事件驱动型直流系统绝缘监测PSIM仿真研究

程玉凯，杨建波

（国网福建电力公司漳州供电公司，漳州 363000）

0 引言

变电站直流系统的负荷包括继电保护装置、通信装置、UPS 和事故照明等，是二次设备正常运行的重要保障.随着变电站规模的扩大，直流系统负荷数量越来越多，运行环境越来越恶劣［1］.直流系统因存在单点绝缘下降或接地必须及时处置，否则将出现两点或多点接地，导致保护装置误动或拒动［2］.正源于此，变电站内大多配置了绝缘监测装置，用于实时监测直流系统母线、支路对地绝缘状态，帮助运行人员及时发现和排除故障.

直流系统绝缘监测的原理主要有平衡电桥法、不平衡电桥法、电压监视法、低频注入法、漏电流法等［3］，这些方法各有优点和缺陷，单独采用其中一个方法均无法达到理想效果，因此有必要对这些方法进行优势整合，通过事件驱动方式，制定合理的控制策略，达到快速、准确监视绝缘状态的目的［4］.目前，越来越多的绝缘监测厂家放弃了低频注入法，因为该方法不但会造成直流电压波纹系数增大，而且由于分布电容的存在导致绝缘测量不准确.目前电桥法和漏电流法测量绝缘电阻已成为主流方式［5］.本文提出了一种依靠事件驱动的方式，在不同时间选择不同的方法，减少了正常情况下直流电压波动，加快了绝缘能力降低或接地情况下绝缘电阻的计算速度，提高了系统运行的稳定性和可靠性.

1 系统监视及绝缘电阻计算

1.1 系统监视

系统正常时，采用监视平衡电桥两端电压（即正负母线对地电压）的方式监测系统的状态，其原理如图1 所示.

图1 电压测量原理图

图1 中，R+、R-为正负极对地绝缘电阻，R为平衡桥电阻，U+、U-为平衡电阻两端的电压、U为正负极母线两端电压.

根据戴维南定理可得：

式（1）中有R+、R-两个未知数，无法求解.

用U表示正负母线之间的电压，满足下式：

联立式（1）和式（2）可得：

由式（3）可以看出，正负极母线对地电压与正负极母线间电压之比可以反映R+、R-的相对大小.当R+=R-时，=0.5；当R+>R-时，>0.5；当R+

1.2 母线绝缘电阻测量

对于母线绝缘电阻的测量，本文采用平衡桥和不平衡桥原理相结合的方式进行计算.其原理如图2 所示.

图2 母线绝缘电阻测量原理图

当开关S 在断开位置时满足式（2），当开关S 在闭合位置时，满足下式：

用U1+、U1-表示S 断开时，平衡电阻两端的电压，用U2+、U2-表示S 闭合时平衡电阻两端的电压.联立式（2）和（4）可得：

通过式（5）即可得到正负极母线绝缘电阻.

本方法通过断合开关S 得到平衡电桥和不平衡电桥两种接线方式下关于正负母线对地绝缘电阻的方程组，通过求解得到正负母线对地绝缘电阻大小.值得注意的是，开关S 断合会造成母线电压频繁波动，不利于直流系统的电压稳定［6］.

1.3 支路绝缘电阻测量

高精度直流互感器的应用使得支路绝缘电阻测量成为可能，其测量原理如图3 所示.

图3 支路绝缘电阻测量原理图

由图3 可知，当开关S 断开时，假设支路漏电流传感器测得的漏电流为ΔI1，则满足：

当开关S 闭合时，假设支路漏电流传感器测得的漏电流为ΔI2，则满足：

联立式（6）和式（7），得到

那么对于支路来说其对地综合等效电阻Rd可表示为：

由上式可知开关S 断开和闭合两个时间段内正/负电压变化量与漏电流变化量之比即为支路等效电阻.

多支路发生单极接地时，均可根据式（9）快速得到支路绝缘电阻值，因而式（9）也可作为判断支路是否发生绝缘下降或接地的参考指标.

2 事件驱动型绝缘电阻测量流程

直流系统的运行状态可分为三种：正常运行状态、绝缘下降状态和接地状态.这三个状态是可以互相转换的，系统运行过程中，母线或支路易出现老化或受潮的现象，正常运行状态转化为绝缘下降状态.此时若放任故障点继续存在，那么绝缘下降状态就会转换为完全失地状态.若此时现场人员找到故障点并成功隔离，系统就会由绝缘下降状态/接地状态恢复到正常运行状态［7-8］.

由式（3）可知，U+与U之比可以反映正负极母线绝缘电阻的相对变化，因此可以选择值的大小判断母线是否出现单极绝缘下降.

系统进入绝缘下降或接地状态后，首先应判断故障点出现在母线上还是在支路上.当支路上存在故障点时，典型特征为漏电流互感器电流出现较大变化.利用这一特征即可识别故障点的位置.若系统中有k条支路，那么每条支路漏电流用ΔI0k表示，其中k=1,2,3,⋅⋅⋅,n，当满足下式时，可以认为支路k存在故障点.

若规定了漏电流传感器正方向，则可以根据ΔI0k的正负判断支路故障点靠近正极还是负极.

仅单支路存在故障点时，绝缘电阻的计算结果可以按照式（8）或式（9）得到，多条支路均有故障点时，各支路绝缘电阻计算可以按照式（9）得到.

若支路漏电流ΔI0k未大于阈值，可以认定故障点在母线上，此时可以按照式（5）求得绝缘电阻的大小.

若此时求得的R+、R-均小于阈值RLJ+、RLJ-时，判断正负极母线绝缘同时下降/失地，反之，则报单极绝缘下降或失地.

事件驱动型绝缘电阻测量流程如图4 所示.

图4 事件驱动型绝缘电阻测量流程图

3 PSIM仿真

3.1 平衡电阻选择

变电站内直流系统电源是直流充电机和蓄电池，由于蓄电池长期处于浮充状态，蓄电池单节电压按照2.25 V，数量按照104 块计算，正常情况下正负母线间电压满足：U=234 V.绝缘正常情况下，正负母线对地绝缘电阻为100 kΩ.

U+>137 V 或U+<97 V

再根据式（3），可得

此时满足

R<70.18

即设置平衡电阻小于70.18 kΩ，此时当电压预报警后，启动母线绝缘电阻测量绝缘电阻大小满足报警的要求.平衡电阻选择过小容易导致绝缘下降影响运行，因此在工程实际中，一般选择20～50 kΩ为宜.

3.2 支路漏电流阈值选择

若选择平衡电阻R=50 kΩ，当支路正极对地绝缘电阻为50 kΩ，支路负极对地绝缘电阻为100 kΩ时，根据式（3）可得：

同理可得：

因而，漏电流可表示为：

由此可知，当支路单极绝缘电阻报警时，支路漏电流阈值应小于0.6686 mA，此时支路绝缘下降方可报警.

3.3 仿真平台搭建

在PMIS 仿真平台搭建仿真模型，基本参数如下：母线两极电压U=234 V，正负极母线对地绝缘电阻为100 kΩ，平衡电阻为50 kΩ，负极并列投切电阻为100 kΩ，投切周期为0.01 s.漏电流阈值为0.5 mA，支路数量为3，仿真时间为0.1 s.

电压监视模型如图5 所示.

图5 电压监视模型图

U1+与U2+的生成模型图如图6 所示.

图6 U1+与U2+的生成模型图

U1-、U2-、ΔI1、ΔI2也可通过图6 所示模型得到.

3.3.1 模拟单极母线绝缘下降

在0.05 s 时，负极母线绝缘电阻下降至40 kΩ，此时启动母线绝缘电阻计算模块.

正母线对地电压和负母线监测绝缘电阻波形如图7 所示.

图7 正母线对地电压和负母线对地绝缘电阻实时监测波形图

由图7 可知，0.05 s 负母线绝缘电阻下降后，负极并列电阻R0投入，正极母线对地电压出现波动，此时负极母线绝缘电阻测量值经过0.005 s 后，跟踪计算得到的母线绝缘电阻在40 kΩ 左右，该值与预设电阻值是一致的.

3.3.2 模拟多支路绝缘下降

在支路1 中设置0.5 s 时综合等效绝缘电阻由50 kΩ 降低为25 kΩ，在支路2 设置0.75 s 时综合等效绝缘电阻由50 kΩ 降低为25 kΩ，支路3 等效绝缘电阻不变，一直为50 kΩ.

3 条支路综合等效绝缘电阻实时监测波形如图8 所示.

图8 3条支路绝缘等效电阻实时监测波形图

如图8 所示，支路1 和支路2 综合等效绝缘电阻分别在0.055 s 和0.08 s 后下降为25 kΩ，支路3 综合等效绝缘电阻一直为50 kΩ.由此可知，采用式（9）可以实时准确地对各支路综合等效绝缘电阻进行监测.

4 结论

直流电源是变电站内重要的二次能源系统，其可靠运行是保障变电站设备正常运行的关键.本文提出的直流系统绝缘电阻监测方法优点在于，在直流系统正常运行时不必用高频开关的闭合构建不平衡桥，因而不会导致直流电压的波动.当直流系统出现绝缘故障时，首先识别支路和母线故障，通过不同方法快速求得支路或者母线对地绝缘阻值，展示了绝缘下降的程度，为现场人员查找故障点提供了可靠的参考.通过在PSIM 软件中搭建仿真模型，验证了所提方法的正确性和准确性.但需要指出的是，本文所提方法仍然有一定的局限性，即当直流系统两极同时下降且下降比例相差不大时，该方法不能进行有效识别，此问题的解决方案需要进一步的研究.