變電站直流故障檢測準(zhǔn)確率提升方法研究

盛　煒，雷　興，徐　楠，孫婕韻，董志赟，劉高原

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上?！?01204)

變電站直流故障檢測準(zhǔn)確率提升方法研究

盛煒，雷興，徐楠，孫婕韻，董志赟，劉高原

(國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海201204)

摘要：直流接地故障檢測不準(zhǔn)確的原因主要包括漏電電力互感器(TA)零漂、調(diào)用切換時(shí)間長、存在分布電容。針對TA零漂，采用不平衡電橋的差流算法進(jìn)行辨識(shí)，對接地電阻及零漂電流進(jìn)行趨勢分析，并制定相應(yīng)的檢修計(jì)劃。針對調(diào)用切換時(shí)間長，根據(jù)故障前后電流電壓的狀態(tài)量、接地電阻的計(jì)算量及三者的電氣聯(lián)系進(jìn)行故障特征辨識(shí)，提出基于邏輯事件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)巡檢模式。針對系統(tǒng)分布電容，設(shè)計(jì)微小交直流測量元件和基于恒電阻電子電路的負(fù)載電路，并實(shí)現(xiàn)母線電壓的自適應(yīng)平衡控制。

關(guān)鍵詞：接地故障；零漂電流；分布電容；動(dòng)態(tài)調(diào)用

直流電源系統(tǒng)是變電站內(nèi)三大隱蔽工程之一，為一些重要常規(guī)負(fù)荷、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置提供不間斷供電電源，并提供事故照明電源[1]。直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常或故障時(shí)，就有可能引起信號(hào)裝置、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器的錯(cuò)誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作，有可能造成直流電源短路，引起熔斷器熔斷或快分電源開關(guān)斷開，使設(shè)備失去操作電源，引發(fā)電力系統(tǒng)嚴(yán)重故障乃至事故，造成大面積停電。

直流系統(tǒng)出現(xiàn)異常或故障為緊急缺陷，消缺有時(shí)限要求，因此，需要快速處理。而220kV及以上變電站規(guī)模大，間隔多，若直流系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率低，則導(dǎo)致排查故障的時(shí)間變長，加劇故障進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)也擴(kuò)大了帶電作業(yè)范圍，影響正常運(yùn)行回路，可能引發(fā)次生事故。因此，迫切需要進(jìn)一步提高變電站直流故障檢測準(zhǔn)確率。

1直流接地故障檢測不準(zhǔn)確的原因分析

變電站直流系統(tǒng)故障檢測設(shè)備主要有微機(jī)絕緣監(jiān)測儀和便攜式接地電阻測試儀。

(1)微機(jī)絕緣監(jiān)測儀：采用的直流電橋法不受分布電容影響，檢測靈敏度較高，被微機(jī)絕緣檢測儀廣泛采用[2]。但由于零漂電流的存在，判別時(shí)可能誤選或漏選[3]。

(2)便攜式接地電阻測試儀：微機(jī)絕緣監(jiān)測儀無法判別，或判別出的支路下面細(xì)分支路太多，都需要便攜式測試儀進(jìn)一步確認(rèn)。便攜式測試儀采用低頻信號(hào)注入法，會(huì)因系統(tǒng)分布電容過大而誤選，且環(huán)網(wǎng)方式時(shí)會(huì)造成支路存在諧波環(huán)流[4]。

通過理論推導(dǎo)、現(xiàn)場試驗(yàn)以及歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，直流接地故障檢測不準(zhǔn)確的原因主要包括漏電電力互感器(TA)零漂、調(diào)用切換時(shí)間長、存在分布電容。

2零漂電流辨識(shí)

2.1辨識(shí)方案選優(yōu)

零漂電流辨識(shí)的方法主要有3種：

(1)配合間隔停電檢修進(jìn)行漏電TA的補(bǔ)充校驗(yàn)：優(yōu)點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)漂移時(shí)可以進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)，甚至更換漏電TA；缺點(diǎn)是增加了運(yùn)檢人員的工作量，安全管控難度大，易造成全局性故障；

(2)裝設(shè)零點(diǎn)漂移監(jiān)測系統(tǒng)：定時(shí)校驗(yàn)零漂，但是增加設(shè)備安裝投入的費(fèi)用，同時(shí)安裝相應(yīng)設(shè)備也涉及到安全管控難題；

(3)采用差流算法進(jìn)行辨識(shí)：在原有設(shè)備和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法辨識(shí)，只需升級(jí)程序；識(shí)別漏電TA零漂，同時(shí)也排除其干擾、正確計(jì)算接地電阻；為漏電TA狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)源[5]。

基于安全性、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性方面綜合考慮，采用差流算法進(jìn)行辨識(shí)。

2.2采用不平衡電橋的差流算法辨識(shí)

接地電阻檢測原理采用電橋法，其原理如圖1所示。圖1中，Up、Un為正母線和負(fù)母線電壓；Rb1、Rb2是相同數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，分別固定在直流母線兩端，稱為平衡橋電阻；RL1、RL2是相同數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，通過繼電器投切到直流母線上，稱為測試橋電阻；Rx、Ry為待測接地電阻值，圖1中接地點(diǎn)電壓為零。

圖1　接地電阻的不平衡電橋法檢測原理

單支路接地等效電路圖如圖2所示。投入RL2時(shí)，支路等效電路如圖2(a)所示，此時(shí)Up、Un、I0分別取值Up1、Un1、I1。投入RL1時(shí)，支路等效電路如圖2(b)所示，此時(shí)Up、Un、I0分別取值Up2、Un2、I2。Ry和Rx分別為某支路的正母線對地絕緣電阻值和負(fù)母線對地絕緣電阻值。

圖2　單支路接地等效電路圖

不平衡電橋的計(jì)算公式如下：

I1-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(1)

I2-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(2)

若存在零漂，為了準(zhǔn)確計(jì)算接地電阻，需要在測量漏電電流中減除零漂電流Izd。此時(shí)式(1)和式(2)分別變?yōu)椋?/p>

(I1-Izd)-Un1/Rx-Up1/Ry=0

(3)

(I2-Izd)-Un2/Rx-Up2/Ry=0

(4)

在式(3)和式(4)中存在Rx，Ry和Izd三個(gè)未知量，若只發(fā)生單極接地時(shí)(Rx，Ry中有一個(gè)為無窮大)，則式(3)和式(4)為2個(gè)方程求解2個(gè)未知量，可解。

2.3趨勢分析

以支路絕緣及漏電TA零漂的計(jì)算值為縱軸，以監(jiān)測時(shí)刻為橫軸，生成趨勢線(支路接地電阻曲線、零漂曲線)。由圖3可知，只有支路絕緣滿足單調(diào)、緩慢變化的特征才可信。若支路絕緣呈現(xiàn)非單調(diào)變化，則彈出告警，提示檢修人員排查。例如，潮濕引起的絕緣下降，但干燥后絕緣又上升，此時(shí)便呈現(xiàn)非單調(diào)下降，檢修人員應(yīng)加強(qiáng)密封措施。

圖3　支路絕緣及漏電TA零漂曲線圖

2.4狀態(tài)檢修計(jì)劃

根據(jù)電纜絕緣和TA零漂的絕對值及變化速率，制定相應(yīng)的檢修計(jì)劃，嚴(yán)重問題優(yōu)先處理，有可能發(fā)展為嚴(yán)重問題的應(yīng)該優(yōu)先關(guān)注。狀態(tài)檢修計(jì)劃可避免了被迫強(qiáng)停的次數(shù)，在檢修工作中提前處理多處存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)檢修工作的前瞻性和經(jīng)濟(jì)性。

3動(dòng)態(tài)調(diào)用不平衡電橋

3.1基于邏輯事件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)模式

目前采取的自動(dòng)模式是基于時(shí)間序列驅(qū)動(dòng)，即定期由平衡電橋法切換至不平衡電橋法進(jìn)行短時(shí)檢測。當(dāng)發(fā)生正負(fù)母線同時(shí)接地時(shí)，無法快速診斷，必須等到調(diào)用不平衡電橋才能診斷。盡管正負(fù)母線同時(shí)接地發(fā)生概率很小，但是影響很大，需要及時(shí)處理。

本文提出基于邏輯事件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)模式，是在正常運(yùn)行條件下采用平衡電橋法，當(dāng)發(fā)生接地故障后，通過動(dòng)態(tài)分析故障前后測量信息的變化及診斷推理，辨識(shí)出可能的誤選情況；當(dāng)平衡電橋法可能導(dǎo)致漏選或誤選時(shí)，則動(dòng)態(tài)調(diào)用不平衡電橋法。該模式根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)用不平衡電橋法，更有效兼顧平衡電橋的快速性和不平衡電橋的容錯(cuò)性，提高了查找速度和容錯(cuò)水平?；谑录?qū)動(dòng)的自動(dòng)模式的校核邏輯流程如圖4所示。

圖4　基于事件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)模式

3.2基于歸謬法的校核

采用歸謬法進(jìn)行校核，即根據(jù)平衡電橋法求得的Rx，Ry反求Up，Un。首先假定所有支路接地電阻計(jì)算值為真，然后由計(jì)算出的接地電阻參與多接地支路等效計(jì)算Up，Un。若計(jì)算出的Up，Un和測量的Up，Un不同，則說明平衡電橋法未正確處理零漂電流。不平衡電橋法類似。

支路i正母負(fù)母對地電阻分別為Ryi，Rxi， i從1到n，其等效電路如圖5所示。

圖5　多接地支路等效電路圖

其中：負(fù)母對地總電阻Rx∑=Rx1//Rx2…Rxn//Rb1；正母對地總電阻。

根據(jù)圖5可以得：

Up=U·Ry∑/(Rx∑+Ry∑)

(5)

Un=-U·Rx∑/(Rx∑+Ry∑)

(6)

從式(5)和式(6)可知，當(dāng)某個(gè)支路接地電阻計(jì)算錯(cuò)誤，將導(dǎo)致計(jì)算的母線電壓與實(shí)測的母線電壓不同，說明支路存在電橋法無法準(zhǔn)確計(jì)算的特殊情況。采用歸謬法可對特殊情況起到告警作用。

4分布電容的在線監(jiān)測

4.1分布電容的測量方法

文獻(xiàn)[6]提出基于投切電阻來測量分布電容，但該方法受制于功率限制，無法對220kV變電站的分布電容進(jìn)行測量。本文采用注入低頻信號(hào)的方法。

有別于采用低頻信號(hào)查找接地電阻，查找接地電阻必須實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。而測量分布電容可以每月甚至每季度測量一次，其對直流的擾動(dòng)可以忽略。

4.2電流測量元件

目前測量微小直流電流和微小交流電流的TA是分開安裝，不僅占用屏內(nèi)空間，而且降低了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。本文提出一種微小交直流電流檢測TA，同時(shí)能檢測(AC/DC)微小電流信號(hào)。

交直流微小電流檢測TA中DC檢測采用的磁飽和原理和AC檢測采用的磁通感應(yīng)原理互斥，使用同線圈切換使用減少成本，如圖6所示。DC電流傳感器啟動(dòng)：K1合上，K2斷開，DC電流傳感器工作，可選擇PWM或ADC輸出。AC電流傳感器啟動(dòng)：K1斷開，K2閉合，AC電流傳感器工作。

圖6　交直流微小電流檢測框圖

4.3基于恒電阻電子電路的負(fù)載電路

文獻(xiàn)[7]提出由檢測電橋和修正電橋2個(gè)電阻組成的單臂電橋來減少母線電壓的變化，但該方法采用固定電阻值會(huì)導(dǎo)致適應(yīng)性差。

本文提出基于恒電阻電子電路的負(fù)載電路來平衡母線電壓，具有自適應(yīng)性。當(dāng)發(fā)生電壓母線偏移后，采用直流電子負(fù)載中的恒阻模式來改善電路，即通過調(diào)整通過電子的電流來達(dá)到恒阻模式，達(dá)到正母負(fù)母電壓平衡。恒電阻電子負(fù)載電路和效果如圖7所示。

圖7　恒電阻電子負(fù)載電路和效果圖

4.4母線電壓平衡控制

為快速平衡母線電壓，采用的控制策略如下。

(1)根據(jù)分布電容的大小，計(jì)算出實(shí)施控制的初始值。

(2)然后根據(jù)實(shí)際的電壓偏移水平實(shí)施精確的反饋控制，最終達(dá)到正母電壓和負(fù)母電壓平衡。

5結(jié)語

隨著微機(jī)絕緣監(jiān)測儀的廣泛應(yīng)用，直流故障在線診斷得以推廣，但直流系統(tǒng)接地時(shí)，絕緣監(jiān)測儀經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)或漏報(bào)。在誤報(bào)時(shí)，即同時(shí)選線多條疑似絕緣降低支路，容易誤導(dǎo)現(xiàn)場檢修人員排查故障，降低帶排查效率；在漏報(bào)時(shí)，因不能及時(shí)快速判斷和處理一點(diǎn)接地，從而惡化成多點(diǎn)接地造成保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

為了快速排查故障點(diǎn)，提高直流接地故障在線診斷的準(zhǔn)確性，采用差流法辨識(shí)零漂，動(dòng)態(tài)調(diào)用不平衡電橋方法兼顧了巡檢的快速性和容錯(cuò)性，并在線監(jiān)測分布電容、自適應(yīng)平衡母線電壓，均有效地提高了直流檢測準(zhǔn)確率。

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(本文編輯：趙艷粉)

Methods for Improving Substation DC Fault Detection Accuracy

SHENG Wei, LEI Xing, XU Nan, SUN Jie-yun, DONG Zhi-yun, LIU Gao-yuan

(MaintenanceCompany,ShanghaiMunicipalElectricPowerCompany,Shanghai201204)

Abstract:The inaccurate causes of DC grounding fault detection are analyzed, mainly including zero drift of the leakage TA, long switching time of dynamic invocation, and distributed capacitance. In view of the TA zero drift, the differential current algorithm is used to identify zero drift based on the unbalanced bridge, the grounding resistance and zero drift current are analyzed, and the corresponding maintenance plan is made. For long switching time of dynamic invocation, the fault characteristics are identified according to the logical relationship between state variables such as voltage, current and calculated value such as grounding resistance before and after the fault. Automatic inspection mode based on logic event driven is proposed. In view of the distributed capacitance of the system, the design of the micro AC and DC measuring element and the load circuit based on the constant resistance electronic circuit are designed, and the adaptive control of the bus voltage is realized.

Key words:grounding fault; zero drift; distributed capacitance; dynamic invocation

DOI：10.11973/dlyny201603005

作者簡介：盛煒(1983)，男，高級(jí)技師，主要從事超高壓繼電保護(hù)自動(dòng)化工作。

中圖分類號(hào)：TM63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)03-0287-04

收稿日期：2016-02-13