專利名稱：直流系統(tǒng)接地故障的探測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種直流系統(tǒng)接地故障的探測方法，一種消除由于分布電容的存在而導致測量誤差的直流系統(tǒng)接地故障的探測方法，特別適用于直流系統(tǒng)具有很大對地分布電容的場合。
背景技術(shù)：
發(fā)電廠和變電站的直流系統(tǒng)為控制、保護、信號和自動裝置提供電源，直流系統(tǒng)的安全連續(xù)運行對保證發(fā)電供電有著極大的重要性。由于直流系統(tǒng)為浮空制的不接地系統(tǒng)，如果發(fā)生兩點接地，就可能引起上述裝置誤動，拒動，造成重大事故。因此當發(fā)生一點接地時就應在保證直流系統(tǒng)正常供電的同時準確迅速的探測出接地點，排除接地故障，從而避免兩點接地可能帶來的危害。
在目前已有技術(shù)中，主要以低頻信號尋跡法為主，其做法分為兩種，其一一方面通過信號發(fā)生器在接地母線與地之間注入一低頻電壓信號，此信號將沿母線，從接地點流入大地，再通過大地返回信號發(fā)生器，構(gòu)成一個回路，另一方面，通過帶有放大電路的鉗形電流探頭感應此低頻電流信號，當某一支路的電流信號大于設定值時即認為該支路發(fā)生故障，如《中國專利》申請?zhí)?9216125.6，發(fā)明名稱直流系統(tǒng)接地點低頻探測儀，申請人山東工業(yè)大學；其二在母線上交替注入兩種不同頻率的低頻電壓信號，再利用電流探頭探測各支路的低頻電流，通過比較各支路的二個低頻電流信號的比值與幅值判別接地支路和接地點。如《中國專利》1992年11月25日公開的，申請?zhí)?2104871.8，發(fā)明名稱直流系統(tǒng)接地故障的探測方法及探測裝置，申請人華北電力學院。但此二類產(chǎn)品存在的最大問題一是在直流系統(tǒng)對地存在大電容時，仍容易造成誤判，二是接地電阻較大時無法檢測。在一般情況下，直流系統(tǒng)對地都存在較大的電容，其由直流系統(tǒng)自身具有的電容和供電支路存在的分布電容所決定的，再者在直流系統(tǒng)供電線路出現(xiàn)絕緣不良時，常會出現(xiàn)對地大電阻，因此，如不能解決上述兩個問題，將很難達到檢測要求。而造成上述兩個問題的主要原因是檢測判斷的依據(jù)是檢測到的電流信號的幅值，但幅值強弱受傳感器、放大電路精度的影響很大，因此無法保證測量的穩(wěn)定性和準確度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，根據(jù)信號電流幅值大小判斷接地故障，其特征在于分析、計算支路中的特定電流信號，計算基波與諧波的相位及相位差，進而判斷是否存在接地故障。計算基波與諧波的相位及相位差，是采用在直流母線與地之間施加一個特定的周期性電壓信號，該信號可分解為基波f1與諧波f2、f3……fk等多個電壓信號，用卡鉗式探頭探測支路中的If1、If2、If3……Ifk電流信號，得出相對應的相位Φf1、Φf2、Φf3……Φfk，令Φ差＝Φf1-Φf2/n(n＝f2/f1)，在特定的電壓信號源內(nèi)阻與隔直電容的影響下，Φ差的變化可線性的反映直流系統(tǒng)接地電阻和分布電容的關系，計算Φ差，Φ差與基準點Φ基準點比較來判斷故障支路。該發(fā)明的原理是直流系統(tǒng)是由各種規(guī)格電纜連接起來的，電纜在正常工作時絕緣電阻趨于無窮大，對地分布電容對流過電纜的交流信號，除有容抗外，電流還超前電壓90°。據(jù)此思路采用發(fā)射一周期性檢測信號，通過傅立葉分析分解為基波、諧波，且基波與諧波的頻率、相位、幅值關系是確定的。當基波與諧波電流分別流過相同的阻容系統(tǒng)，其相位角亦發(fā)生相應的變化。在流經(jīng)純電阻的情況下，基波與諧波的相位保持不變，但流經(jīng)電容時，都超前90°，將諧波的相位按時間關系折算為基波下相應的角度，則可判別出兩者的相位差，而該相位差可以直接反應出系統(tǒng)的阻容關系，從而判斷是否發(fā)生故障接地，該方法解決了分布電容造成誤判的問題，公式如下Φ差＝Φ基-Φ諧/n上述式中Φ差——基波與諧波(折算后)之間的相位差；Φ基——電流傳感器采集到的電流信號，通過計算算得的基波信號的相位；Φ諧——電流傳感器采集到的電流信號，通過計算算得的諧波信號的相位；
n——基波與諧波之間的頻率關系。
當系統(tǒng)絕緣良好，即外部接地電阻趨于無限大時，流經(jīng)絕緣電阻的電流趨于零，所測電流基本為流經(jīng)電容的電流，此時Φ差將無限趨近于90°-90°/n。算得Φ差與預先整定的相位基準值比較，當大于基準值時，即是絕緣正常，反之則認為存在接地故障。
在實際設計當中，采用發(fā)射周期性方波信號，根據(jù)傅立葉分析可知 取基波與三次諧波，其間的相位關系在純電阻的情況下相位差為0°，在純電容的情況下相位差為60°，在不確定系統(tǒng)阻容的情況下，基波與諧波的相位差也是變化的，但范圍是確定在0°～60°之間。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明所具有的有益效果是根據(jù)電流幅值、相位判斷接地故障，利用電容對電流信號相位的影響，解決了直流系統(tǒng)對地存在大電容時造成的誤判，或接地電阻較大時無法檢測的問題，在直流系統(tǒng)正常供電的同時實現(xiàn)準確、穩(wěn)定、快速的查找出故障點，保證直流系統(tǒng)的安全運行。


圖1信號發(fā)生器的電壓輸出波形；圖2直流系統(tǒng)簡化的電路模型圖；圖3發(fā)生器內(nèi)阻與隔直電容確定的情況下，判據(jù)與系統(tǒng)接地電阻和分布電容的關系圖；圖4信號發(fā)生器的電路圖；圖5在直流系統(tǒng)中實現(xiàn)故障檢測的示意圖；圖6電阻接地時的電流信號圖。
圖7系統(tǒng)絕緣正常但分布電容較大時的電流信號圖；其中1信號發(fā)生器 2接收裝置 3方波信號源 4功率放大電路 5過壓保護電路 6系統(tǒng)內(nèi)阻 7隔直電容與過流保護電路 R1信號源的等效內(nèi)阻 C1信號源的隔直電容 R2直流系統(tǒng)的接地電阻 C2直流系統(tǒng)的分布電容 C3-C6電容 VT1-VT4三極管 D1、D2集成電路 Q1晶振 D3、D4繼電器 VD3、VD4穩(wěn)壓二極管VD1、VD2、VD5、VD6二極管 VT5雙向可控硅 R3-R12電阻 F1、F2保險管。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本探測方法進一步說明。
圖1信號發(fā)生器的電壓輸出波形采用方波，根據(jù)傅立葉分析， 方波的基波f1，諧波f2＝3*f1，初相位都為0°。
圖2將直流系統(tǒng)簡化而成的電路模型圖，此時系統(tǒng)阻抗可表示為Z=R1+1jwC1+(R2jwC2R2+1)]]>式中R1信號源的等效內(nèi)阻；C1信號源的隔直電容；R2直流系統(tǒng)的接地電阻；C2直流系統(tǒng)的分布電容。
圖3在確定信號源內(nèi)阻和隔直電容后，依據(jù)圖2的系統(tǒng)電路模型圖列出如下關系 Φ基＝arctg(Z基)，Φ諧＝arctg(Z諧)，Φ差＝Φ基-Φ諧/n。
繪制Φ差與系統(tǒng)接地電阻和分布電容的關系圖(依據(jù)方波信號)，在圖中可看到隨R2、C2的增大，Φ差逐漸趨于60°。為了克服測量、計算誤差的影響，如將基準取為35°，依圖所示在分布電容為5μF時可判出23K的接地電阻；在分布電容為10μF時可判出11K的接地電阻；在分布電容為15μF時可判出7K的接地電阻；即使在分布電容為20μF時仍可判出5.7K的接地電阻，由此可見該方法大大提高了排除電容影響的能力。
圖4方波信號源的內(nèi)部電路組成，主要分為方波信號源3、功率放大電路4、過壓保護電路5、系統(tǒng)內(nèi)阻6、隔直電容與過流保護電路7。其中方波信號源3由51系列單片機D2及外圍器件看門狗芯片D1，晶振Q1，電容C3，C4構(gòu)成的簡易的記時電路，開機后可以輸出穩(wěn)定的時鐘信號，基波頻率小于10Hz，該時鐘信號控制功率放大電路4中三極管VT1，VT2，VT3，VT4的開通與關斷，從而實現(xiàn)信號的放大，放大后的信號幅值小于30V。所獲放大后的信號送入過壓保護電路5，該回路中采用繼電器D3加穩(wěn)壓管VD3，VD4與雙向可控硅VT5，當系統(tǒng)接入電壓過高，穩(wěn)壓管VD3，VD4將開通雙向可控硅VT5，通過雙向可控硅VT5將電壓鉗住，從而達到對信號源的過壓保護。隨后將信號接入系統(tǒng)內(nèi)阻6，此電阻R11將實現(xiàn)信號源內(nèi)阻的調(diào)整設定，使其小于500Ω，最后信號通過隔直電容C5，C6與保險管F2構(gòu)成的隔直與過流保護電路7，其中C5、C6的容值大于400μF，即可實現(xiàn)信號源的整個設計。該設計可以滿足探測時對信號源的要求，接收器將利用該信號結(jié)合系統(tǒng)分布電容與接地電阻計算相位差Φ差。
圖5在直流系統(tǒng)中實現(xiàn)故障檢測的示意圖，在母線與地之間通過信號發(fā)生器1施加一周期性電壓信號，當系統(tǒng)存在接地故障時，電流信號沿線路由接地點流入大地，經(jīng)大地、信號發(fā)生器構(gòu)成回路。此時用接收裝置2順線路查找，將接收裝置2的卡鉗式探頭卡在直流系統(tǒng)A點，在A點無電流信號指示，表明由A點以下的支路不存在接地點，繼續(xù)查找下一個回路分支處，再將接收裝置2的卡鉗式探頭卡在直流系統(tǒng)B點，在B點出現(xiàn)電流信號指示，表明由B點以下的支路中存在接地點，順延該支路繼續(xù)查找，發(fā)現(xiàn)在C點無電流信號，則可斷定B、C兩點之間存在接地故障點。繼續(xù)查找其他支路D點……，未出現(xiàn)故障報警，則其余各支路絕緣正常。
圖6存在接地故障支路的電流信號波形，該圖是將卡鉗式探頭采集到的電流信號通過放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過AD采樣2.4秒的波形，根據(jù)計算得知Φ基為45.95°，Φ諧為19.08°，再減掉電路的固定相移，最后得到Φ差為22.6°，小于判據(jù)Φ基準點35°，所以是故障點。
圖7為系統(tǒng)分布電容較大時的電流信號波形，該圖是將卡鉗式探頭采集到的電流信號通過放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過AD采樣2.4秒的波形，根據(jù)計算得知Φ基為45.10°，Φ諧為-59.16°，再減掉電路的固定相移，最后算得Φ差為47.8°，大于判據(jù)Φ基準點35°，所以判為絕緣正常而非故障接地。
權(quán)利要求
1.直流系統(tǒng)接地故障的探測方法，根據(jù)電流幅值大小判斷接地故障，其特征在于分析、計算支路中的特定電流信號，計算基波與諧波的相位及相位差，進而判斷是否存在接地故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測方法，其特征在于分析、計算支路中的特定電流信號，是采用在直流母線與地之間施加一個特定的周期性電壓信號，該信號可分解為基波f1與諧波f2、f3等多個電壓信號，用卡鉗式探頭探測支路中的If1、If2、If3……Ifk電流信號，得出相對應的相位Φf1、Φf2、Φf3……Φfk，令Φ差＝Φf1-Φf2/n(n＝f2/f1)，在特定的電壓信號源內(nèi)阻與隔直電容的影響下，Φ差的變化可線性的反映直流系統(tǒng)接地電阻和分布電容的關系，計算Φ差與基準點Φ基準點比較來判斷故障支路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測方法，其特征在于相位判斷基準點Φ基準點可在30°～45°之間任意選取。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測方法，其特征在于施加的一周期性電壓信號，其基波頻率小于10Hz，其電壓幅值范圍小于30V。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測方法，其特征在于電壓信號源內(nèi)阻阻值小于500Ω。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的探測方法，其特征在于電壓信號源與直流母線之間串有的隔直電容C5、C6，電容值大于400μF。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流系統(tǒng)接地故障的探測方法，特別適用于直流系統(tǒng)具有很大對地分布電容的場合，利用在直流母線與地之間加入一種特定的周期性電壓信號，通過卡鉗式探頭探測各支路電流，分析、計算電流信號基波與諧波的相位及相位差，進而判斷是否存在接地故障，保證直流系統(tǒng)正常供電的同時，利用電容對電流信號相位的影響，實現(xiàn)準確、穩(wěn)定、快速的查找出故障點，實現(xiàn)直流系統(tǒng)的安全運行。
文檔編號G01R31/02GK1447124SQ0210880
公開日2003年10月8日 申請日期2002年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月24日
發(fā)明者徐丙垠, 譚思園, 賈明全, 薛永端 申請人:淄博科匯電氣有限公司