基于改进不平衡电桥的直流系统故障检测技术

摘 要：直流系统在电网的稳定运行中具有十分重要作用，在对直流系统中的绝缘电阻与交流窜入进行测试时，如果采用传统的方法，往往不能准确的进行检测，需要改进的相应的测试方法，通过采用改进不平衡电桥的直流系统故障检测技术对其进行检测，可以有效的满足测量的要求，然后通过仿真对实验室硬件平台的测试，发现采用不平衡电桥直流系统的测试能够满足要求。

关键词：不平衡电桥；直流系统；故障检测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.177

直流系统是变电站与发电厂重要的保护系统，能够有效的保障变电站和发电厂的安全稳定运行，对维护发电厂的设备具有十分中重要的作用，直流系统的供电可靠性要求非常高，它直接影响了整个变电站乃至电网的运行安全运行，特别是在电网中的电压等级在不断提升的情况下，直流系统的安全稳定对保证电网的稳定也提出了更高的要求。对直流系统的绝缘电阻检测，能够及时的发现系统中存在的接地故障，以判断直流系统中的母线对地绝缘电阻是否满足要求，通过对不平衡电桥的直流系统故障检测，可以及时的发现电网的故障，并及时发现危险点，保证电网的稳定运行。

1 不平衡电桥的直流系统的应用常见故障检测方法

直流系统在工作的过程中，常常会出现直流系统接地和交流窜入两种情况，这也是变电站与发电厂系统在运行的过程中常见的两种故障。对于直流系统的接地故障检测，一般采用的方法是交流信号注入法与不平衡电桥法进行检测，交流信号注入法主要采用的方法是，在电路的母线和接地之间注入低频交流电流信号，判断交流信号的变化情况，以便于查找接地故障，进而能够有效的实现对直流系统故障的检测，采用这种方法检测易于实现，而且方法比较简单，但是它的缺点也十分明显，检测的结果容易受到分布式电容的影响，而且影响也比较大。而采用不平衡电桥的方式主要是根据电桥的原理，通过对电路中的控制开关的通断进行控制，并将2个数值相等的电阻窜入到电路中，并按照实际的需求，分别投切进电路中，以实现对接地电阻测量，但是不平衡电桥测量方法功能相对单一，测量的技术与方法还需要进一步提高。交流窜入故障主要采用的检测方法有差分电压检测方法与隔直电容法进行检测，差分电压法检测的主要工作过程是，在直流电路的母线正/负极和接地之间进行有效的控制，并接入合适的交流电压采样电路，然后根据采样电压的基本要求，对采样电压进行分析与计算，进而判断直流电路可能出现的故障；隔直电容法的检测方法是基于电容具有“隔直通交”的作用原理，对直流电路中出现的问题进行检测，它通过在直流系统正极或负极对接地之间，窜入一定的电压，一般采用含有电容的电路来实现隔离直流电压的作用，采用这种方法一般是对直流电路系统出现的故障进行定性分析，而无法实现定量测量与分析。为实现对直流系统接地故障和交流窜入故障的综合检测，需要对直流电路的检测方式进行分析，通过改进不平衡电桥法，可以高效提高直流电路故障的检测方式，可以通过理论分析和硬件平台试验，对测试改进的方法进行有效性和可行性验证。

2 基于改进不平衡电桥的直流系统故障检测技术的方法

2.1 改进的基本电路分析

基于改进不平衡电桥的直流系统故障检测技术的方法（也称为IUB法），主要的检测工作原理电路图如下图1所示。其中，+KM和-KM为站内直流母线，在改进不平衡电桥时，需要在其后级电路为IUM电路拓扑，便于对电路中的电流进行测量，结合对直流电路中的电流或者电压的变化情况进行分析，通常对电路中的电阻作如下规定：R1=R4，R2=R3，R，7=R8，以形成不平衡電桥。当电路开关K3-K5闭合时，R，-R8组成的电路就形成了典型的不平衡电桥，这时通过测量K1、K2在交替接通与断开时，直流电流会出现不同的电流方向，二者对应的拓扑下的电阻R两端的电压U1，这样，就可以计算出不平衡电路中的正极接地电阻R4和负级接地电阻R3的阻值变化情况，进而能够对电路中是否出现异常电流进行判断。在K1-K3都保持断开状态的情况下，如果K4断开、K5闭合时，对电桥中的电阻R2两端的电压值进行测量，然后利用公式对电路中电流的变化情况进行计算，这样就可以方便的计算出负极交流窜入电压值的变化情况，同样，K闭合、K5断开的情况下，可以对R3两端的电压U3进行测量，进而可以求出电路中正极交流窜入的电压值，进而能有效的对判断电路中的电压变化情况。

2.2 实际效果分析

在利用改进不平衡电桥的直流系统故障检测技术对直流系统的直流电压进行检测时，需要对电路的实际变化情况进程测量，结合电路中不同开关闭合与断开的情况下，对直流系统中的电压进行测量，具体在测量的过程中，需要依次接通或者断开相应的快关，测量的接地电阻和交流窜入电压的测量数据如表1所示。其中，用“1”表示电路中的开关闭合，“0”表示电路中的开关断开。

（1）直流系统电路中的接地电阻检测。在对直流系统中的不平衡电桥中的接地电阻进行测量时，首先，需要将快关K1-K3断开，并将电路中的K4和K5闭合，并对电阻R2两端的直流电压进行测量，然后，结合电路中的电压、电流、电阻的关系，计算出直流系统的正、负母线电压Uk；其次，将电路中的K2断开，其余的开关闭合，对电路R两端的直流电压进行测量，得到电压值为U1，同时对直流系统中的窜入电流进行计算；第三，将电路中的快关K1断开，并电路中的其余开关闭合，并对电阻R2两端的直流电压值U”1进行测量，并结合相应的公式，对直流系统正、负母线电压Uk进行计算。具体的接地电阻的一系列的计算公式如下：

其中，式中的UK代表整个直流系统的直流母线电压，U4为直流系统中的开关K2闭合时，测量直流系统中的正母线两端的电压，U”4为电路中开关K1断开时，而其他开关闭合时，测量直流系统中的正母线两端的对地电压，U4为直流电路中的开关K1断开时，其它开关闭合时，测量直流系统中的负母线两端的对地电压，U”1为电路中开关K1断开时，而其他开关闭合时，测量直流系统中的负母线两端的对地电压，R+为直流系统中的正母线接地电阻，R-为直流系统中的负母线接地电阻。

这样，通过上面的分析，就可以快速的对不平衡电桥中的正负接地电阻的值进行求解，具体计算方法如下：

直流系统中交流窜入电压的检测。在对直流系统中的交流窜入进行检测时，需要结合表1中设备的步骤5与步骤4之间的直流电路中的开关通断情况，分析隔直电容接入电路中的正、负交流窜入的状态下，对直流系统的电压进行检测，这时，分别测量直流系统中的电阻R5两端交流电压的值为U2、U”2，然后，根据相应的公式，可以计算出直流系统的正、负母线交流窜入电压值，具体的计算方法如下：

在计算的过程中，式中的U2为电路中开关K2闭合而其他开关断开时，电路中电阻R5两端的电压值，U”2为电路中开关K闭合而其他开关断开时，电路中电阻R5两端的电压值，UAC+为测量直流系统中的正母线两端的交流窜入对地电压，UAC-为测量直流系统中的负母线两端的交流窜入对地电压。这样，通过直流电路系统中的电流值与窜入电流值进行测量之后，就可以有效的对电路中的电压值的变化情况进行分析。

3 仿真分析

3.1 仿真测试方法

通过对不平衡电桥的直流电路系统检测技术进行改进之后，并确定了接地电阻与窜入电压的计算分析方法，就可以采用MATLAB/Simulink软件，对改进后的直流电路系统的可能产生的故障进行仿真分析，分析。在直流系统正常运行的情况下，如果直流电路系统中的接地电阻值低至30-40kΩ时，就可以认为直流电路系统的接地产生了故障。在进行系统仿真时，为保证不会对整个改进的直流电路造成损害，我们设置直流系统的正母线接地电阻为10kΩ，并将直流系统的负母线接地电阻设置为15kΩ，保证电阻能够满足仿真测试的要求。设定直流系统额定电压分别为48V和110V两种情况，对直流电路中的各个电阻、电容等元件参数的设置如表2所示。

在对不平衡电桥的直流电路系统的各个元件参数进行设定之后，就可以根据上述确定的电阻计算方法，对直流电路中的各个需求电压U1、U”1、U2、U”2的值进行测量，当电路中的电压为48V时，对各个需求参数的值测量值如表3所示。其中，“1”代表开关闭合，“0”代表电路开关的闭合。

然后，将表3的测量值，带入到直流电路中的电阻测量公式中，就可以对各个测量的参数值进行计算，进而能够与测量的检测故障参数对比，具体的计算结果与存在的误差情况如表4所示。

采用同样的方法，可以对直流电路中接入110V的电压进行仿真测试，也可以得到相应的测试结果，通过对相应的测量结果进行分析，说明改进不平衡电桥对电路中的检测技术进行测试，可有效应用于直流系统接地故障检测及交流窜入故障的检测，而且检测的效果也十分明显。例如，在采用48V DC接入到直流系统中，通过测量与计算，仿真得到的接地电阻检测误差小于0.250%，交流窜入检测误差小于0.150%，都在实践电路的控制要求之下，说明能够有效的对直流电路中的接地电阻与窜入电流进行测量，在直流系统中接入110V DC电压时，通过仿真测试，得到的接地电阻检测误差小于0.060%，而实际测量的交流窜入检测误差也小于0.160%，说明在电压变化的情况，系统也能够满足相应的要求，进而能够说明在基于不平衡电桥改进直流电路系统的检测技术能够满足要求。

3.2 实际试验验证

根据上述改进不平衡电桥的检测技术与方法，在实验室搭建改进不平衡电桥电路实物模型，并结合相应的实验过程，对相应的电阻值与窜入电流值进行测量，将元件参数设置为表2中48V系统对应参数值，然后通过实际试验对直流系统中接地电阻与窜入电流进行测量，具体的测量结果如表5所示。

然后，将实际实验中表5的测量值，带入到直流电路中的电阻测量公式中，就可以对各个测量的参数值进行计算，并得到相应的计算结果，进而能够与测量的检测故障参数对比分析，判断具体的改进技术的测试效果，具体的计算结果与存在的误差情况如表6所示。

通过表6的实际实验数据可以知道，基于改进不平衡的直流系统检测技术能够满足实际的要求，而且采用该方法检测得到的仿真实验正、负母线接地电阻和交流窜入值与实际实验测量值之间的误差小于5%，在实际应用中，能够准确真实的反应出直流电路系统可能存在的接地电阻与交流窜入的故障。

4 结束语

在对电网中直流电路系统存在的问题进行检测时，往往会存在多种问题，通过改进不平衡电桥的直流电路系统检测技术可以有效的对系统存在的问题进行分析，本研究就是基于不平衡电桥和隔直电容原理，通过电路的接地电阻与交流窜入等情况进行分析，提出了改进不平衡电桥法的检测技术，并通过MATLAB/Simulink软件仿真进行测试，并在实验室中通过硬件平台进行研究，接地电阻和交流窜入的检测精度满足直流系统运行要求，实验的结果表明改进不平衡电桥的直流电路系统检测技术能够有效的对电路进行检测。

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作者簡介：罗志强（1969-），男，广东中山人，本科，讲师，电工高级技师，研究方向：电气运行与控制智能化。