電力系統(tǒng)中直流接地檢測的設(shè)計(jì)
哈爾濱九洲電氣股份有限公司 于志亮 徐龍輝 趙書強(qiáng)
摘要： 本文主要介紹在電力系統(tǒng)中如何使用直流接地檢測的方法去檢測母線和支路是否有接地故障，并且準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻大小。該方法是將直流母線的正、負(fù)兩極通過平衡電橋和非平衡電橋的兩個(gè)電阻接地，從而將直流系統(tǒng)的總電壓分別完全施加于這兩對（或一對）電橋上，根據(jù)歐姆定律，利用采集到的正、負(fù)母線電壓和電橋的兩個(gè)電阻值建立一個(gè)二元一次方程組，從而得到母線接地電阻；同時(shí)，在每一個(gè)供電支路上都裝置一個(gè)霍爾電流傳感器，讓所有支路的正負(fù)電纜分別穿過霍爾傳感器，根據(jù)傳感器對漏電流的檢測，來判斷支路接地故障點(diǎn)，并根據(jù)傳感器檢測到的漏電流值和采集到的母線電壓值，便可以計(jì)算出供電支路的接地電阻值。與傳統(tǒng)的交流檢測法相比，該方法對直流系統(tǒng)無任何不良影響；不受分布電容的影響，檢測的精度和靈敏度較高；不需要交流信號(hào)發(fā)生裝置，降低了產(chǎn)品成本，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)的難度，大大縮短了開發(fā)的周期。
關(guān)鍵字： 電力系統(tǒng)；直流接地檢測；電橋
引言
發(fā)電廠中的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、信號(hào)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(bǔ)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(gè)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(diǎn)接地故障時(shí)，一般情況下是不會(huì)立即產(chǎn)生危害性后果，但是，若發(fā)生兩點(diǎn)或多點(diǎn)同時(shí)接地， 則可能造成信號(hào)裝置、控制回路和繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)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(diǎn)或多點(diǎn)長時(shí)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(bào)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(jì)算的方法，希望讀者可以根據(jù)自己的應(yīng)用背景去選擇適合自己的方案。
方案論證
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(gè)交流信號(hào)，利用交流電流傳感器去檢測漏電流，從而計(jì)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(hào)的幅值和頻率，這就使得交流信號(hào)源電路變得較為復(fù)雜，也增加了交流信號(hào)源設(shè)計(jì)的難度，同時(shí)檢測交流信號(hào)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(gè)交流信號(hào)，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(shí)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(bào)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(shí)接地或支路既正接地同時(shí)也負(fù)接地的時(shí)候，系統(tǒng)一般很難準(zhǔn)確的檢測出接地情況，并準(zhǔn)確計(jì)算出接地電阻值，在這種情況下，筆者提出兩種解決方案，根據(jù)讀者不同的應(yīng)用背景，可以適當(dāng)?shù)倪x擇不同的方案。
方案1：
說明：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(gè)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(diǎn)為漏電流傳感器輸出點(diǎn)。
在系統(tǒng)中，我們實(shí)時(shí)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(diǎn)的電壓值，根據(jù)這三個(gè)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。
分析：
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(diǎn)接地時(shí)，U+的絕對值會(huì)減小，U-的絕對值會(huì)增加；當(dāng)負(fù)母線接地或支路A、C點(diǎn)接地時(shí)，U+的絕對值會(huì)增加，U-的絕對值會(huì)減小，從而我們可以得出母線接地情況；根據(jù)M點(diǎn)的電壓值（當(dāng)沒有接地時(shí)，電壓接近零伏；正接地時(shí)，輸出正電壓；負(fù)接地時(shí)，輸出負(fù)電壓。），我們便可獲知是哪個(gè)支路接地和其接地極性，
2、 接地電阻值計(jì)算：由M點(diǎn)的電壓Vm，我們可以計(jì)算出漏電流的大小Im（不同支路的霍爾漏電流傳感器，M點(diǎn)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
A、 R=U+/Im，當(dāng) < 時(shí)；
B、 R=U-/Im，當(dāng) > 或 = 時(shí)；
根據(jù)歐姆定律，母線接地電阻為
A、 ，當(dāng) < 時(shí)；
B、 ，當(dāng) > 時(shí)；
C、 ， ，當(dāng) = 且有接地時(shí)；
在C種情況下，當(dāng)兩母線同時(shí)接地且對地電阻同比例減小時(shí)，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(jì)算出接地電阻值，但是在實(shí)際開發(fā)中是不可實(shí)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(shí)接地且對地電阻同比例減小時(shí)，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：
說明：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(diǎn)為漏電流傳感器輸出點(diǎn)。
分析：
1、 接地極性判斷：同方案1；
2、 接地電阻值計(jì)算：由M點(diǎn)的電壓Vm，我們可以計(jì)算出漏電流的大小Im（不同的霍爾漏電流傳感器，M點(diǎn)的電壓和支路電流有不同的對應(yīng)關(guān)系）。當(dāng)計(jì)算支路電阻時(shí)，選擇R1、R2電橋，斷開R3、R4電橋，即可得出支路電阻為
a) R=U+/Im，當(dāng) < 時(shí)；
b) R=U-/Im，當(dāng) > 或 = 時(shí)；
根據(jù)歐姆定律，計(jì)算母線接地電阻值，假設(shè)正接地電阻為Rx+、負(fù)接地電阻為Rx-。
首先，選擇R1、R2電橋，斷開R3、R4電橋，檢測正負(fù)母線電壓U1+，U1-，即可得到方程1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-，即可得到方程2為 ；
.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
如圖3所示，該設(shè)計(jì)大致可分為：采集部分、電橋選擇部分、通訊部分、顯示部分、報(bào)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(diǎn)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(jī)，且同時(shí)實(shí)時(shí)在顯示模塊上顯示并根據(jù)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。
圖4
結(jié)論
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(diǎn)，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(shí)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)用前景。
本文介紹的方案，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。
A DESIGNED OF GROUND TESTING IN POWER SYSTEM
Abstract ： This paper describes that in the power system how to use DC testing methods to detect whether there is a bus or slip fault, and accurately calculate the value of the ground resistance. The method is that the positive and negative of the DC bus through the balance bridge and the non-equilibrium bridge connect to the ground, thus the whole voltage were imposed directly on current system by all of these (or a) bridges, according to Ohm's law, used to collect the voltage of the positive and negative bus and the two resistance values of the bridge, to establish a Equations, then get the value of the grounding resistance; At the same time, in every slip on the power supply devices has a Hall current sensor, so that all the wire of the positive and negative slip through the Hall sensor, respectively, according to the leakage current which the sensors detect, can determine the slip fault, and in accordance with Sensors detected the leakage current value and acquisition value to the bus voltage, we can calculate grounding resistance value of the slip. With the traditional detection method, the method of DC system without any adverse impact from the impact of capacitance, detection accuracy and sensitivity is higher, and does not need a signal device and reduce the cost of the product, but also reduces design The difficulty, greatly reducing the development cycle.
Keyword ： Power systems; DC grounding detection; Bridge
