基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统研究

基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统研究

   ,梁兵钰

四川圣达水电开发有限公司   四川省乐山市 614800

摘要：近年来，我国的直流系统瞬时接地检测系统有了很大进展，在具有架空线路的直流工程中均配置有直流滤波器，用以改善直流系统运行性能，保证邻近通信系统通信质量。基于换流站直流滤波器本体结构，对直流滤波器本体结构进行讨论，其次基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统研究，最后就应对处理措施进行研究，以供参考。

关键词：直流系统；故障录波；瞬时接地；绝缘监测

引言

在电力系统中，直流系统为通信、监控设备、继电器保护装置提供稳定可靠的直流电源。目前，变电站直流系统的接地故障依赖于绝缘监测装置进行监测，多采用平衡桥加切换桥的方式。现有的便携式接地查找仪在这种情况也无法起到接地查找作用，而使得接地查找无从下手，影响电力系统供电可靠性。综上所述，设计一种基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统，通过采集瞬时电压电流波形，实现直流系统瞬时接地故障监测。

1直流滤波器本体结构

在电路原理及元件组成上，换流站直流滤波器与交流滤波器其实是相同的，均通过电容、电抗及电阻等元器件的不同组合来形成谐振回路，从而滤除相应的谐波分量。目前，在已投运的直流工程中，较常见的为具有或不具有高通特性的单调谐、双调谐和三调谐无源滤波器，其它型式的直流滤波器仅应用于个别直流工程。

2基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统

2.1瞬时接地故障类型判断

直流电源系统发生瞬时接地的故障类型分为正极瞬时接地故障和负极瞬时接地故障，故障过程包括故障发生阶段和故障复归阶段。当发生负极瞬时接地时，在故障发生阶段，正极对地电压受系统电容的作用会逐渐上升直到稳定，最终稳定的电压值由平衡桥电阻值与发生的瞬时接地电阻值以及接地的时间而决定。在故障复归阶段，正极对地电压受系统电容的作用会逐渐下降直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值决定。当发生正极瞬时接地时，在故障发生阶段，正极对地电压因为系统电容的作用会逐渐下降直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值与发生的瞬时接地电阻值以及接地的时间而决定。在故障复归阶段，正极对地电压因为系统电容的作用会逐渐上升直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值决定。若系统电容为0，正极对地电压或负极对地电压会马上达到稳态值；否则正极对地电压或负极对地电压则按照指数曲线的方式进行变化直到稳态值。因此，发生正极瞬时接地故障时，母线电压变化特征：正极对地电压的变化过程是先下降再上升，负极对地电压是先上升再下降；发生负极瞬时接地故障时，正极对地电压的变化过程是先上升再下降，负极对地电压先下降再上升。通过监测正负极母线对地电压是否发生突变和电压复归，判定是否发生瞬时接地故障，再通过正负极母线对地电压的变化趋势区分瞬时接地故障的类型，实现瞬时接地故障的监测。

2.2故障蓄电池在线隔离

基于“二极管＋保护电路”技术，开发了故障蓄电池在线隔离模块。当蓄电池单体劣化导致内阻异常增大乃至开路反极故障时，通过并联该模块，隔离故障电池，快速形成续流通道，有效保证蓄电池组的持续供电。模块内部主要由单向导通二极管、可恢复保险及过压抑制器组成。二极管反方向并联于蓄电池两端，蓄电池正常运行时，二极管Ｋ端电压高于Ａ端，处于断开状态，对蓄电池正常运行无影响，在蓄电池开路或极性反转时，二极管Ａ端电压高于Ｋ端，二极管自动导通，短接故障蓄电池，从而保证直流母线供电连续性。二极管容量应满足变电站实际负荷需求，并考虑一定的容量裕度；串联可恢复保险，避免过流造成电子器件损坏；在二极管两端并联过电压抑制器，防止瞬间过压造成电子器件管体击穿。模块启动隔离后，可通过报警节点将实时信息传至系统总监控后台。为保证故障蓄电池隔离后蓄电池组电压能满足负荷正常需求，单个模块最大隔离电压一般不宜超过12V。

2.3瞬时接地故障录波监测

在绝缘监测装置上引入故障录波，实现故障录波关键在于故障时刻点的判断以及启动录波采集数据任务。利用绝缘装置现有的硬件架构及接口，通过绝缘装置对母线电压的监测实现故障时母线对地电压变化曲线的录波功能，通过安装在馈线支路上的电流互感器对支路电流的突变进行故障录波。根据装置记录的数据波形，可以快速找到故障点位置。理想情况下，直流电源系统无交流成分，当发生交流窜入时，直流系统会存在50Hz的交流信号，根据奈奎斯特采样定理，绝缘装置的故障录波功能采样频率不能小于100Hz。为了满足10ms瞬时接地故障的检测，数据采集间隔必须小于10ms的采样间隔，即10Hz的采样频率。监测系统对母线对地电压进行缓存，监测到漏电流特征信号后判定瞬时接地故障。

2.4判据智能录波及分级告警

此处开发了多判据智能录波模块，用于直流电源系统异常时间段对重要数据进行针对性录制存储，为事故分析提供数据支撑，并根据故障严重程度，智能分级告警。采用多片24位高精度模数转换器并行采样和电容隔离技术，保证高精度数据采集和信号完全隔离；综合多判据启动条件，对直流母线过／欠压、直流母线对地电压异常、交流窜入直流母线、充电装置交流输入过／欠压、缺相、停电、蓄电池组电流异常、直流负荷电流波动等故障情况均可启动录波。系统正常运行时，可同时对充电装置两路交流输入的三相电压、蓄电池组电压／电流、控母／合母电压、负荷电流、正／负直流母线对地电压等重要运行参数进行实时采样和缓存，实时查看运行数据波形。一旦监测到信号异常，即可立即保存当前缓存内容并启动录波，连续记录指定时间数据。模块可与全站系统时钟同步，保证数据的时效性。可通过ＵＳＢ接口和网络接口将录波数据导出到Ｕ盘或电脑，也可通过网络接口或ＲＳ485接口连接到系统后台监控系统。

3应对处理措施

误动原因确定后，提出以下3种解决方案：1）按国内习惯加装重动继电器对相关开入量进行重动。该方案需在屏内加装多个重动继电器，接线复杂，且屏内空间有限，可行性较低。2）提高VersaMaxI/O模块的动作电压。该方案需在屏内更换多个VersaMaxI/O模块，软硬件改动很大，接线复杂，可行性较低。3）采取软件抗干扰的方式，即修改控制保护逻辑，对相关非电气量开入进行100ms延时确认，该方案改动最小，便于实施，可行性较高。通过对比，现场按方案3）对串补控制保护软件进行了升级。升级后经多次人工110V直流接地故障考验，串补控制保护装置均能可靠躲开直流接地时电容充放电形成的开入脉冲，再未出现误动现象。

结语

换流站直流滤波器在结构上由电容、电抗和电阻等元器件组成，因此接地故障点位于不同位置时，故障点两侧势必会呈现不同的电气特性。结合容性元件与感性元件对直流电流的通断特性以及直流保护的动作情况，可以推断出各典型接地故障点在故障过程中对直流电流的影响，从而绘制出故障电流回路，为直流滤波器故障特征分析及保护动作分析提供理论基础。此外，分析结果对于迅速排查设备故障原因及分析较为复杂的接地故障过程也具有一定的借鉴意义。

参考文献

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[3]全杰雄,禤海贞,吴志宇,等.变电站直流系统绝缘监测现状分析及改进[J].电工技术,2017(6):104-105.