一种矿井直流供电系统漏电检测方法.pdf
第 4 1 卷 第 5期 2 0 1 5年 5月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o m a t i o n Vo 1 . 4 1 NO . 5 M a y 2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 5 0 0 6 3 0 5 DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 x . 2 0 1 5 . 0 5 . 0 1 6 王茗 , 李威 , 杨海. 一种矿井直流供 电系统漏电检测方法[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 5 6 3 6 7 . 一 种矿井直流供电系统漏电检测方法 王茗 , 李威 , 杨 海 中国矿业大学 机 电工程学院, 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 针 对 传统 的接 触 网直 流供 电 系统 漏 电检 测 方 法 中存在 检 测 死 区 、 母 线 对地 电压 偏 离度 过 大等 问 题 , 提 出了一种 基 于平衡 电桥 法与切 换 电桥 法 的新 型漏 电检 测 方 法 ; 分析 了该 方 法的检 测原 理 , 从 降低 母 线 对地电压偏 离度的角度 出发 , 建立了平衡 电阻与切换 电阻的计算模 型。S i mu l i n k仿真结果表 明, 该方法能 够很 好 地 降低 母 线对 地 电压 的偏 离度 , 提 高 了供 电 系统 的稳 定性 。 关 键 词 直流供 电 系统 ;漏 电检 测 ;平衡 电桥 法 ;切 换 电桥 法 ;电压 偏 离度 中图分 类 号 TD6 1 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 4 3 0 0 8 4 3 网络 出版 地址 h t t p / / www. c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 5 0 4 3 0 . 0 8 4 3 . 0 1 6 . h t ml A k i nd o f l e a ka ge d e t e c t i o n me t ho d o f mi n e DC p o we r s up p l y s y s t e m W ANG M i n g,LI W e i , YANG H a i S c h o o l o f M e c h a t r o n i c En g i n e e r i n g,Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6,Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f pr o bl e m o f t r a d i t i on al l e a ka ge d e t e c t i o n me t ho d o f DC p owe r s up pl y s ys t e m i n 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 - 3 1 ; 修回 日期 2 0 1 5 - 0 3 1 3 ; 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 国家 高技术研究 发展计 划 8 6 3计划 项 目 2 0 1 3 AA0 6 A4 1 1 。 作者简介 王茗 1 9 9 0 一 , 男 , 浙江淳安人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为直流系统及漏电检测系统开发 , E - ma i l wa n g m一 2 0 1 3 1 6 3 . c o m。 [3] [4] [5] [ 6] [ 7] [ 8] H U C H ,LAI C H ,YANG W R,e t a 1.St ud y o f a c o n t a c f l e s s p o we r t r a n s mi s s i o n s y s t e m [ C] / / I E E E I nt e r na t i on a l Sy m p os i u m o n I n dus t r i a l El e c t r on i c s , Ca m b r i dg e, 2 00 8 29 3 2 98 . 1 0 E me r g i n g T e c h n o l o g i e s 2 0 0 8[ E B / O L] .h t t p / / www.t e c h n o l o g y r e v i e w. c o m/ s p e c i a l r e p o r t s / s p e c i a l r e p o t e r . a s p x i d 2 5 . M a r c h / Ap r i l ,2 0 0 8 . ES SER A ,SKUDELNY H C.A ne w a ppr oa c h t O p o we r s u p p l y f o r r o b o t s [ C ] / / C 0 n f e r e n c e R e c o r d o f t he 1 99 0 I EEE I ndus t r y App l i c a t i ons So c i e t y Annu a l M e e t i ng, Se a t t l e, 19 90 1 25 1 1 25 5. MANOLAT0U C, KHAN M J, FAN S h a n h u i , e t a 1 . Co u p l i n g o f mo d e s a n a l y s i s o f r e s o n a n t c h a n n e l a d d _ d r o p f i l t e r s [J] . I E E E J o u r n a l o f Qu a n t u m El e c t r oni c s, 19 99, 3 5 9 1 32 2 1 331 . HI RAI J J ,KI M T W ,KAW AMURA A.Wi r e l e s s t r a ns mi s s i on of po we r a n d i n f or m a t i o n f or c a b l e l e s s l i n e a r mo t o r d r i v e [ J ] .I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o we r El e c t r o n i c s , 2 0 0 0 , 1 5 1 2 1 2 7 . KARAL I S A, J OANNOPOULOS J D. M ARI N S . E f f i c i e n t wi r e l e s s n o n r a d i a t i v e e n e r g y t r a n s f e r [ J ] . [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 3 [ 1 4 ] [ 1 5 ] An n a l s o f P h y s i c s ,2 0 0 8,3 2 3 1 3 4 4 8 . KURS A , KARALI S A , M 0FFATT R , e t a1 . W i r e l e s s p ower t r a ns f e r v i a s t r on gl y c ou pl e d ma g ne t i c r e s o n a n c e s [ J ] .S c i e n c e , 2 0 0 7 , 3 1 7 6 8 3 8 6 . 傅文珍 , 张波 , 丘东元 , 等. 自谐 振线 圈耦合 式 电能无 线传输 的最大效 率分 析与设 计 [ J ] . 中 国电机工 程学 报 , 2 0 0 9 , 2 9 1 8 2 1 - 2 6 . QI ANG H ,HUANG X L,TAN L L,e t a 1 .S t u d y o n t o pol o gy d e s i g n o f wi r e l e s s p owe r t r a ns f e r f or e l e c t r i c v e h i c l e b a s e d o n ma g n e t i c r e s o n a n c e c o u p l i n g [ J ] .Ad v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h ,2 0 1 1 , 3 0 8 3 1 0 1 00 0 1 OO3 . 黄学 良, 吉青 晶, 谭林林 , 等. 磁 耦合 谐振式 无线 电能 传输 系统 串并 式模 型研 究 [ J ] . 电工技 术学 报 , 2 0 1 3 , 2 8 3 1 7 l 一 1 7 7 . 张建伟. 电动汽车电磁感应充 电耦合方式与 效能研究 [ D] . 广州 华南 理工 大学 , 2 0 1 3 . 付子义 , 王强 , 拜娟娟 . 无接触变压器补偿方 法及性能 分析 [ J ] . 河 南 理 工 大 学 学 报 自然 科 学 版 , 2 0 1 1 , 3 0 5 5 8 5 5 8 9 . GR O VE R F W.I n d u c t a n c e C a l c u l a t i o n s [ M] . Ne w Yo r kCo ur i e r Dov e r Pub l i c a t i on,2 00 4 88 ~ 9 3 . 6 4 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 ov e r h e a d l i ne s y s t e m t h a t i t ha s d e t e c t i o n d e a d z o ne a nd bi g v o l t a g e d e v i a t i o n be t we e n bu s a nd g r oun d,a n e w ki n d o f l e a k a ge d e t e c t i on me t ho d ba s e d o n ba l a nc i ng b r i dg e me t ho d a n d s wi t c hi n g br i d ge me t h od wa s p r o po s e d.De t e c t i o n pr i n c i p l e o f t he me t ho d wa s a na l y z e d a nd c ompu t a t i on a l mo de l of ba l a nc i ng r e s i s t or s a nd s wi t c hi n g r e s i s t o r s we r e e s t a bl i s he d f r o m t he p e r s pe c t i ve o f l o we r i n g v ol t a ge d e v i a t i o n be t we e n b us a nd gr o un d. Th e Si m ul i n k s i mul a t i on r e s u l t s s ho w t ha t t he ne w m e t ho d c a n r e d uc e v o l t a g e d e v i a t i on b e t we e n bu s a nd gr o un d,a nd i m p r ov e s t a bi l i t y o f t he p owe r s ys t e m . Ke y wo r d s DC po we r s upp l y s ys t e m ;l e a k a ge d e t e c t i o n;b a l a n c i n g br i d ge m e t ho d;s wi t c hi ng br i d ge me t h o d;v o l t a g e de v i a t i o n 0 引言 不存在 检测 死 区 , 对 系统 电压 的影 响也 比较 小 。 接触 网直 流供 电系 统正 常 工作 的时候 , 不会 在 绝缘 电阻 上产 生漏 电流或 漏 电流较少 。但 受潮 湿 的 空气 、 温度 变化 导 致 的热 胀 冷 缩 及 灰尘 、 绝 缘 老 化 、 人 为 损 毁 等 因 素 的 影 响 , 绝 缘 电 阻 的 阻 值 会 下 降[ 1 , 从 而 引入较 大 的泄 漏 电 流 , 可 能 引起 信 号 回 路、 控制回路、 继电保护装置等 的误动作 , 甚至引发 严重 的 电力 系统事 故_ 】 ] 。 目前 常 用 的漏 电检 测方 法 有 绝缘 检 测法 、 低 频 小 信号 注 入 法 以及 霍尔 磁 式 平衡 检 测 法l_ 2 ] , 绝 缘检 测法 又分 为平衡 电桥法 与切换 电桥法 。这些方 法都 存在 一定 的缺 陷 平 衡 电桥 法无 法检 测 正 负 母 线对 地绝 缘 电阻均 下降 的情况 , 存 在检测 死 区r 3 ] ; 切 换 电 桥法 容易 拉偏母 线 对 地 电压 , 导 致继 电保 护 装 置误 动作 _ 4 ] 。低 频小 信号 注入法 受对 地分 布 电容 的影 响 较大 , 且因为外加交流信号, 使得直流系统的电压纹 波 系数增 大_ 1 ] 。霍尔 磁式平 衡检 测法 存在严 重 的 温 漂 和零漂 问题 , 影 响测量精 度 _ 2 ] 。另 外 , 目前 国 内只 有神 华神 东煤 炭集 团公 司在煤 矿矿 井运 输系统 中引 入 了无轨 电车 的形 式 , 故 还 没 有 针对 煤 矿 井 下 无轨 电车运输 系统 漏 电 流 检测 的 同类 产 品 。为此 , 研制 一 种 检测 原理 先进 、 故 障定位 迅速 、 检测 精度 高 的直 流 系统漏 电检 测装 置具 有重要 的现 实 意义 。 由于接 触 网直流 供 电系统 的电 压较 高 , 其 实 验 成本 也 比较 高 , 且存 在很 大 的安全 问题 , 而通 过计算 机仿 真分 析具 有经 济 、 方 便 、 安全 和组态 灵活 等 突出 优 点 , 在 产 品开发 前 期 能很 好 地 指 导 系统 的参 数设 置 和系统 调试 。因此 , 本 文 采用 S i mu l i n k软 件 构 建 了基于平 衡 电桥法 与切 换 电桥法 的新 型漏 电检测 装 置 的仿 真模 型 , 利用 图形 用 户 界 面 G UI 构 建 了仿 真界面并进行 了联合仿真 ; 观察并记录了不 同绝缘 状 态下 , 接触 网直 流 供 电 系统 母 线 对地 电压 及 漏 电 流 的大小 。仿 真结 果 表 明 , 新 型 漏 电检测 方 法 能 精 确 地测量 正 负母线 对 地 漏 电阻 和漏 电流 的大 小 , 且 1 漏 电检 测原 理 新 型漏 电检 测方 法结 合 了平 衡 电桥法 与切换 电 桥法 , 通过 构建 2种 不 同的 电桥 状 态 并 实 时获 取 母 线对 地 电压 , 联 立方 程 组 求解 出母 线 对 地 电 阻 的大 小 , 进 而得 到母 线 对 地漏 电流 的 大小 。在 构建 电桥 电路时, 通过合理选择电阻大小 , 可以将母线 电压对 地偏 离度 控制在 规定 范 围 内。漏 电检 测 原理 如 图 1 所示 。 I . Z-_ 廿 /- / --t电压 测 量 卜 - R l - I I I - 电压测量 卜 图 1黼 电检 测 原 理 图 1中 , R 为 正对 地绝缘 电阻 , R 为负对 地绝 缘 电阻 ; R , R 。为平 衡 电阻 且 R 一R ; R 。 , R 为切 换 电阻且 R。 一R 。通过 控制 开关 K , K , K。 , K 的 开 闭 , 分别 向系统投 入平衡 电阻与切 换 电阻 ; 通 过测 量正 对地 电压 与负 对 地 电压 , 利 用基 尔 霍 夫 电流定 律联 立方 程组 , 即可 解 出绝 缘 电阻 的大小 _ 5 ] , 进 而 可 以通过欧姆定律计算出系统漏 电流的大小 。 2漏 电检测 计算 模型 母线 对地 泄漏 状态 可 以分 为 2类 ① 单极 母线 绝缘 泄漏 , 即正母 线 负母 线 对地绝 缘 良好 , 而负母 线 正母 线 对 地 绝 缘 下 降 ; ② 双 极母 线 绝 缘 泄 漏 , 即正负母 线对 地绝 缘均 下降 。下 面分 2种情 况予 以 讨论 。 2 . 1 单极母 线 绝缘 泄漏 假 设 正对 地 绝缘 下 降 , 此 时 负母 线 对地 绝 缘 电 2 0 1 5年 第 5期 王茗 等 一 种矿 井直流供 电 系统 漏 电检 测 方 法 6 5 阻可 忽 略 。以 图 1 为 例 , R 下 降 时 , 闭合 K , K。 , 打 开 K 。 , K , 其 等效 电路 如 图 2 所 示 。 图 2正 泄 漏 等 效 电路 在平衡 电桥状态下 , 根据 基尔霍夫 电流定律 , 可得 R f I R一 R 1 1 z 2 、 式 中 R ----R 一R; U , U 为 正负母 线 对地 电压 。 令母 线 间 电压 U 一U 一U , 可 得 投 入 平 衡 电 阻 时正 对地 电压 偏 离额 定 值 U / 2 的 范 围 £ 以及 此 时 的漏 电流 l U N u w l R ⋯ 一 一 一 2 Rz R k z U R / / Rz 1 一 UN 3 根 据 D L / T5 0 4 4 -- 1 9 9 5 火 力 发 电 厂 、 变 电 所 直 流系 统设 计技 术 规定 , 动 力 系统 的直 流母 线 电压 应 为直 流 系统 额 定 电压 的 8 7 . 5 ~ 1 1 2 . 5 6 ] , 即 £ ≤ O . 1 2 5 , 由式 2 可得 3 . 5 R ≤ R z 。 以轨 道 供 电常 用 的 D C I 5 0 0 V 为 例 , 即 U 一 1 5 0 0 V, 假设漏 电流 的阈值 为 1 . 4 mAl_ 3 ] , 则 联合 式 3 可得 R ≥ 4 6 8 . 7 5 k n, 则 平 衡 电 阻 R 可 以取 1 3 0 k Q。综上 , 对 于 单 极 母 线 绝 缘 泄 漏 , 以 电 压 偏 离 1 2 . 5 的上 限 值 作 为 报 警 阈值 , 以 1 3 0 k n 电阻 作为平衡电阻, 可以满足实时检 测单极母线绝缘泄 漏 故 障 的要 求 , 且 引 入 平衡 电 阻后 电压 偏 离 度 也 能 满 足要 求 。 2 . 2双 极 母 线 绝 缘 泄 漏 当 R 和 R 同时下 降 时 , 其 母 线 对 地 电压 偏 离 额 定值 U / 2 的范 围 £ 。 可 以表示 为 u / 2一 U N RZ R 一 R UN / 2 RzR 4 从 式 4 可 以看 出 , 当 R , R 相差 很 大 时 R ≤ 7 Rz / 9或 R ≥ 9 R z / 7 , 电压 的 偏 离 度 也 比较 大 , 这 与第 1 种情况很类 似, 故也可以将母 线对地 电压偏 离 度 的上 限 值 1 2 . 5 作 为 该 泄 漏 状 态 的 报 警 阈 值 。但 是 , 当 R z , R 相 差 不 大 时 , 母 线 对 地 线 电压 偏 离度 不 大 , 无 法 通 过 测 量 电 压 偏 离 度 的方 法 判 断 是 否存 在故 障 。这 时就需 要 引入切 换 电桥法 。切换 电桥时 , 母 线对地 电压也 会发 生改 变 , 为 了缩 小 正负 母 线对 地 电压差 , 采 用补偿 切 换原 则 正母线 绝 缘 电 阻小于 负母 线 绝 缘 电阻 时 U 一U , 切 换 正桥 臂 电 阻l 5 ] 。通 过 测量 绝缘 电 阻的值 , 得 到此 时系 统漏 电流 的大 小 , 进而 可判 断漏 电流是 否超 过设 定值 1 . 4 mA 。 假 设 正母 线 绝 缘 电阻小 于负 母 线 绝缘 电阻 , 以 图 1为例, 先闭合 K , K , 打开 K。 , K , 投入平衡 电 阻 , 测 量 正 负 母 线 对 地 电 压 U , U , 如 图 3 a 所 示 ; 再闭合 K , K , K , 打开 K3 , 投入切换 电阻 R , 测 量正 负母 线对 地 电压 【 , , U , 如 图 3 b 所 示 。 申 申 小 .J. r ’ I l R z由 R 1 0 I I 一 , I I I l 一 R F 口 口 R 4 口 I l l r 结 合 图 3和基 尔霍 夫 电流定 律可 得 f Uz 1 一 UF 】 J R / / R z R z / / R 5 l J } Uz 2 一 UF 2 l R 1 / / R z R / / R。 / / R 分 析 可 知 , 当 R 与 尺 相 等 时 , 投 入 切 换 电 阻 R , 则 电压 偏 离度及 通 过 正 母 线绝 缘 电阻 的 漏 电 流 达到 最大 值 。此 时 , 正 对地 电压偏 离 额 定值 U / 2 的范 围 £ 。为 一 R 83 一 一 2 R4R ≤ 2 一 一一 。 由 式 6 可 得 R ≥ 3 . 5 R, 故 可 取 R 。 一 R 一 2 . 3 绝缘 电 阻与漏 电流 的计 算模 型 当正母 线 绝 缘 电 阻小 于 负母 线 绝 缘 电阻 时 , 根 据式 5 可 以求得 正 负母 线对 地 绝缘 电阻 R , R 分 别 为 l Rz l R F一 二 垄 二 UF 1 UF 2 R R R Uz 2 UF 1 一 Uz 1 UF 2 RR 【 , z 2 UF 1 一 Uz 1 UF 2 Uz 1 UF 2 R 一 【 , z 2 UF 1 R 7 式 中 R 一R / / R。 一R / / R 。 6 6 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 此时 流过 正绝缘 电阻的漏 电流 I R Z 为 I R z R / / R R / / R R UN R1 RF R r 。 、 R Rz RF R RF R Rz R1 ~ 同理 可得 当负 母 线 绝 缘下 降程 度 更 严 重 时 , 投 入切 换 电 阻 R 3进 行 测 量 , 其 正 负 母 线 对 地绝 缘 电 阻 Rz , R 分别 为 f RR U 。 U 一U U J 一 ⋯ l 一RR u z 2 己 , F 1 一己 , z 1 UF 2 U . F Uz 1 Uz 2 R 一R R uz 2 UF 1 一Uz 1 UF 2 此 时流 过负 绝缘 电阻 的漏 电流 为 I R F Uw R / / R 1 一 一 UN R2 Rz R , 1 n 、 R2 RF Rz R Rz R RF R2 ⋯ 由 以上分 析 可 知 , 通 过选 取 适 当 的平 衡 电 阻 与 切 换 电阻 , 能够在 保 证 母 线对 地 电压 偏 离 度满 足 规 定 要求 的情 况下 , 获得 泄漏 电阻 的大 小 , 进 而获 得漏 电流的大小 。其基本原理 实时检测正负母线对地 电 压 的 大 小 , 当 电 压 偏 离 度 超 过 设 定 的 阈 值 1 2 . 5 时 , 分别 投入 平衡 电阻与切 换 电阻 , 检 测正 负 母线 对地 绝 缘 电阻 , 计 算 其 漏 电 流 大 小 并 报 警 。 当电压 偏离 度在 设 定 的 阈值 范 围 内时 , 还 应定 期 投 入 平衡 电阻与切 换 电阻 , 测 量绝 缘 电阻与 漏 电流 , 当 漏电流超过设定的阈值 1 . 4 mA 时报警 。 3仿 真 分 析 3 . 1 等效 2 4脉 波整 流机 组 的建模 仿真 目前我 国的轨道 交通 直流 牵 引整流 变 电站 以等 效 2 4 脉 波 为 主 流 , 其 功 能 是 将 中 压 交 流 电 源 1 0 k V或 3 5 k V 经 降压整 流变为 DC 1 5 0 0 V 或 DC 7 5 0 V, 然 后经 过 接 触 网 轨 向机 车供 电 。等 效 2 4脉波 整流机 组 由 2台 1 2脉 波 的轴 向分 裂 式 牵 引 整 流 变压器 组成 , 采用 S i mu l i n k中 的电力 仿 真模 块 来建立其仿真模 型, 如图 4所示 。其 中电源为三相 电压 源 , 经 过移 相 变 压器 △ / △7 . 5 。 和 a / a一7 . 5 。 移相后 接入 Y / Yy/ A连接 变压 器 T 和 T 。 , 使 得 每 台整 流 变 压 器 的 输 出 电 压 相 位 相 差 3 0 。 。每 台 1 2脉波整流变压器 由 2个 6 脉波 桥式整流器 B r i d g e l 、 B r i d g e 2 B r i d g e 3 、 B r i d g e 4 以并联 的方 式构成 ] 。 2 4脉 波 整 流机 组 仿 真 模 型处 于稳 态 时 的 直 流 侧 电压波 形如 图 5所示 。电压在 1 个 周期 O . 0 2 s 内共有 2 4个脉波 , 脉动间隔为 / 2 4 ; 电压平均值为 1 6 6 0 V, 符 合标 准要 求 1 0 0 0 1 8 0 0 V 。 B r i d g e l llK 亘 .................... 三相 电压源 圜 瑟 图 4 2 4脉波整流机组仿 真模型 VM 自 示波器 图 5 2 4脉波整 流机 组输 出电压波形 3 . 2 新 型漏 电检测 方 法建模 在 2 4脉 波 整 流机 组 模 型 的基 础 上建 立 了 漏 电 检测仿 真模 型 , 如 图 6所 示 。通 过 控制 开 关 K , K 的开 闭并设 置 R , R 的值 来构 建不 同 的绝缘 状 态 ; 电压 采样 模 块 VM 实 时 采 样 母 线 间 电压 , 用 于 观 察母 线 电压 变化 ; 电压 采样 模块 VM , VM。 实 时检 测正 负母线 对地 电压 , 通过 控制 开 关 K , K。 , K。 , K 的开闭来测量绝缘 电阻 , 进而得到正负母线对地漏 电流的大小 。电流采样模块 C M 与 C M 实现对漏 电 的直接测 量 , 该测 量值作 为漏 电电流 的理论结 果 , 通过 比较计算值与该理论值的误差来判断漏电检测 方法 的可行 性 。所有 采样 模块 采样结 果在 示波 器 中 直接 显 示 , 且 通 过 To Wo r k s p a c e功 能 块 UN, I Z, I F , UZ , UF将 数 据 迁 移 到 工 作 空 问 中 进 行 处 理 。 利用 GUI 构建 了该模 型 的控制 面板 , 如 图 7 所 示 。 图 6漏电检测仿 真模 型 一 一 一 ~ 一 一