電力系統(tǒng)中直流接地檢測的設(shè)計

　　引言

　　發(fā)電廠中的繼電保護(hù)、自動裝置、信號裝置、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(dāng)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(hù)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(yán)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(shè)備。必須對直流系統(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(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)對地電阻的檢測。檢測內(nèi)容包括：1、正負(fù)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(jié)果滿足一定的要求，我們必須嚴(yán)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(fù)雜，也增加了交流信號源設(shè)計的難度，同時檢測交流信號也相對復(fù)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(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(fù)接地。在正負(fù)母線同時接地或支路既正接地同時也負(fù)接地的時候，系統(tǒng)一般很難準(zhǔn)確的檢測出接地情況，并準(zhǔn)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(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(fù)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(fù)母線間電壓)，故當(dāng)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(dāng)負(fù)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(dāng)沒有接地時，電壓接近零伏;正接地時，輸出正電壓;負(fù)接地時，輸出負(fù)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(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(dāng)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(gòu)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(fù)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(yīng)關(guān)系)。當(dāng)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(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 電橋法測接地電阻2

　　圖3 系統(tǒng)框圖

　　如圖3所示，該設(shè)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(jìn)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(jìn)行實時報警。

　　結(jié)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(jié)構(gòu)也并不復(fù)雜，所以其具有很好的應(yīng)用價值。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，其檢測結(jié)果理想，最小可檢測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。