡检。漏电流采集模块采集各传感器测量的漏电流信号, 并进行预处理分析, 将故障支路信息上传给主控MCU, 由主控MCU定位接地故障点, 计算接地电阻值, 并将所有故障信息进行显示报警, 通知现场运行人员及时处理。
2 装置的硬件实现
2.1 电压检测电路的设计
母线电压检测电路的原理图如图2所示, R1是平衡桥电阻, R2、R3是切换电阻, R+、R–分别是正、负母线接地电阻, K1~K6是切换控制开关, +KM, –KM是直流系统正负母线, U是正负母线间电压。母线电压检测电路采用独特的三电桥结构, 其中桥臂1是平衡电桥, 桥臂2、3是切换电桥。桥臂的切换判据是当母线未报接地故障, 而支路报接地故障时, 启动切换电桥。检测到接地支路报出后, 保持显示状态, 然后切换回平衡电桥检测状态, 以免直流母线电压由于切换电阻的接入而拉偏, 影响直流系统的安全。
(1) 电桥电路的设计
由于平衡桥臂电阻值越大, 母线对地电压偏移越大, 接地电阻检测灵敏度越高。同时对地电压偏移越大, 越容易造成一点接地保护引起误动。因此并不是桥臂电阻越大越好, 桥臂电阻的合理取值直接影响到系统的检测灵敏度和安全稳定运行。
考虑母线单极接地的情况, 假设母线通过R+接地, R–无穷大, 切换控制开关的状态是K1、K2闭合, K3、K4、K5、K6断开, 此时相当于R1与R+并联, 得到式 (1) 。
其中U+1, U-1分别是正负母线对地电压, U=U+1–U-1。化简得式 (2) 。
定义对地电压偏移率ΔU和电桥灵敏度S如式 (3) 所示。
利用MATLAB对对地电压偏移率ΔU和电桥灵敏度S进行仿真计算, 在实际现场应用中, 常常取25 kΩ作为接地故障的阈值, 即当接地电阻小于25 kΩ时, 认为产生接地故障。所以更关心当接地电阻在25 kΩ附近时, 对地电压偏移率ΔU和电桥灵敏度S的变化情况, 画出此时ΔU和S随R1变化的曲线如图3所示。
从图3中可以看出, 当R1的取值在25 kΩ~60kΩ内时电桥都有较高的灵敏度, 同时其对地电压偏移相对较小, 所以选择R1=50 kΩ, R2=100 kΩ, R3=200 kΩ。其中切换控制开关选用AQW214, 利用N沟道场效应管BSP297进行驱动。
(2) 电压采样电路的设计
根据直流绝缘监测装置的要求, 为了判断母线的绝缘状况和计算接地电阻的大小, 需要对正、负母线对地电压和母线间电压进行采样测量, 每一路电压采样电路由电压处理单元、滤波单元、隔离单元组成。电压处理单元将0~±125 V、0~250 V的电压转换到0~3 V, 电压跟随器实现采样电压的阻抗匹配。用RC滤波器滤除谐波干扰, 隔离单元采用ISO124隔离强电与弱电之间的干扰。
2.2 主控板的设计
2.2.1 主控MCU的选型
主控MCU是整个直流系统绝缘监测装置的核心控制部件, 它负责母线电压的采集与处理, 与直流漏电流采集模块的通讯, 漏电流信号的接收与处理, LCD显示模块的数据传递, 声光报警模块的报警控制, 与上位机的数据通讯, 多机互联, 同时又是系统内部软件的运行平台。主控MCU需要控制处理的任务多, 与外部数据交流的信息量大, 完成的功能种类复杂。为了满足系统对主控MCU的要求, 节约成本, 提高系统的集成度与开发效率, 选择优异实时性能, 易于开发的STM32F103VET6单片机作为主控MCU。
2.2.2 通讯接口
直流系统的母线是分段分屏布置的, 每段每屏分布在变电站的不同地方, 每段每屏都需要一个直流系统绝缘监测装置进行监控, 当直流系统改变运行方式时, 绝缘监测装置需要进行互联通讯, 改变监控策略。同时每一个装置还需要将监测数据上传给中央控制室的上位机, 这些数据的传输都需要通讯接口的互联。考虑绝缘监测装置多种互联方式的需求与各互联设备的距离, 以及用户互联操作的简易性, 系统设置了CAN总线, RS485和RS232三种通讯接口。
2.2.3 LCD显示
装置在监测直流系统绝缘状况时, 需要显示当前绝缘信息以便现场工作人员能够迅速确定故障类型, 定位故障支路。为方便用户使用, 选择4.3寸TFT触摸液晶屏对这些数据进行显示:当前时间、直流母线间电压、正负母线对地电压、母线绝缘状态、支路绝缘状态、各馈线支路的接地电阻、故障支路号以及参数设置情况。
2.2.4 声光报警模块
声光报警模块主要是对直流系统的以下故障进行报警提示:
(1) 超压报警
如果母线间电压超过250 V, 进行超压报警提示。
(2) 欠压报警
如果母线间电压低于190 V, 进行欠压报警提示。
(3) 偏压报警
在装置工作在平衡电桥模式下, 如果母线对地电压偏移110 V达15 V, 即报偏压故障提示。
(4) 绝缘报警
如果直流系统接地电阻阻值小于或等于25 kΩ, 进行绝缘报警提示。
(5) 支路报警
如果直流馈线任一支路的接地电阻小于或等于25 kΩ, 进行支路报警提示。
(6) 瞬时接地报警
如果直流系统接地故障是在瞬间发生的, 短时间内该故障自动消失, 即判瞬时接地故障。
2.3 直流漏电流采集模块
直流系统是一个多分支供电网络, 一个500 k V变电站里的直流系统馈线支路就可能多达上百条, 如果这上百条支路的绝缘状况信息都由主控MCU来进行处理, 那必定会占用主控MCU很多资源, 消耗费时间, 使装置不能及时有效的处理各支路的接地故障, 因此需要建立一种多MCU、分散式、模块化的结构以适应现场直流系统绝缘监测的要求。因此, 设计直流漏电流采集模块监测各支路的绝缘状况, 每一个采集模块可以采集处理16条馈线支路的漏电流信息。一个装置中可以扩展多个采集模块, 每个采集模块将采集的漏电流信号经过预处理之后再上传给主控MCU, 这样大大节约了主控MCU的处理时间与资源, 使得装置可以快速响应支路接地故障。
直流漏电流采集模块由选择输入开关、信号调理电路、采集MCU、光耦隔离、RS485通讯接口构成。当采集MCU接收到主控MCU的采集命令时, 采集MCU发送选通信号给选择输入电路, 对不同的支路漏电流进行A/D采样, 并将采集的信息由采集MCU预处理后上传给主控MCU处理, 该模块示意图如图5所示。
采集模块采用STM32F103RBT6单片机作为主控芯片。选择输入电路是为了实现直流漏电流采集模块对多支路漏电流信号的采集。信号调理电路将直流漏电流传感器输出的-5 V~+5 V电压信号转换到STM32单片机0~3.3 V的A/D量程范围之内。
3 装置的软件设计
3.1 母线绝缘监测
在平衡桥的条件下, 需要利用母线的电压值进行计算母线的接地电阻值, 并判断母线是否发现接地故障。如果得到的接地电阻计算值小于设定的阈值, 则利用通讯程序判断出故障的支路, 并对此次故障进行记录;如果母线电压检测并未发出故障判断, 但支路报告接地故障时, 则切换到不平衡桥对母线电压进行测量。若在电桥不平衡状态下, 接地电阻的计算值小于阈值, 则确认发生了接地故障, 并利用通信程序判断出故障支路, 同时将此次故障记录, 这一部分的程序流程图如图6所示。
3.2 故障支路接地电阻的计算
在直流系统现场, 漏电流传感器易受周围复杂电磁环境和电流冲击的影响而产生零点漂移, 进而增大装置的接地电阻测量误差, 造成装置的误报或漏报接地故障。为了准确测量接地电阻值, 需要消除漏电流传感器零点漂移的影响, 对支路接地电阻的测量值进行校正。
在直流漏电流测量法中, 支路接地电阻的求解方法是:利用母线电压检测电路测得的母线对地电压除以漏电流传感器测得的电流。这种方法把漏电流传感器测量的电流Ic作为流过单一接地电阻的漏电流, 而实际上馈线支路上流过正负接地电阻的漏电流Ic+、Ic–和漏电流传感器的零点漂移ΔIc共同构成电流Ic, 其关系可用式 (4) 表示。
代入正负母线对地电压U+、U–和该馈线支路的正负接地电阻Rc+、Rc–得式 (5)
式 (5) 中有3个未知数:正负接地电阻Rc+、Rc–和漏电流传感器的零点漂移ΔIc, 要解出Rc+、Rc–, 就需要得到三组方程进行联立求解。实际求解过程中, 首先在电桥平衡状态下得到正负母线对地电压U+1、U–1和漏电流传感器测量电流Ic1, 分别切换正负开关电阻, 得到U+2、U–2、U+3、U–3和Ic2、Ic3, 将所得数据代入式 (5) 中联立求解即可得Rc+、Rc–和ΔIc。
4 装置的测试及分析
搭建完装置的软硬件平台后, 模拟直流系统单极接地, 双极差值接地和双极等值接地的状态, 测试装置接地电阻的测量精度和声光报警输出的正确性。其中母线电压由艾默生的HD22020-3充电模块提供, 其值为234.3 V。在不同支路上分别接入接地电阻, 装置检测的绝缘信息如表1所示。
从上面的测试数据可以看出, 装置准确的定位了故障支路, 判断出故障类型。在测量小于50 kΩ的接地电阻时, 测量误差小于1 kΩ, 在变电站内, 直流系统接地电阻的测量阈值为25 kΩ, 现场工作人员更关心直流系统是否接地, 是否需要进行接地处理, 也就是说更注重50 kΩ以内的接地情况, 在这个接地电阻范围内, 要求尽量提高接地电阻测量精度, 以防止接地误报警、漏报警, 而装置对接地电阻的测量精度恰好能够满足现场需求。
5 结语
绝缘监测装置在直流系统中的应用 篇4
1 WZJD-6A型绝缘监测仪原理解析
WZJD-6A型绝缘监测仪具有实时监测直流系统母线电压、正负母线对地电压、正负母线对地绝缘电阻以及巡检支路接地电阻等功能。
1.1母线监测原理
在直流系统中,直流母线对地的绝缘电阻分为正极母线对地绝缘电阻R+和负极母线对地绝缘电阻R-。按电路基本原理分析可知,要求取R+与R-两个未知数,必须建立两组独立的回路方程式,再将其联立求解,方可求得R+与R-的电阻值。为此,该监测仪设计了两个不平衡电桥电路,如图1所示:
联立以上两个方程式即可求解正极母线对地绝缘电阻R+和负极母线对地绝缘电阻R-。
1.2支路检测原理
该监测仪在主机中装有超低频信号源,该信号源将4Hz的超低频信号由母线对地注入直流系统。如果某支路经电阻接地,则装在该支路上的传感器会产生感应电流,感应电流的大小与接地电阻的大小成反比。感应电流经过一系列处理之后送入CPU进行数据处理,再通过RS485接口送入主机。主机一方面控制信号采集模块有序地采集各支路传感信号,另一方面又接收信号采集模块送来的数据。主机接收到的数据经过处理后,一方面送液晶显示器显示与输出报警,另一方面通过通讯接口电路传送给上位机。
设计时将各支路编号,每个信号采集模块能采集16个支路信号,支路数量较多时可扩展多个信号采集模块,信号采集模块通过地址拨码进行编号。某个支路发生接地故障时,最终会在液晶显示屏上显示出故障支路的编号以及接地电阻阻值,根据支路编号能够很快确定故障支路。
2 WJY-3000A型绝缘监测仪原理解析
WJY-3000A微机型绝缘监测仪的基本配置包括主机、显示器、支路绝缘监测用的电流变送器(CT)组成。主机检测正负直流母线对地电压,通过对地电压计算正负母线对地绝缘电阻,当绝缘电阻值低于报警设定值时,自动启动支路巡检功能。
2.1母线监测原理
WJY-3000型绝缘监测装置的母线对地绝缘电阻测量有平衡电桥法和不平衡电桥法两种方法,可手动选择。
如图2所示,R1、R2为绝缘监测装置内设电阻,U+、U-为正负直流母线对地电压,R+、R-为正负母线的接地电阻,Ur为直流系统电压。
2.1.1平衡电桥法
当开关K1、K2同时闭合时,即为平衡桥法。
R+=R-=∞时,表示母线无接地,此时U+=110V,U-=-110V。
R+=R-≠∞时,发生平衡接地,此时U+=110V,U-=-110V,无法求解接地电阻。
2.1.2不平衡桥法
一个检测周期内,开关K1、K2按照一定的顺序开合即形成不平衡电桥。
根据以上两个方程式联立方程组,即可求得正负直流母线接地电阻R+、R-。
2.1.3平衡电桥和不平衡桥检测方法性能对比
1)平衡电桥法
优点:平衡电桥法属于静态测量,即测量正负直流母线对地的静态直流电压,因此母线对地电容的大小不影响测量精度;由于不受接地电容的影响,因此检测速度快。
缺点:双端接地时,测量误差较大;不能检测平衡接地。
2)不平衡电桥法
优点:任何接地方式均能准确检测。
缺点:在测量过程中,需要通过正负直流母线分别对地投电阻,因此母线对地电压是变化的。为了获得准确的测量结果,每次投入电阻后需要延时,待母线对地电压稳定后再测量,因此检测速度比平衡电桥法慢;受母线对地电容的影响。
2.2支路检测原理
与WZJD-6A型绝缘监测仪相比,WJY-3000A型绝缘监测仪对支路漏电流的检测采用直流有源CT,每个直流有源CT内置了CPU,漏电流信号直接在CT内部转换成数字信号,通过通讯接口传至绝缘监测仪主机。
使用直流有源CT的优点:无需向母线注入交流信号、受接地电容的影响小、能识别接地母线的极性、能测量双端接地。缺点则是成本高于交流CT、环境温度和工作电压的波动影响测量精度。
3绝缘监测装置部件故障及处理事例
3.1网控楼区域直流系统馈线盒通讯缺陷
网控楼区域的直流系统,经常触发“馈线盒故障”的报警,最初以为是馈线盒损坏或是接线存在断线、虚接等情况导致,后来经过反复排除确定是由于馈线盒功率不足导致通讯间断引起的。
网控楼区域的直流配电屏分布较为分散,分别布置在TC楼1楼、TC楼3楼、JX厂房、TD厂房和TB厂房,每个分配电屏与主屏之间的馈线盒通讯是通过跨接并联通讯线的方式连接。由于直流配电屏分布较为分散,导线安装竣工后通讯线较长,电阻过大,信号传输能力下降。最后这个故障是通过更换大功率馈线盒得以解决。
3.2有源直流CT故障
奥特迅的直流配电柜所用传感器型号为CT-2000AH,该有源直流CT接口为MB312-508-5P型,当有源直流CT正常工作时本体的指示灯会常亮,上传数据与主机通讯时指示灯闪烁。
在日常巡检时发现,正常运行回路上的传感器指示灯不亮。经查看,并无系统报警信息。排查后确认是传感器损坏,更换备件后恢复正常。
从上例故障消缺反馈来看,有源直流CT故障后并没有故障信号送出,无法通过系统报警来得知是否存在CT损坏。在回路CT损坏情况下,如果支路存在绝缘故障将无法及时定位。
为了避免该类故障发生,一方面需要加强日常巡检;另一方面,可以用专用的CT校验仪定期对有源直流CT进行校验。
参考文献
[1]廖车,吴胜,戚振彪,蒲道杰,景瑶.直流接地故障分析与查找[J].广东电力,2013,26(1):98-103.
[2]周二保.直流系统微机绝缘监测装置的应用与接地故障点检测探讨[J].继电器,2004,32(5):52-55.
直流绝缘监测装置 篇5
某220kV变电站直流系统配置为两电两充, 同时运行2套不同厂家的绝缘监测装置。第1套绝缘监测装置于2000年投运, 设备运行年限较长, 部分功能已缺失, 在直流系统发生接地故障时不能正常选出接地馈线支路, 无法满足正常监测直流系统绝缘状况的需求。2008年变电站直流系统改造时, 增加了2个直流馈线分屏 (I、II段各1个) , 其中直流分屏I上配有1套分布式直流系统绝缘监测装置。该装置采用的电流互感器 (TA) 全部为闭环式, 改造时直流系统必须停电, 但由于主屏上的测控等线路不能停电, 因此主屏上的馈线回路必须依靠原来的绝缘监测装置进行监测。
2 存在的问题
2.1 2套绝缘监测装置配置问题
(1) 2套装置运行方式都属于1台装置同时监控两段母线 (如图1所示) , 即每段母线上有2个平衡桥电阻。由于2套装置并列运行, 直流系统接地告警灵敏度将下降, 而220V直流系统要求25kΩ告警, 因此绝缘下降至12.5kΩ左右装置才能告警。若直流系统存在环网运行, 则造成系统实际上存在4个平衡桥, 此时要绝缘下降至6.25kΩ左右装置才能告警。
当正极发生20kΩ接地时, 绝缘监测装置不告警, 在运行过程中, 如再发生继电器或光耦控制回路接地, 只要控制回路电阻RJ>20kΩ, 即其动作功率小于2.5W, 在其回路产生的分压比将大于50%, 这将可能引起继电器或光耦的误动。显然, 在直流系统中并列运行的绝缘监测装置越多, 发生这种误动的可能性越大。
(2) 2套绝缘监测装置设计原理不同, 在工作过程中相互干扰, 会给直流系统带来安全隐患。
2.2 不具备两极同时接地检测功能
2套绝缘监测装置均基于平衡桥检测原理, 不能正确检测直流系统两极同时接地故障。在直流系统接地故障中, 蓄电池接地是非常特殊的两极接地故障, 特别是当接地故障发生在蓄电池组的中间位置时, 直流系统正负极对地电压基本不偏移。而蓄电池漏液引起的接地装置不能正常告警, 容易导致蓄电池失效, 造成蓄电池组开路, 还可能引起直流系统短路造成蓄电池爆炸甚至火灾。这将给系统带来很大的安全隐患。
2.3 不具备交流电源串入直流系统检测功能
交流电源窜入直流系统可直接造成保护误动[1~3], 甚至引起大面积停电故障, 是最为严重的直流接地故障, 而目前系统正在运行的2套绝缘监测装置均不具备交流电源串入直流系统告警检测功能。
2.4 设备严重老化
第1套绝缘监测装置于2000年投运, 运行时限比较长, 存在比较严重的老化现象, 部分电流互感器 (TA) 已经损坏, 不能正常工作。
3 绝缘监测装置改造方案
《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求 (修订初稿) 》规定:直流电源系统绝缘监测装置应具备检监测蓄电池组和单体蓄电池绝缘状态的功能;新建或改造的变电所, 直流电源系统绝缘监测装置应具备交流窜直流故障的测记和报警功能;原有的直流电源系统绝缘监测装置应逐步进行改造, 使其具备交流窜直流故障的测记和报警功能。鉴于目前直流系统在线绝缘监测装置存在的诸多问题, 有必要对其进行全面的改造。
(1) 新绝缘监测装置需具备能解决原绝缘监测装置存在的所有问题的功能。
(2) 每段直流系统采用主机-辅机架构。主机设有平衡桥, 对该段直流系统的绝缘状况进行监测, 根据设定的告警值进行告警同时控制主机和辅机进行支路选线;辅机不设平衡桥, 只承担支路选线功能。这样可保证一段系统只存在一个平衡桥。
(3) 不停电改造。鉴于目前电厂直流系统运行状况, 如果采用闭环结构的选线互感器, 那么需停电改造, 工作量大、耗用时间长, 因此建议采用一种新型的开口互感器做选线互感器。该开口互感器必须具备以下优点:
(1) 施工简单、快捷, 不需停电, 不需解电源。
(2) 选线灵敏度必须不低于100kΩ。
(3) 选线准确率必须是100%。
(4) 可以自动调零, 保证能长期运行且精度不会变化。
(4) 选用同一个厂家的装置, 便于理顺目前直流系统绝缘监测存在的问题。
4 新绝缘监测装置改造过程及系统配置
经过比对产品性能及系统配置方案, 选定QDA-300绝缘监测装置。每段母线各安装主机1台、辅机1台, 主机和辅机通过四芯屏蔽电缆进行通信和数据传输;主机安装在主控室的直流馈线屏I、II, 每台配置选线模块3个;直流分屏I、II各安装辅机1台, 辅机编号均为#1, 选线模块各3个。从主屏开始以各屏为单位在各馈线上加装开口TA, 安装时直流系统不需要停电, 只需将TA上下固定的2个螺丝 (如图2中的1、2) 拆下, TA就可以分成两半, 夹住馈线后再将螺丝拧紧即可, 但要确保TA磁芯接口完全闭合 (如图2中的3、4) , 然后将其固定, 再通过水晶头电话线把TA连接至选线模块, 就可完成TA的安装。系统配置图如图3所示。
2套绝缘监测装置刚投运便同时报两极接地故障, 显示的对地电阻、对地电压基本一致, 并且选出的接地回路均是故障录波电源, 疑似2套直流系统存在环网。根据检测结果并结合图纸, 发现主馈线屏上的2台故障录波装置在设计时就要求有两路电源供电, 但在内部又没有将两路电源完全隔离, 故造成系统环网运行。因为系统运行原因, 此环网回路暂时不能断开, 必须通过改变直流绝缘监测装置的运行模式才能满足系统运行的要求。于是将2台主机设定为并联运行模式, I段母线的主机设定为主机, II段母线的主机设定为从机, 此运行状态下, 从机的平衡桥自动退出, 确保直流系统有且只有一个平衡桥。
5 新绝缘监测装置检测原理及功能
5.1 直流接地检测原理
目前, 国内大部分绝缘装置均不具备两极接地故障检测功能, 其主要原因是用户没有要求, 生产企业也认为不必要。但是从实际运行情况来看, 由于蓄电池组在重力作用下经常发生漏液故障而造成接地, 但蓄电池内阻又很小, 任一节蓄电池接地无论从母线正极或负极来看均为接地, 因此蓄电池接地即为两极接地故障。通常判断蓄电池是否接地, 须同时断开其正负极保险, 故障才消失, 这也反证蓄电池接地为两极接地故障。
为检测两极接地故障, 该装置采用了平衡桥加切换桥的检测原理 (如图4所示) , 除平衡桥电阻R1外, 还增加不平衡桥电阻R2, 通过将不平衡桥电阻投入正极和负极, 测量正负极对地电压, 即可计算出正负极对地电阻R+、R-, 即:
5.2 交流接地检测原理
交流窜入直流系统产生的接地故障, 其特征是正负极对地电压中均能测量出交流电压, 如图5所示。交流对地电压为:
正极绝缘电阻R+为:
图5中, C1、C2分别为直流系统正负极对地电容。假设直流系统正负极对地电容各为5μF, 在工频50Hz情况下, ZC1=ZC2≈0.636kΩ, 远小于平衡桥电阻R1。进一步假设220V交流电压源 (即图5中VAC) 通过30kΩ电阻窜入正极, 可简单求出对地交流电压为:
可见交流窜入直流系统接地故障中, 在早期, 正负极对地电压中的交流电压非常小, 因此检测交流窜入直流接地故障应具有较高的灵敏度, 否则不能发现早期的交流窜入直流接地故障, 也就不能有效预防交流窜入直流系统引起的大面积停电故障。
QDA-300绝缘监测装置将交流串电接地设定为最严重的接地故障, 告警时间只需600ms, 同时可以记录串入交流电源的波形, 并将交流串入电压显示在主界面上, 交流串电告警整定值最低为10V。
5.3 主要功能
(1) 接地告警选线功能:对于直流系统正极或负极单点接地、正极或负极多点接地 (两点及以上) 、蓄电池组接地、两极同时接地 (平衡或不平衡接地) 、交流串电接地、直流串电 (环网) 等各类接地故障, 均能快速告警, 反应时间只需5s, 并确保100%选出接地故障支路。
(2) 压差告警与选线功能:直流系统绝缘降低时, 即使没达到告警整定值, 只要正负极母线对地电压的压差绝对值达到所设定的压差整定值, 也发出压差告警并选出故障支路。
(3) 手动选线功能:当直流系统发生高阻接地而正负极母线对地电压的压差绝对值没有达到压差告警整定值时, 可通过手动操作对馈线支路进行选线, 选出接地电阻值小于150kΩ的接地故障支路。
(4) 电压偏差补偿功能:当直流系统正负母线对地电压的比值超出保护误动风险因数1.222时, 能通过对地电压偏差补偿桥使直流系统对地电压恢复到平衡状态, 即正极对地电压与负极对地电压之比大于0.869, 或负极对地电压与正极对地电压之比小于1.150。
(5) 装置故障告警功能:具备严格的自检功能, 当装置自身发生故障 (包括主机、辅机、模块等) 时, 通过开关量接点输出告警信号, 同时将故障类型显示在主界面上。
6 结束语
直流系统的可靠性是保障变电所安全运行的决定条件之一, 需要有一套能实时反映直流系统绝缘状况的在线绝缘监测装置, 缩短故障查找和排除的时间, 为直流系统的安全运行起到保驾护航的作用。
摘要：针对某220kV变电站直流系统绝缘监测装置长期存在的缺陷, 分析其直流系统绝缘监测装置改造的必要性以及改造后所取得的成效, 详细介绍改造后的绝缘系统配置方案、性能特点及作用。
关键词：直流系统,在线绝缘监测装置,不停电,开口TA
参考文献
[1]李士东, 井伟, 程永.一起交直流混路造成的保护误动事故分析[J].吉林电力, 2007, 35 (1) :32, 33, 39
[2]唐文秀.直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策[J].电力自动化设备, 2007, 27 (9) :123~125
直流绝缘监测仪现场校验结果分析 篇6
变电站直流系统是指给保护、控制等设备提供工作电源的供电网络,包含有蓄电池、充电设备、空气开关或保险及接线端子、导线、直流绝缘监测仪等。直流绝缘监测仪是目前监测直流系统绝缘状况的主要设备,在电力系统得到了非常广泛的应用。绝缘监测仪的现场使用情况如何,在以往运行维护中没有得到大家足够重视。
目前在线运行的直流绝缘监测仪主要工作原理有两种,一种是检测直流漏电流方式,发生直流接地的系统,会在接地支路产生直流漏电流,通过监测仪的互感器进行检测,进而对系统绝缘进行检测。另一种是向系统输入超低频交流信号方式,通过监测仪的互感器进行绝缘检测。由于系统的复杂性,发生接地的方式很多,有单极单点接地、单极多点接地、两套直流系统串入导致系统绝缘低、交流电源串入直流系统等接地类型,直流绝缘监测仪应该对系统的这些接地类型进行可靠监测,以准确反映系统的绝缘状况,同时绝缘监测仪在运行中要不对系统产生任何安全隐患,以确保系统安全可靠运行。
2008年11月4~6日,我们对下属杨高、荷塘、威灵、楠竹塘、茶园五个变电站不同厂家的绝缘监测仪采用专用的直流接地装置校验仪进行了一次在各种接地状况下,直流绝缘监测仪的总体性能测试。我们通过该设备模拟系统正极接地、负极接地、正负同时接地,输入不同的系统分布电容,测试绝缘监测仪在以上各种情况下的工作状况。从测试的情况看,五个不同厂家的在线直流绝缘监测仪分别存在有接地情况下,装置产生较大的电压波动;正负极同时存在接地情况下,装置不能正确反映系统的绝缘情况;出现误选、漏选接地支路馈线等问题。本文从直流绝缘监测仪引起的系统电压波动和绝缘监测仪两极接地检测功能的缺陷两个方面来探讨对直流系统运行安全的影响。
1 校验方法与内容
如图1,将待校验的直流绝缘监测仪的+KM(直流系统母线)、-KM及接地线,从运行的直流系统解开,再分别接入专用直流接地校验仪对应端子,另将其接地支路穿过直流绝缘监测仪的支路检测互感器(CT)。
接地校验仪模拟直流系统有关参数及各种接地故障,对直流绝缘监测仪的接地告警和接地选线功能、技术参数进行校验。校验内容如下:
(1)正极单点接地(10 kΩ,50 kΩ)
(2)负极单点接地(20 kΩ,100 kΩ)
(3)两极单点极地(正极20 kΩ/负极30 kΩ)
(4)模拟支路电容(20 kΩ,1μF,5μF)
(5)模拟系统电容(20 kΩ,50μF,100μF)
2 结果分析
从校验结果看,没有对地电容的情况下,正负极单点接地,五个站的直流绝缘装置均能正确告警和准确选线。但两极接地却都不能正确告警和选线,当存在对地电容时,有些装置会误、漏选线,还有1台装置对地电压波动最大达90 V。
2.1 两极接地故障不能告警
如表1,正极20 kΩ、负极30 kΩ接地故障,茶园、杨高、荷塘三个站测出负极为999 kΩ,正极分别为260 kΩ、214 kΩ、159 kΩ与实际相差甚远,而楠竹塘、威灵站装置由于不显示绝缘电阻,具体数据不清,但也和另外三个站一样,不告警不选线,即不能正确检测两极接地故障。
2.2 误选线
所有试验中,只有楠竹塘站,在50μF系统电容时,出线误选线,即将没有接地的支路报为接地支路,如表2。
2.3 漏选线
当支路电容为5μF或系统电容为50μF时,楠竹塘站出现漏选线,即有些接地支路判为无接地,而威灵站所有试验中,均只能选出一条接地支路,不能满足两点以上接地故障的选线。杨高站,当系统电容为50μF时,直接报母线接地,根本不能选出接地支路,如表3所示。
2.4 电压波动大
当有接地故障并告警时,杨高站绝缘装置使母线对地电压不断波动,最大波动值达90 V,如表4,直到接地故障消失。其它各站均不波动。
3 安全隐患
3.1 两极接地
两极接地故障是指直流系统正负母线绝缘电阻同时降低或出现接地的现象,一般认为这种情况极少发生,可以不予考虑,实际情况并非如此,大家知道直流接地告警值设置都比较低,如220 V系统一般为25 kΩ,当绝缘电阻还大于告警值时,不发告警信号,也不会通知检修人员处理接地故障,由于绝缘下降到发生接地故障有时会经历较长的时间如几个月甚至几年,这样上述绝缘降低的情况长期存在,在该期间,很有可能在其它地方也发生绝缘下降,如果在同一极,为两点接地,绝缘电阻可能达到告警值,如果不在同一极。则出现两极绝缘都下降,此时,对地电压反而会恢复一些,使运行维护人员误以为绝缘变好了,而实际是发生了两极绝缘同时下降的情况。
两极绝缘下降,如果长期存在于直流系统,而又不被发现并排除,将使直流系统面临出现大的短路电流的风险,随之引起火灾和损坏直流电源。还会产生两点以上的接地故障,使接地故障处理变得异常困难,大大延长接地排查的时间,增加了保护误动的机会。
3.2 电压波动
如图2所示,某些绝缘装置为了检测出接地支路,利用图中K1、K2交替闭合和断开,在接地点R+、R-产生方波电流I+、I-,因V+=I+×R+(V-=R-×I-),相应地对地电压也是类似的方波电压。图中虚线表示直流系统存在对地电容时,充放电过程。
利用专用穿心互感器(CT),检测出供电支路的接地信号电源I+、I-,即可判别支路接地与否。
220 V直流系统接地告警电阻整定值一般约25kΩ,此类直流绝缘装置产生的方波电流在0~10m A,有的更大,产生的电压波动在几十伏,甚至在0~220 V波动。
前述知道,杨高站电压波动最多能达到90 V,即图2中ΔV,如此大的电压波动,一方面会对微机保护的通讯等带来脉动干扰[1],降低保护的可靠性,另一方面,大幅度电压波动,还可能使主变重瓦斯等出口中间继电器动作[2],导致主变误跳闸。
保护回路中有许多类似图3(a)中的光耦隔离电路,如失灵保护[3]。C为电缆电容,据有关研究[4],每100 m电缆有15~30 n F电容,而该电缆有的可达几千米[5]。
图2中负极对地方波电压,通过电容C对光耦充放电,可等效为图3(b),当电流ID达到光耦的导通电流(一般约1 m A)时,光耦将导通,而出口跳闸[4]。
由此可看出,当该站发生接地故障,或通过模拟接地故障校验绝缘装置,有可能使保护发生误动。
2008年11月下旬在河北某220 k V变电站发生了直流绝缘监测仪电压波动引起保护误动的安全事故,也证明了电压波动对直流系统安全运行的影响。
4 结论
1)采用专用校验仪器对“直流绝缘监测仪”进行校验,不影响直流系统的正常运行,且校验内容丰富全面。
2)本次校验发现了“直流绝缘监测仪”,存在以前未曾注意到的问题,为今后设备选型和技术改造提供了依据。
3)“绝缘监测仪”本身的问题如电压波动等,关系到系统的安全稳定运行,应该引起相关部门的高度重视,以及时消除系统安全隐患。
4)应尽快开展“直流绝缘监测仪”的定期校验工作。
摘要：根据专用仪器对五个变电站在线运行直流绝缘监测仪现场校验结果进行分析,发现被校验的直流绝缘监测仪存在两极接地不能正确告警和选线。当存在对地电容时会误选线、漏选线以及电压波动大等问题。探讨了直流系统两极接地以及检测接地支路切换过程中产生的电压波动而导致保护误动的安全隐患,提出了采用专用设备对直流绝缘监测仪进行现场定期校验,及时发现和消除所存在的安全隐患,确保直流系统安全稳定运行。
关键词：绝缘监测仪,两极接地,误选线,漏选线,电压波动,现场校验
参考文献
[1]蔡敏.光耦器件瞬态饱和对微机保护装置的影响及对策[J].电力系统自动化,2004,28(8):72-75.CAI Min.Research on transient saturation of opto-couplers for electrical transient/burst[J].Automation of Electric Power Systems,2004,28(8):72-75.
[2]黄剑.便携式直流接地检测仪对电力设备运行的影响分析[J].广东电力,2007,20(3):34-37.HUANG Jian.Analysis of influence of portable DC earth fault detector on operation of power equipment[J].Guangdong Electric Power,2007,20(3):34-37.
[3]高旭.一起典型的500kV失灵保护误动分析[J].电力系统自动化,2007,31(8):104-106.GAO Xu.An analysis of a typical case of failure to protect the500kV malfunction[J].Automation of Electric Power Systems,2007,31(8):104-106.
[4]孟恒信.保护用控制电缆分布电容参数测试方法研究[J].山西电力,2008,148(4):16-19.MENG Heng-xin.Research on distrbuted capacitance parameter testing method of relay control cable[J].Shanxi Electric Power,2008,148(4):16-19.
直流绝缘监测装置 篇7
本文提出利用直流漏电流原理对变电站直流电源系统进行绝缘监视,并通过实时监测馈线回路漏电流的变化对绝缘的变化趋势做判断,使得在绝缘下降到标准值之前给出报警信号,防止接地现象的发生,实现变电站直流电源系统绝缘状况的在线监测。
1 绝缘检测方法分析
1.1 低频信号注入法
低频信号注入法原理图如图1所示。
其基本原理是,在电桥检测出可能有接地故障后,通过2个隔直电容分别向直流电源系统正、负直流DC母线对地注入一低频交流信号。电流互感器(TA)穿套在各负载支路引出线上,在TA的二次侧可得到该支路流过对地电阻Rf和等值电容的电流值,通过提取电流阻性成分,计算该支路的对地电阻值。
采用低频信号注入法理论上可很好地进行接地故障检测,但实际应用中这种方法存在较多问题[8,9]:接地电阻检测灵敏度受直流系统对地分布电容的影响;低频交流信号增大了直流系统的电压纹波系数。
1.2 直流漏电流法
如图2所示,为了使漏电流形成回路,系统正负母线分别对地接入高阻值电阻R1和R2,R1=R2=R。设直流系统母线电压为U,假设负载1所在支路正极发生接地故障,接地电阻为Rd,Rd会与R2形成回路,产生接地漏电流Ir,其数值为
设流过负载1所在支路正负极的电流分别为I1+和I1-,根据基尔霍夫电流定律可得:
由式(2)可见,流过接地电阻Rd的电流Ir是流过负载1所在支路正负极电流I1+与I1-的差值,用支路上装设的直流微电流传感器来检测此不平衡电流。
根据式(1)(2)计算出的接地电阻为
可见,漏电流法不受线路对地分布电容影响[10,11],也不会增大直流系统电压纹波系数。
2 新型绝缘在线检测系统
目前,电力系统有大量的无人值班变电站,经常出现不明原因的直流接地报警,检修人员到变电站现场处理时苦于没有直流电源系统历史信息,难以处理故障。因此,有必要建立变电站直流电源系统的绝缘在线检测系统,记录和分析变电站直流回路漏电流变化情况,对出现的直流接地报警做出正确判断,便于有针对性地处理。
2.1 直流电源绝缘在线检测系统结构
系统的总体结构如图3所示。
图3中,在每个开关柜和保护屏的直流电源进线上装设智能传感器,传感器测量该回路的直流漏电流并通过RS-485总线传送至智能检测单元,智能单元对本站内的情况进行判断后,再将判断结果上传到集控中心监控主机。
监控主机图形界面上可显示漏电流出现的回路名称及其安装位置,即可确定接地点的具体位置,并可根据漏电流的正负,确定是哪一极母线接地。
在监控主机数据库里,可存储各直流回路漏电流值,形成各漏电流变化曲线,对绝缘变化趋势做出判断。当发现漏电流有变大的趋势时,应引起对该回路直流绝缘变化的关注,查明原因,消除存在的隐患。
2.2 直流电源系统绝缘劣化报警判据
在具备各变电站直流回路漏电流数据库的情况下,可以根据漏电流的保护情况,实现绝缘劣化报警。
报警判据分为2种:漏电流采样值越限报警、电流变化量越限报警。
2.2.1 漏电流采样值越限报警
判据:
其中,式(4)为漏电流采样值越限,Izd为漏电流整定值(mA);式(5)中t为漏电流采样值越限持续时间,tzd为整定时间。当同时满足式(4)(5)时,发出报警信号。
图4所示为漏电流变化示意图。
2.2.2 电流变化量越限报警
判据:
其中,N为计算时间窗;ΔIzd为电流变化量整定值;I(k)为当前采样值;I(k-N)为前第N个采样值;k连续取值M次,M为连续越限次数。
监控主机实时对各漏电流传感器发来的漏电流进行监测和分析计算,当满足判据式(6)时发出报警信号,说明该漏电流传感器所在电气设备的直流回路有接地或绝缘下降。漏电流变化量越限示意图如图5所示。
3 抗干扰滤波
由于变电站直流电源馈出回路分布在变电站各个地方,例如连接在开关柜、保护屏等处,因此容易受到变电站其他回路的干扰[12,13],使直流电源线上混有了工频及其他高次谐波。为保证系统测量精度,必须消除通过传感器感应的干扰信号。因此,在试验系统中设置了滤除交流干扰的零点数字滤波器。
3.1 零点数字滤波器设计
构建零点数字滤波器的目的在于仅获取直流分量信号滤除其他交流干扰信号,滤波器[14,15]的线性常系数差分方程为
式中y(n)为第n个采样时刻的滤波器输出值。
输入源可表示为
本系统中取采样频率fs=2400 Hz,r=1,可得N=1,M=47,零点滤波器差分方程系数为
幅频特性见图6。由图可见,可有效抑制工频和其他整数次谐波,而对于直流分量无衰减。图6中,纵坐标H表示无量纲的滤波器输出模值。
3.2 数字仿真
根据图6得到的参数,模拟输入信号I0=10 mA,I1=1 mA,I2=0.7 mA,I3=0.5 mA,I4=0.1 mA,I5=0.08mA,I6=0.06 mA,I7=0.05 mA,得到零点数字滤波器仿真波形如图7所示,图中,i1表示滤波器滤波前波形(输入值),i2表示滤波后波形(输出值)。
实验结果表明,此零点数字滤波器有效地滤除1、3、5、7和其他整数次谐波的干扰,提高了测量的精确性。
根据前述思路,在集控站建立了变电站直流绝缘检测主站,在多个变电站装设了直流漏电流采集子站,现场试验表明,能有效地检测变电站直流回路接地,并能对直流电源系统的绝缘下降进行预警。
4 结论
直流绝缘监测装置 篇8
变压器用油浸电容套管易受高介电及热应力影响,套管绝缘故障是引起变压器故障的主要因素之一,研究表明套管绝缘故障占到变压器故障的40%,有些故障甚至会引起火灾,导致严重事故。而套管故障的产生都是一个渐进过程,对套管绝缘进行监测可以有效预防和尽早发现套管故障[1]。
利用传统的离线测试来探测套管绝缘变化需要较长的测试周期,而且需要断网停电。变压器套管绝缘在线监测装置能够实时在线监测套管绝缘状况,有效避免或减少套管绝缘故障引起的变压器停运,具有巨大的经济效益。
1 套管绝缘状况的主要参数
电介质在电场作用下,由于电导和极化现象的存在而产生能量损耗,统称为介质损耗。在外加电压、频率一定时,介质损耗与介质的等值电容和介质损失角正切值tanδ成正比,而tanδ值仅与绝缘材料性质有关,与绝缘材料的尺寸大小和形状无关,它是一定状态下电介质的固定值,因此可以通过在线测量电介质的电容量C和介质损耗因数tanδ,来判断其绝缘状况。
2 电容量和介质损耗因数的检测原理与方法
套管绝缘在线监测装置通过电压互感器(PT)提取标准电压信号,通过电流传感器引取套管末屏电流信号,然后用傅里叶变换滤掉干扰成分,分离出信号基波,再对电压检测信号和电流检测信号进行矢量运算,计算出套管绝缘的介损值和电容量[2]。
以PT电压信号U为参考轴,将套管的末屏电流信号I分解成水平分量Ir和垂直分量Ic,如图1、2所示。
式中,P为被测试品的有效功率;Q为被测试品的无功功率。
式中,C为三相电容(F);f=50 Hz;U为PT电压。
3 套管绝缘在线监测装置的特点
(1)实时获取监测数据,并能够剔除虚假数据;
(2)能够根据检测数据有效判断套管的状况,并对潜伏性故障进行预警;
(3)在线监测装置与一次设备的连接安全可靠,并可在不停电的情况下对监测装置进行检修和维护;
(4)应具有较强的抗干扰能力和良好的电磁兼容性能;
(5)装置中配有雷电保护装置。
4 影响套管绝缘监测结果的主要因素以及结论判断
影响套管绝缘在线监测装置检测结果的主要因素包括3个方面:传感器自身的误差、环境因素和偶然因素。
4.1 传感器的影响
传感器是整个在线检测装置的信号输入端,担负着信号提取的任务,信号的质量严重影响在线检测的数据。传感器通常安装在变压器本体上,处于强电磁环境中,容易受到电磁干扰;同时传感器为户外安装,容易受到各种环境因素的影响。为了能够准确获得检测信号,传感器应该满足以下要求:
(1)应具有较强的抗干扰能力和良好的电磁兼容性能。
(2)具有较高的灵敏度和良好的线性度。由表1可以看出,采集到的末屏电流信号比较微弱(毫安级),数值变化也非常小,因此需要传感器能够灵敏检测出末屏电流的微小变化。Q/GDW540.3—2010中明确规定,电容性设备绝缘在线监测装置的电流测量误差应满足±(标准读数×1%+0.1 mA)的要求。
(3)检测信号和输出信号之间的角差变化较小。在传感器线性工作区间和温度变化的极限范围内,其角差的最大变化值应小于±0.5'。
(4)传感器的接入必须保证套管末屏的可靠接地。在套管运行时,要求末屏可靠接地,若套管末屏的接地出现故障,存在烧毁套管的危险。安装在线监测装置后,末屏通过传感器进行接地,因此传感器的接入必须保证末屏的可靠接地。此外,传感器上还应配有雷电冲击保护元件。
(5)传感器应为有源传感器。无源传感器输出的信号通常只有几十毫伏,易受外界的干扰而失真。有源传感器能够对信号进行就地放大,有效增强输出信号,从而降低外界干扰的影响。
4.2 环境因素的影响
变压器套管周围环境温度、湿度每天都有周期性变化。绝缘材料的介质损耗因数与其本身温度有关,环境湿度则会影响套管表面的电场分布,从而影响介质损耗因数的测量值[3]。一般情况下,套管绝缘在线监测装置对同一套管检测的介损值一天内会有规律地变化。
由图3可以看出,三相套管介损值变化较小。由图4可以看出,9月3日的数据比其他几天的介损数据都要大,而9月3日为降雨天气,湿气较大,符合湿度越高介损值越大的规律。由图5可以看出,同一套管测得的介损值在一天内有规律地变化。
由此可见,温度和湿度能够影响在线监测的数据,但影响数据的变化范围不是很大并且有规律可循。当环境因素有显著变化时,不能单凭检测的套管绝缘参数的增大就认定套管存在故障,应正确看待现场因素给在线监测装置检测的数据带来的影响。
套管绝缘在线监测装置可以配有环境温度和环境湿度监测通道,将温度、湿度数据与介损数据一同存储,并根据温度和湿度的变化规律来判定套管绝缘状况,方法如下:
(1)因三相套管同时故障的几率很低,当三相套管的介损值同时变化且变化规律相近时,可以认为介损值的变化由环境因素变化而引起,套管存在故障的概率较小。
(2)由图4和图5可以清楚地看出,每天介损数据的变化是有规律的,且相近2天的变化规律和同一时间点的数据也比较接近,因此可以通过对比前一天的数据来判断套管的绝缘状况。当温度和湿度与前一天都比较接近时,若介损值显著变化,说明套管存在故障。
(3)通常一个地区每年的温度变化规律基本一致,可以比较不同年份相同日期的介损值来发现介损值的变化趋势。若某日温度与前一年的温度相差5℃或湿度相差20%,应该寻找前一年同月份温度和湿度相近的一天的介损数据进行比较。
4.3 偶然因素的影响
在线监测介损值时,在线监测的数据常常会因某些偶然因素的干扰而出现虚假点[4]。这些虚假点对数据的分析有很大影响,所以在绝缘诊断前必须对在线测得的数据进行预处理。
由图6可以看出,图中数据有一个突变的数据点,而该点之后的数据都为正常数据且符合介损数据的变化规律,由此可以判断该数据点为虚假点。
因此,在线监测装置需要根据正常状态下实际测量值来确定数据变化规律,若不符合变化规律就认为是虚假点。
一般情况下,套管绝缘在线监测装置每隔3 min就需要对套管检测1次并进行记录。时间越接近,温度和湿度就越接近,在相应的时间段内环境因素对在线监测数据的影响也就越接近。因此,可以选取前5组数据的平均值作为虚假点的替代值。
5 结语
虽然用电压互感器(PT)提取标准电压信号的检测方法在一定程度上受环境因素影响,但有规律可循,可以通过对比温度和湿度的变化规律来判定套管的绝缘状况。
摘要：介绍了套管绝缘状况的主要参数、电容量和介质损耗因数的检测原理与方法,概述了套管绝缘在线监测装置的特点,最后分析了传感器自身的误差、环境因素、偶然因素对在线监测数据的影响,以便排除干扰,避免发生误报警。
关键词：变压器,套管绝缘,在线监测
参考文献
[1]陈化钢.电气设备预防性实验方法[M].北京:水利电力出版社,1994
[2]钟洪壁.电力变压器检修与实验手册[M].北京:中国电力出版社,2000
[3]龙锋,王富荣,李大进,等.基于DSP的容性设备介质损耗因数在线监测方法[J].电力系统自动化,2004,29(19)