淺析一種直流脈沖查找接地故障的方案

方建文

（云南大唐國際那蘭水電公司有限公司，云南 昆明 65000）

1 電力系統設備故障點查找的重要性

當電力線路遭受雷擊或發生故障閃絡后，繼電保護裝置在第一時間動作跳閘，使設備避免進一步損壞。雖然大多數情況下發生的瞬時性故障，可以通過自動重合閘將線路重新投入運行，提高供電可靠性。但對于未投入重合閘功能的線路，以及線路發生永久性故障的情況，跳閘后必然要進行事故處理，常規手段就是靠運行人員巡視排查，找到故障點并進行消除，而這一處理過程中最重要的就是故障點查找，其進度往往決定了恢復送電的快慢。對于電力企業而言，設備的安全穩定運行始終處于極其重要的位置，它直接關乎電量等利潤指標，因此，故障的快速處理，盡可能以最短時間恢復送電，最大限度縮短停電檢修時間始終是電力企業的追求目標。線路接地故障過程極其短暫，繼電保護裝置就已迅速響應，切除故障線路，此時故障點可能尚未產生明顯痕跡，因此，在對進行設備巡視排查時，往往難以發現擊穿點或放電區域，或者由于放電點比較隱蔽，造成漏查而耽誤整個恢復送電進程。隨著發電用一次能源結構正逐步改變，化石燃料形式的能源占比逐步降低，新能源電力企業快速發展，風力、光伏發電場逐步增多，這類新能源發電企業主要以集電線路的形式實現匯流，必然就面臨線路跳閘停運風險。由于單機小、數目多、廠區范圍大的特點，新能源場站的線路故障查找處理更難以實施，這就使得故障點的快速查找具有更加重要的意義。

2 常規處理方案及缺點

以目前國內電力行業的整體情況來看，新能源發電廠匯流集電線路主要以35kV為主，且一般不投入重合閘功能。因此，線路跳閘事故發生后，應首先確定故障的真實性，在確認線路存在故障點的情況下，進一步采取各種手段，縮小查找范圍，最終準確定位故障點，并進行處理。處理完成后，應繼續選用合適方案檢驗設備狀態，防止處理工藝不達標或者線路仍存在其他故障點。一般而言，可采用目測巡視、分段測絕緣、交流耐壓試驗等方法協助查找故障點。各方案的特點分別如下。

2.1 目測巡視法

目測巡視是故障點查找的原始手段，該方法根據對故障跳閘的線路進行巡視檢查，找到放電點判斷故障位置，在架空線路和地埋電纜兩種不同線路形式下，查找方式有所不同。架空線路發生接地故障跳閘后，可通過桿塔絕緣子串上留下的痕跡確定接地故障發生的位置。根據運行經驗，懸垂絕緣子串遭受雷擊放電后，傘裙邊緣會有明顯有燒傷，呈直線分布，且屬橫擔側、導線側絕緣子燒傷最為嚴重，而桿塔側掛點金具的聯接點可能會燒熔，懸垂線夾或者導線會出現明顯的銀白色亮斑。當導線垂直或者三角排列的時候，故障點一般在上絕緣子串；當導線水平排列的時候，擊穿點則一般在兩根邊線。其他如絕緣子閃絡，可根據表面裂紋、絕緣子自爆等現象進行觀察，導線對樹木放電的情況，可根據實際的樹障距離做有針對性的檢查。地埋電纜的故障點一般出現在中間接頭及終端頭位置，查找時，側重巡視終端箱、接頭盒位置。其中戶外式終端頭由于直接處在惡劣環境下，若終端頭制作工藝不達標、潮氣入侵，或污穢嚴重時，可能發生閃絡或擊穿；而終端箱內往往由于電纜本體與母排連接螺栓距離不夠，在濕度大的情況下極有可能對電纜屏蔽層放電。電纜線路的接地故障有明顯灼傷擊穿痕跡時，需劃開終端頭檢查確認。

2.2 分段測絕緣法

分段測絕緣法則是通過對分段的線路進行絕緣電阻測試，根據測得值判斷線路是否存在故障。由于絕緣電阻測量一直是評估設備狀態的基本參數，在故障點排查時也常常用來參考。在線路較長，但電容值較大的情況下，需要借助吸收比、極化指數指標做輔助分析。實際作業時，長線路所測得的絕緣值較低，無法直接判斷故障情況，可借助線路分段接頭或電纜終端將長線路分成若干段，然后進行分段絕緣測試的方法。先將故障點確定在較小的范圍內，然后開展細致檢查。

2.3 交流耐壓法

交流耐壓法是借助串聯諧振耐壓設備對跳閘線路施加高電壓條件，觀察設備在跳閘后的承受高壓的能力，用以判定當前線路是否存在故障點，或是判別線路是否具備送電條件。在線路故障跳閘后，可將解開線路上連接的變壓器，對線路進行分相耐壓試驗。一般以線路電壓等級對應的額定相電壓作為參考，觀察線路各相在額定電壓下的運行情況，若線路上存在缺陷或故障點，則由于有較大的泄漏電流存在，耐壓設備施加的電壓往往無法升高到額定值。

對比上述3種常規處理方案，首先，目測巡視法在放電痕跡明顯、擊穿點較大或伴隨絕緣子片自爆、有直擊雷痕跡及設備外表灼燒變焦等情況下，這種方法快捷有效，但是在高阻接地故障時，由于沒有明顯故障點，將不能提供確定的故障點信息，這種情況下巡視不僅需要耗費大量時間，而且需要豐富的工作經驗。在新能源場站點多面廣的情況，該方法工作效率較低；與之相比，分段測絕緣法雖然簡單易實施，但由于線路設備的設計條件各不相同，在電纜段、架空段相互穿插，環境條件的改變等因素的影響下，絕緣電阻值往往在較大的范圍內變化。一般而言，較短的電纜線路絕緣值能達到幾千兆歐，但較長的架空線路可能只有幾十兆歐，實際生產過程中，也出現了較低的絕緣電阻值能正常投運，而較高的絕緣值卻送電失敗的情況，只有當絕緣電阻值極低，明顯不能投運時，這種方法才有一定作用，可見其適用范圍較窄，且可靠性強；而交流耐壓法在線路永久缺陷存在時，直觀的表現是電壓停留在某個較低值，無法繼續升高，此后無法為故障點查找提供進一步幫助，從試驗可行性方面來看，調壓原理施加高壓往往需要較高的電源功率，而在戶外作業時難以提供大功率交流電源，而串聯諧振原理的耐壓試驗則由于中間變壓器、補償電抗器過于笨重，難以滿足快速機動、頻繁轉場試驗的要求。因此，在快速、正確查找故障點的迫切需求下，找到一種適用性強、方便可行的辦法對電力生產極為重要。直流脈沖查找方案就是在這樣的情況下提出的。

3 直流脈沖法查找故障點實施方案

直流脈沖法是通過電容儲能存儲高壓，由高壓能量擊穿放電球隙，對故障電纜進行沖擊。由于脈沖放電瞬間電壓很高，擊穿瞬間等同于給故障線路施加高電壓，完美解決了故障線路無法施加高壓的問題。以新能源電廠35kV線路故障查找為例，其原理如圖1所示。

圖1 直流脈沖法原理圖

3.1 方案原理

在試驗設備側，用市電與調壓變壓器連接作為輸入級，調壓變壓器輸出端與升壓變壓器相連接為中間級，升壓變輸出為高壓級。高壓輸出通過二極管構成半波整流，用脈沖電容進行儲能，為便于觀察，可在輸入級、中間級分別接入電流表、電壓表指示試驗狀態，高壓級并接高壓電壓表顯示高壓側電壓。由于空氣擊穿電壓與間隙距離有良好的線性關系，在大多數情況下，氣隙的擊穿電壓約30kV/cm，因此，在試驗前，須通過調整間隙距離的大小來控制沖擊電壓的幅值，一般使間隙擊穿電壓比系統運行電壓略高即可。試驗時，調整調壓變壓器輸出由0開始逐漸增大，此時，中間級電壓表、高壓電壓表示數逐漸增大，而電流表指示了當前充電電流，此后繼續緩慢增大調壓變輸出電壓，直至放電間隙擊穿時觀察現象。若線路上存在接地點或絕緣薄弱點，則在沖擊電壓的作用下，接地點發生對地放電，重現故障現象。實踐經驗表明，當電纜及架空線路存在接地故障點時，在沖擊電壓的作用下，故障點處會有較大擊穿聲音，甚至會伴隨明顯火花放電現象，現場人員可借此定位故障點位置。

3.2 試驗現象

在完成設備調整操作后，設備進入電容充電—間隙放電階段。在放電時，間隙處有明顯火花，伴隨電流表示數急劇升高、高壓電壓表示數瞬間降低，此時，若是線路上有故障點，則故障點處也有明顯的火花放電現象。在一次放電后，電容繼續充電，高壓電壓表示數緩慢回升，當達到間隙擊穿電壓時，進行第二次擊穿放電，此后循環以上過程。兩次放電時間間隔較短，會因具體試驗對象的不同而略有差異，典型的時間間隔一般在十幾秒至幾十秒之間。

若線路上無故障點，則進行直流脈沖試驗時，被測線路能表現出較好的耐壓穩定性。此時，放電間隙仍會周期性擊穿放電，但放電的劇烈程度明顯小于線路有故障的情況。在實際試驗中，當線路上不存在故障點時，高壓電壓表指示在一個較穩定的電壓值，放電間隙擊穿瞬間，高壓電壓表示數跌落至原來的80%左右（與之相對的，對于故障線路，示數跌落為原來的10%～20%），此后電壓回升，繼續保持耐壓狀態，較長時間后第二次擊穿，兩次擊穿的時間間隔約2～5min，與故障線路有明顯區別。

3.3 優點

直流脈沖法解決了故障線路無法施加高壓的問題，在面對故障點不明顯，難以定位的情況下有明顯優勢。對存在高阻接地故障的線路上，采用直流高壓進行沖擊，可使故障點情況劣化，發生火花放電或伴隨擊穿聲音，有助于運維人員準確定位故障點。在電纜線路上有故障時，該方案可協助檢查電纜終端頭、中間接頭是否存在故障點，避免因錯誤懷疑接頭處故障而劃開檢查，節省了接頭制作成本。與其余試驗方案相比較，該方案簡單易實施，設備輕便，可行性好，大大節省了故障點查找效率。

3.4 注意事項

（1）在進行放電間隙距離調整時，可先將間隙一側接地，然后調節調壓變輸出，直到放電，記錄此時的電壓值即為放電間隙的擊穿電壓，試驗時應使該值略高于系統運行電壓，但在間隙調整完畢后，不應再改變放電間隙距離。

（2）對于電纜線路，應使電纜屏蔽層接地與試驗設備接地處于同一接地點，以確保故障點放電正常。

（3）在原理圖中，二極管極性的正反僅改變直流高壓側的正負極性，不影響試驗的進行，但根據直流高壓試驗應遵循負極性接線的原則，二極管極性的選擇應保證加壓電極為負電位。

（4）在對無故障線路進行試驗時，放電間隙也會周期性擊穿，這是由于被測線路充滿電荷后會對周圍環境緩慢放電，當電荷損失到一定程度時，間隙輕微擊穿，為被測線路補充電荷。由于線路上無故障點，放電時間常數很大，故擊穿時高壓跌落較小，擊穿周期長。

（5）在試驗時，可采用分立式設備搭建電路，也可使用成套直流脈沖耐壓設備，但應注意平穩緩慢升壓，避免對無故障線路施加過高電壓或損壞設備。

（6）由于直流脈沖放電試驗電壓較高，試驗過程須特別注意人身安全，嚴格遵守安全規定，并防止試驗時人員誤碰故障線路。

（7）試驗結束后，應分別對高壓電容器、被測線路充分放電，不能遺漏。

4 典型案例分析

（1）某風電場35kV架空集電線路故障跳閘，先派出人員采用目視巡線方式，未發現明顯故障點，后采用分段絕緣測試方案，各段絕緣值均在300MΩ以上，無法判定故障點位置，最后進一步將分段細化，并將絕緣值橫向對比，判斷故障點在8號風機終端桿塔至箱變連接電纜處，該電纜長度約200m。此后，對電纜進行交流耐壓試驗，電壓只能升高至約6kV，隨后懷疑兩端6個終端頭處有故障點，但外觀完好，將終端頭逐一劃開檢查后未發現放電痕跡，耗時4天。隨后進行電纜開挖，發現箱變下方地埋電纜外護套及鋼鎧有凹陷痕跡，疑接地改造釘入垂直接地極對電纜絕緣造成損傷，此時，對電纜故障相進行直流脈沖試驗，在間隙擊穿時，電纜損傷位置出現明顯放電火花。若提前采用直流脈沖放電方案，可能有助于提升故障點查找效率，并避免6個完好的電纜終端頭被誤劃開，節省維護成本。

（2）某風電場雷雨天氣下兩條35kV集電線路故障跳閘，對其分別進行直流脈沖試驗，試驗參數及參考值如表1所示。

表1 35kV集電線路直流脈沖試驗參數

從試驗結果來看，兩條線路無故障點存在，隨后進行細致巡視檢查，發現Ⅰ回線無故障點，Ⅱ回線兩臺箱變高壓室電纜終端頭有燒傷痕跡，但拆開檢查后未傷及電纜主絕緣，疑因環境潮濕，且電纜本體與母排螺栓距離過短，造成對屏蔽層放電，將冷縮終端重新處理后送電成功。

5 結語

直流脈沖法適用性強、方便可行，能大大提高電力系統事故跳閘處理效率，對查找線路接地故障具有重要意義。