基于双平衡桥探测直流系统接地故障检测的新方法*

黄晶，朱武

（上海电力学院电子与信息工程学院，上海200090）

0 引 言

发电厂、变电站的直流系统主要为信号回路、自动装置、继电保护、事故照明等二次设备提供电源，其运行可靠与否直接影响整个电力系统的安全［1-4］。支路接地是直流系统常见的电气故障，若未能及时找到并排除直流系统的一点接地故障，在出现多点接地时，将造成直流操作电源短路，引起保护设备误动作，引发严重后果［5-8］。

目前常用的接地故障检测方法有电桥法、低频探测法和漏电流法［9-11］。被广泛使用的直流故障检测装置大多根据平衡电桥法的原理制成，即设置两个等值电阻与母线对地的两个正负极绝缘电阻构成一个平衡电桥，若母线发生一点接地，电桥平衡破坏，装置发出报警信号。采用该原理的检测装置只能判断母线绝缘状态，不能判断支路发生泄漏电流；而且正负母线对地绝缘同时下降且阻值相等时，电桥法存在检测死区，装置误动作［6］；检测一点接地故障并不能准确定位故障位置，需要配合拉路法逐一查找［12］。低频探测法是向直流电网的正负母线注入低频交流信号，该信号沿着阻抗最小的支路形成通路［13-15］。近几年国内学者做了大量研究将各种低频信号的处理方法尤其是小波变换分析用于支路绝缘电阻的检测［16-18］，这些基于注入低频信号的方法一定程度上提高了检测精度，但在信噪比低的情况下信号失真严重，且存在增大电压文波系数、影响电能质量、MCU计算量大的缺点。漏电流法的基本原理是用霍尔传感器检测馈线支路的接地故障泄漏电流，其缺点是存在非线性误差，需要采用数字方法或神经网络算法进行补偿。

基于上述问题，提出一种新的双桥探测的方法检测直流系统的接地故障，实验结果表明该方法具有不存在检测死区和防止保护误动的优点，即正负母线绝缘下降能力相等时，仍然可以求出正负母线的绝缘电阻值。

1 双桥探测法基本原理

双桥探测法是基于平衡电桥法及不平衡电桥法的改进，它是根据记录两次传感器的电流，就能准确反映正负母线对地绝缘电阻值，并且不存在检测死区问题，在实际使用中发现，双桥探测法虽然人为加入了探测电阻，但是并没有母线对地电压不断变化的情况出现，因此可排除双桥探测法增加人为扰动的可能性。

1.1 母线绝缘电阻的状态监测系统结构框图

如图1所示，分别控制三路开关K1、K2、K3的通断［6］，在正负母线绝缘良好的情况下，正负母线对地的绝缘电阻r1和r2相当于无限大，由此可以看成平衡的两组电桥：电流传感器H1测量由桥臂R1、R2+R3和r1、r2组成一组平衡桥的平衡情况，标记为第一组电桥；电流传感器H2测量由桥臂 R1+R2、R3和r1、r2组成另一组平衡桥的平衡情况，标记为第二组电桥，其中桥臂阻值关系为R1=2R2=2R3。若正负母线没有泄漏电流流过，两组电桥都满足惠斯通电桥平衡条件，此时两个传感器没有电流流过。

图1 电母线绝缘监测电路框图Fig.1 Insulation monitoring circuit of the bus

若正负母线对地绝缘能力降低，两组电桥都不再平衡，传感器H1和传感器H2有毫安级的电流通过，若H1、H2显示的电流大于系统设定值，开始启动故障检测程序，先断开开关K2、K3，电路图如图2所示，记录传感器的电流ih1、ih2，再断开开关K1，闭合开关 K2、K3，如图 3所示，记录传感器的电流 ih1′、ih2′。

图2 闭合 K1、断开 K2、K3Fig.2 Close switch K1，open switch K2、K3

图3 断开 K1、闭合 K2、K3Fig.3 Open switch K1，close switch K2、K3

根据基尔霍夫电流和电压定律，图2列出如下方程组：

消去母线泄漏电流未知量i1、i2，可得，

类似的，图3列出如下方程组：

其中，U为母线的电压，可由绝缘监测装置实时测得；待求量 R2ih1′+R3（ih1′+ih2′）及（ih1′+ih2′）可以由实验测得数据求出，统一由系数M、N表示。根据

1.2 支路绝缘电阻的状态监测系统结构框图

将传感器套接在直流母线的每一对进出回路上，采集相应支路的漏电流。如图4支路1中所示，支路正常运行时，流过正负母线的支路电流相互抵消即I+=I-，霍尔传感器指示的漏电流为零；而当支路绝缘能力下降即I+≠I-，传感器指示的漏电流为△I=I+-I-。

（1）设支路2的正负极分别经过绝缘电阻r2+、r2-接地，如图4所示，闭合K3、断开K1，电阻R3投入负极母线，等效电路如图5所示，控制器测出正极对地电压U+，传感器h2采集支路2漏电流△I21，可得：

再闭合K1、断开K3，电阻R1投入正极母线，等效电路见图6，测得正极对地电压U+′和漏电流△I22，

由式（5）～式（6），计算出支路2绝缘等值电阻：

（2）设支路1的正极经r1+接地、支路2正极经r2+接地，电阻R1投入正极母线，采集各支路漏电流，支路1、2绝缘电阻，

式中 U″+是正极母线对地电压；△I1、△I2是正极检测电阻投入时传感器采集的漏电流；r1d、r2d是两支路同时接地时的绝缘电阻，同理当只有一条支路（支路1、支路2）接地，绝缘电阻的计算式不变。

图4 支路绝缘检测电路Fig.4 Insulation monitoring circuit of the branch

图5 投入R3等效电路Fig.5 Equivalent circuit of the negative buswith R3

图6 投入R1等效电路Fig.6 Equivalent circuit of the positive buswith R1

2 测量电路的设计

2.1 传感器的选择

一般直流测量采用直接接入方式，而研究直流系统故障检测时则不允许断开回路，这就考虑到了非接触式的测量，基于磁平衡原理制成的霍尔传感器具有精度高、响应快、抗干扰能力强的特点，适用于有几十至几百条馈线的直流系统漏电流检测。由式（4）、式（7）～式（9），故障漏电流的测量精度决定绝缘电阻的检测精度。根据直流系统设计规程，漏电流的测量范围为0 mA～±20 mA，误差小于2%，因此选择性能较好、精度更高的霍尔电流传感器CHVS-AS5-10进行测量试验。

2.2 电桥电阻的选择

母线绝缘检测电路中，电桥处于平衡状态，母线运行状况良好，桥臂电阻的取值决定母线对地电压的偏移和检测电阻的灵敏度。电阻取值越高灵敏度越高的同时电压偏移量越大，此时容易引起系统保护的误动作，需要对桥臂电阻合理取值，既保证电桥的检测灵敏度，又不至于影响系统安全运行。

为此假设出现如图1所示的正极绝缘电阻r1在［20 kΩ，30 kΩ］范围内发生正母线单极接地故障，负极绝缘电阻r2可忽略不计，列出平衡状态下的KCL方程并定义母线对地电压偏移率和电桥检测灵敏度。

综合式（10）～式（12），

由上式得出r1在［20 kΩ，30 kΩ］内母线对地电压偏移率ε和电桥检测灵敏度S随电桥电阻R1的变化曲线，如图7、图8所示。由图可见，桥臂电阻R1在［25 kΩ，60 kΩ］内变化时母线电压的偏移较小，且电桥有较高的灵敏度，符合220 V直流系统设计规范，为此选取R1=30 kΩ。

图7 电压偏移率变化曲线Fig.7 Curves of voltage deviation rate

图8 检测灵敏度变化曲线Fig.8 Curves of detection sensitivity

3 试验验证

搭建模拟实验回路如图4电路所示，系统母线电压 U=220 V；桥臂电阻R1=30 kΩ，R2=15 kΩ，R3=15 kΩ；传感器CHVS-AS5-10量程0～±20 mA，精度0.5%。试验中通过改变正负母线接地电阻的数值记录传感器测出的不同试验数据，并对其分析处理，母线测试绝缘电阻和支路测试电阻由式（4）、式（7）计算得出列入两表，表1、表2为母线和支路接地电阻的试验对比结果。

表2中通过公式计算的正负母线绝缘电阻及支路绝缘电阻的结果相对误差均小于5%，满足系统设计要求。实验结果表明，双桥探测法的原理简单、易于控制，只需记录两次传感器的电流就能求出正负母线的对地绝缘电阻，测量精度较高，定位路障支路准确，即使正负母线绝缘能力下降相等，电流传感器H1指示的电流为零，电流传感器H2指示的电流变大，也能较准确的测出接地电阻值；不足之处在于，随着正负极接入绝缘电阻的增大，该方法的测量精度有所降低，这是受传感器的精度决定的。

表1 母线接入绝缘电阻的试验结果Tab.1 Experimental results with insulation resistance of the bus in the circuit

表2 支路接入绝缘电阻的试验结果Tab.2 Experimental resultswith insulation resistance of the branch in the circuit

4 结束语

文章对直流系统母线和馈线支路接地故障检测问题进行了研究，提出了一种双平衡桥母线探测和漏电流支路联合探测的新方法，并讨论双桥探测法的基本原理、母线及支路故障检测步骤。模拟220 V直流系统接地故障的试验，验证了该方法解决绝缘监测装置的检测死区问题，故障测试电阻相对误差小于5%。该方法无需向系统注入任何交流信号，不受系统分布电容影响。