試論直流接地故障與新的查找方法

王玉全

【摘要】在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)直流接地故障的問題，這給電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來了威脅。因此，針對(duì)直流接地故障進(jìn)行分析，并探索對(duì)故障的查找方法具有重要意義。本文對(duì)直流接地故障的危害進(jìn)行了介紹，并分析了常用的幾種故障檢測手段，提出了檢測母線對(duì)地電阻的新方法。

【關(guān)鍵詞】直流系統(tǒng)直流接地直流絕緣檢測

一、直流系統(tǒng)接地故障概述

直流電源作為電源的一種，其最主要的特征就是帶極性，即電源正極和電源負(fù)極。直流電源不同于交流電源，它沒有真正的“地”，它的“地”只是一個(gè)概念（一般稱中性點(diǎn)）。直流電源正極和負(fù)極相對(duì)大地之間存在一定的絕緣電阻，這個(gè)電阻值有一定的范圍，且不能低于規(guī)定的數(shù)值。如果這個(gè)絕緣電阻值低于規(guī)定的數(shù)值，就很容易發(fā)生直流電源正接地故障或者負(fù)接地故障。

直流系統(tǒng)所接的設(shè)備較多，被廣泛應(yīng)用在發(fā)電廠或者變電站，其有著回路復(fù)雜的主要特點(diǎn)，在長期的運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)因?yàn)槟承┮蛩刈兓霈F(xiàn)問題。例如，周圍環(huán)境氣候發(fā)生變化、電纜或者接頭在長期使用過程中發(fā)生老化等，這些因素將無一例外的導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地。如果系統(tǒng)存在著一點(diǎn)接地故障，對(duì)于設(shè)備或系統(tǒng)的正常運(yùn)行并不能產(chǎn)生什么影響，如果存在著兩點(diǎn)或者兩點(diǎn)以上的直流接地故障，系統(tǒng)中的保護(hù)裝置就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)或者拒動(dòng)的情況，嚴(yán)重影響設(shè)備和人身安全。

經(jīng)過調(diào)查顯示，在電氣故障中，因?yàn)橹绷鹘拥囟a(chǎn)生的故障位列第一，所以為了保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，就必須對(duì)其潛在的威脅予以排查。目前，直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警，但報(bào)警功能依然不夠具體，這就需要我們?nèi)藶榈倪M(jìn)一步查找具體故障點(diǎn)并排除。因此，研究新的、更快更安全的查找方法勢在必行。

二、常用直流接地故障檢測方法及存在的問題

直流接地故障的檢測步驟有三個(gè)。第一，通過對(duì)直流接地電阻數(shù)值來進(jìn)行判斷，看其是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，如果不在規(guī)定范圍內(nèi)，那么便存在直流接地故障。第二，對(duì)接地故障的支路進(jìn)行判斷。第三，對(duì)直流接地故障點(diǎn)的具體位置進(jìn)行查找。

迄今為止，我國直流接地故障最為常用的檢測方法主要有兩種，分別是電橋法和注入低頻交流信號(hào)法。

（一）電橋法

電橋法是直流接地故障進(jìn)行檢測的方法中，使用頻率較高的一種。其基本的工作原理是在直流系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)人工搭建的電橋，電橋包括兩部分，一部分是直流電源正、負(fù)極對(duì)地產(chǎn)生的絕緣電阻，另一部分是人為設(shè)置的兩個(gè)電阻。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，電橋會(huì)處在平衡狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)中某一個(gè)部分存在接地時(shí)，電橋就會(huì)失去平衡，并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。然而這種方法存在著一定的缺陷：第一，當(dāng)正負(fù)極絕緣電阻的數(shù)值已經(jīng)非常之低且兩個(gè)數(shù)值相當(dāng)接近，即使已經(jīng)超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，電橋仍然會(huì)處于平衡狀態(tài)。第二，當(dāng)正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻數(shù)值都很大，但在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而且兩個(gè)數(shù)值之間差非常大的情況下，就會(huì)導(dǎo)致電橋失去平衡，發(fā)生誤報(bào)警現(xiàn)象。第三，即使該方法能準(zhǔn)確的檢測出系統(tǒng)存在故障，也不能對(duì)絕緣電阻的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。第四，這個(gè)方法并不能有效的判斷出接地故障的支路位置，對(duì)于接地故障點(diǎn)也難以正確的找出。

眾所周知，這種方法投資成本少，設(shè)置的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是由于以上的幾種缺陷的存在，導(dǎo)致了該方法的精確率難以保證。因此，在要求不高的場合（可以拉開回路等）使用還是可以的，要求高的場合（不能斷電或拉開回路等）就難以勝任了。

（二）注入低頻交流信號(hào)法

與電橋法一樣，注入低頻交流信號(hào)法也被廣泛的應(yīng)用于對(duì)直流接地故障的檢測。其理論依據(jù)是，在直流母線和大地之間注入一個(gè)低頻的交流電壓源，通過電壓源可以產(chǎn)生相應(yīng)的低頻交流電流。根據(jù)低頻交流電壓和電流值可以算出直流母線對(duì)地絕緣電阻的數(shù)值，通過低頻交流電流的流通路徑，對(duì)接地故障的發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行判斷，并確定故障點(diǎn)的位置。這種方法可以分為定頻法和變頻法兩個(gè)方面，采用定頻法比較簡單，只需要對(duì)低頻交流電流進(jìn)行檢測，慢慢的在整個(gè)裝置中進(jìn)行掃描，如果裝置沒有接近故障點(diǎn)，那么檢測出的低頻交流電流值會(huì)非常平緩，沒有明顯的變化，但是如果該裝置從接地故障點(diǎn)旁通過，那么互感器的輸出會(huì)出現(xiàn)顯著下降的現(xiàn)象，通過這種方法，可以準(zhǔn)確的對(duì)故障點(diǎn)的位置進(jìn)行判斷，相比于電橋法具有一定的進(jìn)步。另一種是變頻法，首先需要對(duì)兩個(gè)頻率下的低頻電流的有效值進(jìn)行檢測，并間接算出接地電阻的數(shù)值，裝置沒有接近故障地點(diǎn)之前，接地電阻的數(shù)值會(huì)幾乎保持不變，如果該裝置接近了接地故障點(diǎn)，接地電阻的數(shù)值會(huì)持續(xù)增加，通過這種方式，也能夠?qū)拥毓收宵c(diǎn)的具體位置進(jìn)行確定。采用注入低頻交流信號(hào)法雖然能夠準(zhǔn)確的對(duì)接地故障點(diǎn)進(jìn)行探測，但是探測結(jié)果明顯會(huì)因?yàn)殡娙莸慕槿攵钍苡绊?，所以?dāng)系統(tǒng)分布電容很大時(shí)，使用這種方法就難以對(duì)接地故障點(diǎn)的具體位置進(jìn)行查找。與電橋法一樣，該方法具有一定的局限性。

三、直流接地故障檢測的新方法

采用注入低頻交流信號(hào)檢測法時(shí)，目的是為了系統(tǒng)能夠達(dá)到檢測精度的標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行檢測之前需要對(duì)交流信號(hào)的幅值及頻率進(jìn)行控制，保證裝置系統(tǒng)能具有一定的精度和穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致了交流信號(hào)源電路具有一定的復(fù)雜性。另一方面，因?yàn)殡娙莸拇嬖?，?duì)交流電流信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行檢測也比較復(fù)雜。檢測的精度會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致了檢測出的數(shù)值難以進(jìn)行引用。除此之外，如果向直流系統(tǒng)注入了交流信號(hào)，將會(huì)導(dǎo)致在直流系統(tǒng)中存在著一個(gè)對(duì)其性能產(chǎn)生干擾的因素，交流信號(hào)會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生一定的負(fù)作用。在對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行檢測的過程中，當(dāng)信號(hào)幅值和精確度提高的時(shí)候，在直流系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)誤動(dòng)作，這就導(dǎo)致這種方法在實(shí)際應(yīng)用過程中不具備優(yōu)勢。為了對(duì)低頻交流信號(hào)檢測法的缺點(diǎn)進(jìn)行克服，本文就從直流系統(tǒng)接地電阻的數(shù)值檢測、接地故障所在支路判斷、接地故障點(diǎn)查找這三個(gè)方面進(jìn)行分析。

（一）直流系統(tǒng)接地電阻的數(shù)值檢測

檢測方法是采用開關(guān)和限流電阻，將直流電源的正、負(fù)級(jí)母線分別接地（假設(shè)正接地為第一支路；負(fù)接地為第二支路），然后測出流過開關(guān)與限流電阻之間的電流數(shù)值，并進(jìn)一步確定直流系統(tǒng)正、負(fù)極對(duì)地電阻數(shù)值。如果將第一支路中的開關(guān)合上，第二支路中的開關(guān)斷開，就可以測出第一支路電流。同理，將第一支路中的開關(guān)斷開，第二支路中的開關(guān)合上，就可以測出第二支路電流，然后根據(jù)歐姆定律及數(shù)學(xué)方程式，就可以算出直流系統(tǒng)一點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)地電阻數(shù)值。

這種新方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一，能夠?qū)⒄?fù)電極對(duì)地電阻數(shù)值進(jìn)行直接求出，并保證了計(jì)算出數(shù)值的真實(shí)性和精確性。第二，檢測精度不會(huì)因?yàn)殡娙莸慕槿攵绊憴z測數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

（二）直流系統(tǒng)接地故障所在支路的判斷

采用這種方法能夠?qū)χ绷鹘拥毓收习l(fā)生的所在支路進(jìn)行判斷。假設(shè)直流系統(tǒng)中的正極發(fā)生了一點(diǎn)接地故障，我們暫且稱其為第三支路。如果將第一支路的開關(guān)斷開，第二支路的開關(guān)合上，那么第三支路中的接地電阻，經(jīng)大地與第二支路限流電阻串聯(lián)，在直流正負(fù)母線間形成了閉合回路。如果第一支路和第二支路的電流互感器的總電流效應(yīng)為零，那么第三支路的電流互感器的總電流由直流接地電阻引起，只要接地電阻的數(shù)值能夠保證，不會(huì)超過一定的范圍，就能保證第三支路傳感器電流大于霍耳傳感器的死區(qū)，這樣，第三支路的傳感器也就為裝置提供一個(gè)非零的電壓值。這個(gè)非零電壓值具有被裝置獲知的作用，進(jìn)而也就完成了對(duì)接地故障發(fā)生的支路進(jìn)行判斷。如果接地故障發(fā)生在直流系統(tǒng)負(fù)極的一點(diǎn)上，那么，可以將第一支路的開關(guān)閉合，第二支路的開關(guān)斷開，并根據(jù)輸出不為零的、不同的地點(diǎn)的傳感器，來對(duì)接地故障發(fā)生的具體支路進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。

（三）直流系統(tǒng)接地故障點(diǎn)探測的新方法

在這種方法下，被利用的接地故障點(diǎn)探測器其實(shí)就是一個(gè)直流小電流傳感器，通過上面的方法對(duì)接地故障的發(fā)生支路進(jìn)行判斷，假如故障就發(fā)生在第三支路的正極，那么可以對(duì)第一支路的開關(guān)斷開，第二支路的開關(guān)閉合，為了將第三支路的正負(fù)極的兩條供電線纜進(jìn)行卡住，并從開端往后捋，就需要使用鉗型毫安電流霍耳傳感器。因?yàn)樵谘b置中通過的是直流電流，直流電流在接近故障點(diǎn)之前，電流表的讀數(shù)不會(huì)發(fā)生改變，如果裝置接近或者越過故障點(diǎn)的時(shí)候，電流表的讀數(shù)會(huì)突然為零，通過這種手段可以便捷有效的找出故障點(diǎn)的具體位置。另外，如果是負(fù)極出現(xiàn)了故障，同理，只需要將第一支路的開關(guān)合上，第二支路的開關(guān)斷開，通過這方式能夠迅速的找到故障點(diǎn)，并且不會(huì)受到系統(tǒng)分布電容的影響，使得準(zhǔn)確率極大的提高。

四、新方法在直流接地故障查找過程中的直接應(yīng)用

電壓為110V的直流系統(tǒng)和48v的通信電源的某站，直流系統(tǒng)的兩個(gè)部分都控制電源，一部分是交流500KV，而另一部分是交流220kv。由于設(shè)備老化，導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)了接地故障，所以應(yīng)用接地探測儀，并根據(jù)220KV繼保小室的直流絕緣檢測裝置的報(bào)警，在直流第一段和直流第二段都存在著直流正極接地的現(xiàn)象，兩點(diǎn)的接地都發(fā)生在直流一段，如果把這兩段同時(shí)拉掉，報(bào)警裝置會(huì)停止，這就表明，在直流二段存在著寄生回路。給檢測帶來難度。因此采用對(duì)直流母線對(duì)地電阻進(jìn)行檢測，對(duì)母線的絕緣系數(shù)和變化進(jìn)行判斷，從而明確了查找方向。

五、總結(jié)

作為電氣設(shè)備中最大的故障，直流接地嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，在我國目前使用的檢測手法主要有電橋法和注入低頻交流信號(hào)法，然而在實(shí)際應(yīng)用中，這兩種方法都存在著一定的缺陷，因此，通過直流系統(tǒng)接地電阻的數(shù)值的計(jì)算，可以得知接地故障到底存在哪一條支路上，并對(duì)接地故障點(diǎn)進(jìn)行找出，這種方法在應(yīng)用過程中的準(zhǔn)確性和便捷性方面都有重大提升，可以被廣泛應(yīng)用。

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