CN1023621C - 直流***接地故障的探测方法及探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流***接地故障探测方法及探测装置，特别适用于直流***具有很大分布电容的场合。利用在直流母线与地之间交替加入二个不同频率的低频电压信号，通过便携式电流探头探测各支路电流，由微机判别仪指示出二种频率电流的幅值和比值，决定故障线路和故障点，准确，可靠，方便。

Description

本发明涉及一种直流***接地故障的探测方法及探测装置，特别适用于直流***具有很大分布电容的场合。发电厂和变电站的直流***为其控制、保护、信号和自动装置提供电源，直流***的安全连续运行对保证发电供电有着极大的重要性。由于直流***为浮空制的不接地***，如果发生两点接地可能引起上述装置误动作跳闸停电，造成重大事故。因此当发生一点接地时就应准确迅速地在保证直流正常供电的同时检测出接地点，消除接地故障，避免因两点接地可能带来的危害。

近来，国内外对直流***接地故障的检测进行了很多研究并相继研制一些实用装置。例如在直流母线上加一低频信号源，然后用带有放大电路的钳形电流表检测母线上各支路的低频电流，当某一支路的电流增加，大于设定值时即认为该支路发生接地故障。与此相似的还有在直流母线对称对地的回路中利用断续器产生直流脉冲信号，利用探头检测各支路电流的磁场变化探测故障支路。还有利用微机控制对交流电流信号进行采样、处理、计算，给出接地电阻阻值或故障距离。

由于在大型变电装置直流***线路长分布广分布电容大使得上述检测电流不仅包含要检测的电阻性的故障电流而且还包含较大的电容电流，造成不易准确探测线路接地故障。为此，一些装置分别采用不同的措施力图解决由于较大线路分布电容存在所带来的问题。例如：检测探头设置补偿电容电流回路，比较检测电流相位及利用正、负直流回路电流的直流磁势补偿-助磁变换等，来提高检测的准确度和灵敏度。但上述装置或则需要在检测过程中反复调整，操作复杂影响 检测速度或则装置数量繁多***庞大。

本发明的目的是提出一种直流***接地故障线路和故障点探测的新方法和实用装置。本发明的方法和装置探测接地故障线路和故障点不受支路对地电容大小的影响，属于便携式探测装置，不需再在每条支路上加装传感器，能够准确探测到故障线路和故障点。

本方法由专用低频电压信号源在直流母线与地之间用定时切换的方式交替注入二个不同频率的低频电压信号，再利用专用电流探头（2）探测各支路的低频电流，通过比较各支路的二个低频电流信号的比值与幅值，可判别出接地支路和接地点。

该发明的原理是：

如图一，设支路对地电容为C，两个低频信号频率为f₁及f₂，且f₁＞f₂。在支路无接地故障时，流过该支路电容电流If₁，If₂为：

If₁＝2πf₁CU ……（1）

If₂＝2πf₂CU ……（2）

式中U为低频电压值

式（2）和（1）的比值为：

$\frac{I_{f_2}}{I_{f_1}}=\frac{{\mathrm{2\; \pi \; f}}_2\mathrm{CU}}{{\mathrm{2\; \pi \; f}}_1\mathrm{CU}}=\frac{f_2}{f_1}\mathrm{\dots \; (3)}$

该比值由所加电压信号的频率决定的，是一设定的常数。

当该支路经Rk电阻接地时，该支路接地电流为：

$I^{＇}{}_{\mathrm{f\; 2}}=\sqrt{(\frac{U}{R_k}{)}^2{\mathrm{+\; (2\; \pi \; f}}_2\mathrm{CU\; )}{}^2}\mathrm{\dots \dots （5）}$

这二个电流的比值为：

$\frac{I^{＇}{}_{f_2}}{I^{＇}{}_{f_1}}=\frac{\sqrt{(\frac{U}{R_k}{)}^2{\mathrm{+\; (2\pi \; f}}_2{\mathrm{CU)}}^2}}{\sqrt{(\frac{U}{R_K}{)}^2{\mathrm{+\; (2\pi f}}_1{\mathrm{CU)}}^2}}$

$=\frac{f_2}{f_1}·\frac{\sqrt{(\frac{1}{f_2}{)}^2{\mathrm{+\; (2\; \pi R}}_k{\mathrm{C)}}^2}}{\sqrt{(\frac{1}{f_1}{)}^2{\mathrm{+\; (2\pi \; R}}_k{\mathrm{C\; )}}^2}}\mathrm{\dots \dots (6)}$

因f₁＞f₂

所以( 1/(f2) )²+（2πRkC）²＞

( 1/(f₁) )²+（2πRkC）

这样得到：

即支路接地时，低频电流If₂与If₁之比值变大，变大的数值由该线路对地电容，接地电阻及频差大小决定。通过故障时电流比值 与正常时的 相比较，可以分辨出接地支路，解决了支路对地电容大时，难于探测到接地支路的困难。

当直流***对地电容很小时，则可以直接利用探测电流幅值大小决定故障线路。

当检测到接地故障支路后，沿着支路逐级测量低频电流信号，当检查到电流信号幅值突然变小，该相应的点即为故障点。根据该方法提出的一种接地故障探测装置为能适应不同的直流***和不同的接地电阻，低频信号电压幅值应能在2-40伏内可调，第一低频信号频率在10-20Hz，第二低频信号频率在20-40Hz范围内可调。以下结合附图对本探测装置实施例作详细说明，其中：

图一.装置结构示意图

图二.专用低频信号源方框图

图三.便携电流探头方框图

图四.微机判别仪方框图

图五.专用低频信号源原理简图

图六.便携电流探头原理图

图七.探测接地故障软件逻辑框图

依据本方法制成的新型装置由三部分组成，分别是：专用低频信号源（1）、专用便携电流探头（2）及微机判别仪（3）。专用低频信号源由正弦波发生器（4）、（5）及定时切换电路（6），电压功率放大电路（7）、变压器及电容耦合电路（8）组成，由（9）（10）、（11）输出端输出，分别接直流正母线、直流负母线及大地。图五中的F是功率放大器，A是毫安表，V是电压表。等电位的低频信号同时加在正、负直流母线上，可降低交流信号在直流***中产生的纹波。

专用便携电流探头（2）由钳形电流表（12）、电容补偿电路（13）、小信号放大电路（14）组成。由探头检测到的信号由屏蔽电缆（15）送入微机判别仪（3）。补偿电路（13）的二个电容C₃、C₄同极性接电阻R₄二端，放大器输入端二极管其作用是限幅和保护。元件参数的选择由探头特性、电容、电阻匹配情况决定。该补偿电路是补偿钳形电流表的激磁阻抗。

微机判别仪（3）由模拟信号处理、计算机***及电源三部分组成。由专用便携电流探头（2）输入的信号，经带通滤波器（16）、（17）滤波，经二极放大电路（18）、（20）放大后输入模数转换器（21），其中（19）是放大量程切换电路。计算机***由MCS-51单片机（23），程序存贮器（24），数据存贮器（25），并行接口（26），数码显示器（27），开关量输入电路（28），指示灯（29）及模数转换器（21）相连的接口电路（22）组成。电源部分由蓄电池充电器（30）、蓄电池组（31）、稳压器（32）组成，达到便携及再充电之功能。

整个***的工作过程是当直流***发生接地故障后投入信号源（1），然后用电流探头（2）及微机判别仪（3）依次逐级检测各支路，用电流比值的方法找出接地支路，再沿故障线用电流幅值突变的办法找到故障点。比值和幅值由数码管（27）显示。

图七是软件逻辑框图。软件有自检及运行二种功能。自检可以检查数码管、程序存贮器、数据存贮器、A/D转换功能、信号源频率。运行状态有显示幅值及比值之功能。功能控制由开关量状态控制，其关键在于进入运行状态后，通过对采样数据处理、计算，区分两种不同频率之采样值，经软件滤波及计算显示二个信号之比值及幅值。

本发明和装置的优点在于利用比值可以解决支路对地电容较大的直流***，利用幅值之大小可以解决支路对地电容较小的直流***接地故障和寻找故障点。便携式电流探头和微机判别仪由蓄电池供电，体积小，便于携带，准确、灵敏，不需在各支路安装传感器，造价低。

Claims (7)

1、一种直流***接地故障的探测方法，采用在直流母线与地之间施加两个低频电压信号，用便携式电流探头探测各支路对施加两信号反应的方法来检测故障支路，其特征在于：首先在直流母线与地之间交替施加频率f₁大于频率f₂的两个低频电压信号，再利用便携式探头检测母线上各支路对所施加的两个低频电压信号产生的电流I_f1和I_F2，用微机判别仪比较各检测支路对两个不同频率信号反应电流的比值，即较低频电流I_f2和较高频电流I_f1的比值，在检测得到的比值中，比值大的支路可判为接地支路；沿接地支路探测，当探测到反映电流突然变小时，对应的探测点为接地故障点；查寻时上述过程逐层进行。

2、根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：交替施加的两个低频电压信号，其电压范围在20～40V，频率范围f₁为20～40Hz，f₂为10～20Hz。

3、根据权利要求1所述的探测方法，其特征在于：探头检测的电流信号要经过带通滤波，放大，A/D模数转换处理后再送入微机判别仪（3）进行判别。

4、一种按照权利要求1所述方法制成的探测装置，其特征在于：装置由可交替产生两种不同频率的低频电压信号源（1），便携式探头（2），微机判别仪（3）三部分组合构成。

5、根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于：所述的便携式电流探头（2）由钳形电流表（12）、电流补偿电路（13）和放大电路（14）串联构成。

6、根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于：所述低频电压信号源（1）有两个低频电压信号源（4）和（5），（4）和（5）并联于自动切换电路（6）的输入端，（6）的输出端依次串接电压及功率放大电路（7）、变压器和电容输出电路（8）。

7、根据权利要求4所述的探测装置，其特征在于：所述微机判别仪的输入信号硬件处理电路主要包括带通滤波器（16）、（17）、放大器（18）、（20）、模/数转换器（21）、接口（22）、（26），微机部分有单片机（23）、程序存储器（24）、数据存储器（25）。

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