一種變電站直流系統絕緣下降的快速查找方法

許燕++吳文曉++周立輝+王炳昱

摘 要：隨著變電站的規模增大和運行的設備增多，對直流系統的供電性能提出了更高的要求。直流系統作為變電站安全可靠運行的必要條件，如何確保變電站直流系統可靠運行，高效快速地定位直流故障成為當前亟待解決的問題。本文介紹了一種基于便攜直流絕緣檢測儀的絕緣下降快速查找方法，并以某變電站直流系統絕緣下降事件為例進行分析，驗證本方法合理性，最后就如何提高變電站直流故障定位速度進行理論探究，提出展望。

關鍵詞：直流系統 接地故障 便攜式絕緣檢測儀 交流信號注入法

中圖分類號：TM86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0078-03

變電站直流系統主要供給全站繼電保護、自動裝置、控制自動化、事故照明、電話通訊等工作電源，保障著變電站的正常運行。正常時必須可靠運行，當發生直流接地故障時其供電的可靠性將大大降低，從而嚴重威脅變電站的安全運行，嚴重時造成保護誤動或者拒動，擴大故障范圍導致更嚴重的事故后果。所以應提高對直流系統接地的重視程度，分析其原因并采取相應對策，不僅要高效快速地定位直流故障，還要從根源上避免直流接地事件的發生。

1 概況

正常情況下正負對地均為絕緣的，系統中有一點發生接地時，并不影響直流系統運行[1]。但當接地點仍然存在又發生第二點接地時可能引起直流系統接地短路，造成繼電保護、自動裝置誤動或拒動，或造成直流保險熔斷，使保護、自動裝置及控制回路失去電源，給電網的運行埋下安全隱患[2，3]。

現實中直流系統接地故障歸納起來有以下幾種：一點接地、多點接地、兩極接地（正負極均等接地、正負極不均等接地）、雙回路供電接地、環網供電接地、二極管隔離供電接地、交直流串電接地、兩段直流串電接地等[2-5]。

2 故障查找方法

變電站的直流系統一旦發生故障，直流系統中的直流充電裝置、蓄電池巡檢儀等設備會檢測到系統異常并發出報警信號。由于直流系統在變電站內廣泛存在且結構復雜，當直流系統絕緣發生異常時，是否能夠快速地定位并且隔離故障顯得尤為重要。為了更好地對直流系統的絕緣狀態進行監視，在變電站中裝設了直流系統絕緣監察裝置。

交流信號注入法的原理是向直流系統注入交流信號，通過電流互感器測量各支路的交流電流，計算出相應的對地絕緣電阻，從而確定接地點的位置，如圖1所示。按注入直流系統的信號分類可以分為低頻信號法和雙頻信號法。

（1）低頻信號法。

低頻信號法的原理是在直流母線與地之間注入低頻交流信號，通過安裝在各支路上的電流互感器測量支路中的交流電流，從而計算出各支路的對地電阻，確定故障支路。其測量的優勢在于不用停電便可進行直流接地故障的定位，但由于直流支路線路較長且多為電纜線路，會受到分布電容的影響，測量結果會存在一定的誤差，對故障查找的精度造成一定的影響。

設交流信號源電壓的表達式為：

（1）

從交流電流互感器中測得的電流為：

（2）

則，其中角的大小是由直流系統中分布電容和對地絕緣電阻決定的，其數值為：。

用低頻信號法既可以求出直流系統對地電阻的大小，還可以定位絕緣下降的支路。其缺點是檢測精度受系統分布電容影響較大，測量支路線路較多時不能準確確定絕緣下降的支路。

（2）雙頻信號法。

雙頻信號法的原理是在直流母線與地之間注入不同頻率的低頻信號，一般兩種信號是交替變換的。通過安裝在各支路的互感器測量變化的交流電流，并進行相應的計算定位故障支路。如圖1所示，設輸入信號的幅值為U，頻率為f，電流檢測儀中的電流為：

（3）

當注入信號幅值不變，頻率變為Kf（K>1））的情況下，電流檢測儀中的電流為：

（4）

由式（3）和式（4）可以得出，接地支路的阻性電流為：

（5）

如果K=2，即2次的頻率是2倍的關系，可知：

（6）

根據原理只需測量不同頻率下的電流就能得到阻性電流，但在實際的變電站直流系統中，由于分布電容存在容性電流較大，這要求測量所用的互感器要有很寬的動態應響和很高的測量精度；另外測量的前提條件是輸入信號的幅值為U相同，但實際應用中兩個頻率的信號很難控制的完全相等，因此該方法使用受到限制。

3 便攜式直流絕緣檢測儀

使用交流信號注入法對直流系統的各個支路進行測試，本文使用的為某微機型便攜直流絕緣檢測儀。該裝置由信號發生器、信號接收器和信號采集器（卡鉗）三部分組成。在查找直流系統故障時，三者須同時配合使用。

信號發生器不采用傳統的LC或RC的振蕩電路，使用了全數字的信號發生電路使得信號發生器產生的信號穩定不易受外界環境的變化而變化。該信號發生器由單片機、A/D轉換電路、信號放大濾波電路、功率放大及隔直電路、輸出反饋及保護等部分組成，其實現原理如圖2所示。

信號接收器原理如圖3所示。從鉗形電流互感器采集到的電流信號輸入給信號接收器，經過放大、濾波、模數轉換等處理后進行故障判斷。根據判斷結果顯示不同數值。

使用方法為：將信號采集器分別鉗在與故障母線相聯的各個主回路上，并分別看液晶顯示器顯示情況。絕緣值由低到高分別用01至19顯示，01表示絕緣較差，19表示絕緣良好。測量中如果某個支路顯示的數值較低，則可判定此回路為故障回路。再逐級向其分支線路各端進行測量，通過同樣的判斷方式，依此類推，便可確定最終的故障支路。

當初步判斷出故障支路后，為了可以排除故障需對具體接地故障點進行定位檢測。在故障點的定位中通常采用二分法進行快速的故障定位。在每次檢測后，故障區域均按二分取點方式進行下一次的檢測定位，以便迅速地檢測出具體的接地故障點。假設在A處檢測時有接地狀況，在B處檢測時沒有接地狀況，就可以判斷接地故障點在A至B之間。同時可根據饋線電纜走向和設備連接情況，對故障支路的各個饋線入口分別進行檢測，找出故障支路，進一步將故障定位。endprint

4 故障案例及分析

某變電站直流Ⅱ段母線絕緣異常，30min后手動復歸，2h后又出現絕緣異常，直至直流Ⅱ段對地電壓逐漸降至5V左右。排查工作重點針對現場的端子箱以及二次工作涉及的相關屏柜，未找到故障點，接地故障無法復歸。經分析初步判斷為天氣因素造成的直流Ⅱ段某處對地絕緣異常導 致的故障。

使用本文所介紹的方法對該變電站直流Ⅱ段母線各個支路進行測試。將信號發生器接入直流Ⅱ段母線饋線屏的母線正端，另一端接地。用信號接收器的卡鉗對各支路進行絕緣檢測。由于從直流母線上測試，回路多范圍廣，電容電流大，效果不佳，未有效測出絕緣故障回路。

繼而在各小室的直流分屏上進行測試，把信號發生器加載在分屏的直流母線上。最后測試結果為：主變繼保小室Ⅱ段直流分屏進線測試值為05，其余小室Ⅱ段直流分屏進線測試值均為01。說明接地點在主變繼保小室Ⅱ段直流分屏所供負荷回路上。除主變繼保小室外的每個小室的Ⅱ段直流分屏各個負荷回路絕緣值均為19，主變繼保小室的3號主變非電量保護屏測試值為12，其余支路都為19。初步鎖定疑似接地點在3號主變非電量支路。

進入下一級排查，測試主變非電量保護屏內的開關量公共端901回路絕緣，有一條901回路測試值為12，其余都為19。大概確定接地點后，由于該設備為運行設備，向調度申請將3號主變非電量保護改為信號。將之前懷疑的回路端子拆開后，直流系統恢復正常，說明接地點確在該回路上。至此使用便攜式直流絕緣檢測儀成功地快速鎖定了本站發現的直流絕緣下降的故障。

根據圖紙拆開端子后，用萬用表測量主變冷卻器總控箱內的該直流支路對地電阻值，并逐級往下拆開端子測量。最終檢測到C相調壓機構壓力釋放閥繼電器的3PA2接點對地電阻值為5.2kΩ，當拆開該接線時，信號復歸。

5 結論

本文詳細闡述了變電站直流系統發生故障的危害，介紹了交流信號注入法的原理，并結合某變電站故障檢查過程驗證了基于便攜式直流故障檢測裝置的直流系統絕緣下降快速定位方法的合理性，可以得出以下結論。

（1）微機絕緣監測儀和便攜式接地定位裝置相互配合，很大程度上提高了查找的準確性，縮短了接地故障的查找時間，在實際應用中取得較好效果。

（2）由于直流系統的重要性，對于接地故障的查找是否影響設備運行就顯得尤為重要，本文介紹的故障定位辦法可實現不間斷供電查找。

（3）由于直流系統存在大量分布電容，會降低絕緣檢測精確度。一些直流系統含有整流產生的諧波和無規律的雜波，可以將檢測過程中的實時波形顯示在顯示屏上，通過對波形的分析來進行精確判斷。

參考文獻

[1] 胡浩，侯慧軍，李元安，等.500kV變電站直流系統改造過程中的問題分析及處理[J].電力學報，2014（1）：36-37.

[2] 成林俞，戴瑜興，熊書華，等.直流系統在線絕緣監測的研究及其實現[J].電子測量與儀器學報，2015（6）：860-865.

[3] 葉國鋼.變電站直流系統異常分析及應對措施研究[D].浙江大學，2015.

[4] 梁建斌.變電站直流系統接地故障查找的研究[D].華南理工大學，2013.

[5] Marrero J A.Understand ground fault detection and isolation in DC systems[J].Power Engineering Society Summer Meeting，2000，9（5）：1707-1711.endprint