關于電力系統(tǒng)中直流接地檢測的設計研究

　引言

　　發(fā)電廠中的繼電保護、自動裝置、信號裝置、事故照明和電氣設備的遠距離操作，和電力、電信、冶金、石化、化工等領域補給電源一般采用直流電源，而直流電源部分由蓄電池組、充電設備、直流屏等設備組成，所以直流電源的輸出質量及可靠性直接關系到各個企業(yè)的安全和可靠的生產(chǎn)。因此，發(fā)電廠的直流系統(tǒng)被人們稱為企業(yè)的“心臟”。當直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地故障時，一般情況下是不會立即產(chǎn)生危害性后果，但是，若發(fā)生兩點或多點同時接地， 則可能造成信號裝置、控制回路和繼電保護裝置的誤動作，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)嚴重的電力系統(tǒng)事故。因此，在直流系統(tǒng)中，絕對不允許在一點或多點長時間接地的情況下使用設備。必須對直流系統(tǒng)進行連續(xù)的在線監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有接地故障，監(jiān)控系統(tǒng)應立即發(fā)出報警，提示現(xiàn)場工作人員檢查并排除接地故障，以避免發(fā)生嚴重的電力系統(tǒng)故障。

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

　　方案

　　測量接地電阻大致可以分為兩種方法：交流法測電阻和直流法測電阻。使用交流法測量電阻，就是在系統(tǒng)上，疊加一個交流信號，利用交流電流傳感器去檢測漏電流，從而計算出接地電阻。由于這種方法受到分布電容的影響，要想使測量的結果滿足一定的要求，我們必須嚴格控制交流信號的幅值和頻率，這就使得交流信號源電路變得較為復雜，也增加了交流信號源設計的難度，同時檢測交流信號也相對復雜而且檢測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)上疊加一個交流信號，也就相當于人為的向系統(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電阻，但是現(xiàn)有的、使用直流法測電阻的系統(tǒng)，也只能在以下兩種情況下測量出接地電阻，并發(fā)出報警信息：1、單根母線接地;2、所有接地支路都正接地或者負接地。在正負母線同時接地或支路既正接地同時也負接地的時候，系統(tǒng)一般很難準確的檢測出接地情況，并準確計算出接地電阻值，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，能夠保證正負母線有一個穩(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載，M點為漏電流傳感器輸出點。

　　在系統(tǒng)中，我們實時監(jiān)控正母線電壓U+、負母線電壓U-和漏電流傳感器M點的電壓值，根據(jù)這三個電壓值和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)，正負母線間電壓)，故當正母線接地或支路B、D點接地時，U+的絕對值會減小，U-的絕對值會增加;當負母線接地或支路A、C點接地時，U+的絕對值會增加，U-的絕對值會減小，從而我們可以得出母線接地情況;根據(jù)M點的電壓值(當沒有接地時，電壓接近零伏;正接地時，輸出正電壓;負接地時，輸出負電壓。)，便可獲知是哪個支路接地和其接地極性，

　　2、 接地電阻值計算：由M點的電壓Vm，可以計算出漏電流的大小Im(不同支路的霍爾漏電流傳感器，M點的電壓和支路電流有著不同的對應關系)。所以，支路電阻可由如下公式得出：

當兩母線同時接地且對地電阻同比例減小時，母線電壓沒有被拉偏，支路的霍爾電流傳感器也檢測不出電流的變化，所以這種情況我們是很難檢測出有接地發(fā)生的，即使理論上是可以計算出接地電阻值，但是在實際開發(fā)中是不可實現(xiàn)的。

　 　　　　　　　　　圖1 電橋法測接地電阻1

　方案2

　　為解決方案1存在的弊端，即當兩母線同時接地且對地電阻同比例減小時，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分別構成兩對電橋，并由光耦來選擇哪對電橋接地;圖右半部分為用戶負載，M點為漏電流傳感器輸出點。

　　接地極性判斷：同方案1;

　　接地電阻值計算：由M點的電壓Vm，可以計算出漏電流的大小Im(不同的霍爾漏電流傳感器，M點的電壓和支路電流有不同的對應關系)。當計算支路電阻時，選擇R1、R2電橋，斷開R3、R4電橋，即可得出支路電阻為：

　　其次，選擇R3、R4電橋，斷開R1、R2電橋，檢測正負母線電壓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 電橋法測接地電阻2

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 系統(tǒng)框圖

　　如圖3所示，該設計大致可分為：采集部分、電橋選擇部分、通訊部分、顯示部分、報警部分，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點電壓，將采集到的電壓在CPU內(nèi)進行處理，最終將處理后的信息通過通訊模塊上傳給主卡或上位機，且同時實時在顯示模塊上顯示并根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進行實時報警。

　　結語

　　本文主要介紹了在電力系統(tǒng)中直流檢測的兩種方法，由于直流檢測比之交流法檢測有著很多優(yōu)點，所以目前大多數(shù)直流系統(tǒng)都采用直流檢測法去監(jiān)控，但是目前的直流檢測方法還存在著很多弊端，針對這種情況，筆者提出這兩套方案。由于這兩套方案的電路實現(xiàn)簡單，軟件結構也并不復雜，所以其具有很好的應用價值。本文所介紹的方案，已成功的應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，其檢測結果理想，最小可檢測27K歐姆的接地電阻故障，精度可達到±5%，若精選器件，可達到更高的精度。