一種變電站直流系統(tǒng)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(guī)模增大和運(yùn)行的設(shè)備增多，對(duì)直流系統(tǒng)的供電性能提出了更高的要求。直流系統(tǒng)作為變電站安全可靠運(yùn)行的必要條件，如何確保變電站直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行，高效快速地定位直流故障成為當(dāng)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(cè)儀的絕緣下降快速查找方法，并以某變電站直流系統(tǒng)絕緣下降事件為例進(jìn)行分析，驗(yàn)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(jìn)行理論探究，提出展望。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng) 接地故障 便攜式絕緣檢測(cè)儀 交流信號(hào)注入法

中圖分類號(hào)：TM86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（b）-0078-03

變電站直流系統(tǒng)主要供給全站繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、控制自動(dòng)化、事故照明、電話通訊等工作電源，保障著變電站的正常運(yùn)行。正常時(shí)必須可靠運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生直流接地故障時(shí)其供電的可靠性將大大降低，從而嚴(yán)重威脅變電站的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)造成保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)，擴(kuò)大故障范圍導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故后果。所以應(yīng)提高對(duì)直流系統(tǒng)接地的重視程度，分析其原因并采取相應(yīng)對(duì)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(fā)生。

1 概況

正常情況下正負(fù)對(duì)地均為絕緣的，系統(tǒng)中有一點(diǎn)發(fā)生接地時(shí)，并不影響直流系統(tǒng)運(yùn)行[1]。但當(dāng)接地點(diǎn)仍然存在又發(fā)生第二點(diǎn)接地時(shí)可能引起直流系統(tǒng)接地短路，造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，或造成直流保險(xiǎn)熔斷，使保護(hù)、自動(dòng)裝置及控制回路失去電源，給電網(wǎng)的運(yùn)行埋下安全隱患[2，3]。

現(xiàn)實(shí)中直流系統(tǒng)接地故障歸納起來有以下幾種：一點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、兩極接地（正負(fù)極均等接地、正負(fù)極不均等接地）、雙回路供電接地、環(huán)網(wǎng)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(tǒng)一旦發(fā)生故障，直流系統(tǒng)中的直流充電裝置、蓄電池巡檢儀等設(shè)備會(huì)檢測(cè)到系統(tǒng)異常并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于直流系統(tǒng)在變電站內(nèi)廣泛存在且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)直流系統(tǒng)絕緣發(fā)生異常時(shí)，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(duì)直流系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，在變電站中裝設(shè)了直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置。

交流信號(hào)注入法的原理是向直流系統(tǒng)注入交流信號(hào)，通過電流互感器測(cè)量各支路的交流電流，計(jì)算出相應(yīng)的對(duì)地絕緣電阻，從而確定接地點(diǎn)的位置，如圖1所示。按注入直流系統(tǒng)的信號(hào)分類可以分為低頻信號(hào)法和雙頻信號(hào)法。

（1）低頻信號(hào)法。

低頻信號(hào)法的原理是在直流母線與地之間注入低頻交流信號(hào)，通過安裝在各支路上的電流互感器測(cè)量支路中的交流電流，從而計(jì)算出各支路的對(duì)地電阻，確定故障支路。其測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于不用停電便可進(jìn)行直流接地故障的定位，但由于直流支路線路較長(zhǎng)且多為電纜線路，會(huì)受到分布電容的影響，測(cè)量結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，對(duì)故障查找的精度造成一定的影響。

設(shè)交流信號(hào)源電壓的表達(dá)式為：

（1）

從交流電流互感器中測(cè)得的電流為：

（2）

則，其中角的大小是由直流系統(tǒng)中分布電容和對(duì)地絕緣電阻決定的，其數(shù)值為：。

用低頻信號(hào)法既可以求出直流系統(tǒng)對(duì)地電阻的大小，還可以定位絕緣下降的支路。其缺點(diǎn)是檢測(cè)精度受系統(tǒng)分布電容影響較大，測(cè)量支路線路較多時(shí)不能準(zhǔn)確確定絕緣下降的支路。

（2）雙頻信號(hào)法。

雙頻信號(hào)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(hào)，一般兩種信號(hào)是交替變換的。通過安裝在各支路的互感器測(cè)量變化的交流電流，并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算定位故障支路。如圖1所示，設(shè)輸入信號(hào)的幅值為U，頻率為f，電流檢測(cè)儀中的電流為：

（3）

當(dāng)注入信號(hào)幅值不變，頻率變?yōu)镵f（K>1））的情況下，電流檢測(cè)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(guān)系，可知：

（6）

根據(jù)原理只需測(cè)量不同頻率下的電流就能得到阻性電流，但在實(shí)際的變電站直流系統(tǒng)中，由于分布電容存在容性電流較大，這要求測(cè)量所用的互感器要有很寬的動(dòng)態(tài)應(yīng)響和很高的測(cè)量精度；另外測(cè)量的前提條件是輸入信號(hào)的幅值為U相同，但實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)頻率的信號(hào)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(cè)儀

使用交流信號(hào)注入法對(duì)直流系統(tǒng)的各個(gè)支路進(jìn)行測(cè)試，本文使用的為某微機(jī)型便攜直流絕緣檢測(cè)儀。該裝置由信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)接收器和信號(hào)采集器（卡鉗）三部分組成。在查找直流系統(tǒng)故障時(shí)，三者須同時(shí)配合使用。

信號(hào)發(fā)生器不采用傳統(tǒng)的LC或RC的振蕩電路，使用了全數(shù)字的信號(hào)發(fā)生電路使得信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定不易受外界環(huán)境的變化而變化。該信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大濾波電路、功率放大及隔直電路、輸出反饋及保護(hù)等部分組成，其實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

信號(hào)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(hào)輸入給信號(hào)接收器，經(jīng)過放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后進(jìn)行故障判斷。根據(jù)判斷結(jié)果顯示不同數(shù)值。

使用方法為：將信號(hào)采集器分別鉗在與故障母線相聯(lián)的各個(gè)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(cè)量中如果某個(gè)支路顯示的數(shù)值較低，則可判定此回路為故障回路。再逐級(jí)向其分支線路各端進(jìn)行測(cè)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(dāng)初步判斷出故障支路后，為了可以排除故障需對(duì)具體接地故障點(diǎn)進(jìn)行定位檢測(cè)。在故障點(diǎn)的定位中通常采用二分法進(jìn)行快速的故障定位。在每次檢測(cè)后，故障區(qū)域均按二分取點(diǎn)方式進(jìn)行下一次的檢測(cè)定位，以便迅速地檢測(cè)出具體的接地故障點(diǎn)。假設(shè)在A處檢測(cè)時(shí)有接地狀況，在B處檢測(cè)時(shí)沒有接地狀況，就可以判斷接地故障點(diǎn)在A至B之間。同時(shí)可根據(jù)饋線電纜走向和設(shè)備連接情況，對(duì)故障支路的各個(gè)饋線入口分別進(jìn)行檢測(cè)，找出故障支路，進(jìn)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(dòng)復(fù)歸，2h后又出現(xiàn)絕緣異常，直至直流Ⅱ段對(duì)地電壓逐漸降至5V左右。排查工作重點(diǎn)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的端子箱以及二次工作涉及的相關(guān)屏柜，未找到故障點(diǎn)，接地故障無法復(fù)歸。經(jīng)分析初步判斷為天氣因素造成的直流Ⅱ段某處對(duì)地絕緣異常導(dǎo) 致的故障。

使用本文所介紹的方法對(duì)該變電站直流Ⅱ段母線各個(gè)支路進(jìn)行測(cè)試。將信號(hào)發(fā)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(hào)接收器的卡鉗對(duì)各支路進(jìn)行絕緣檢測(cè)。由于從直流母線上測(cè)試，回路多范圍廣，電容電流大，效果不佳，未有效測(cè)出絕緣故障回路。

繼而在各小室的直流分屏上進(jìn)行測(cè)試，把信號(hào)發(fā)生器加載在分屏的直流母線上。最后測(cè)試結(jié)果為：主變繼保小室Ⅱ段直流分屏進(jìn)線測(cè)試值為05，其余小室Ⅱ段直流分屏進(jìn)線測(cè)試值均為01。說明接地點(diǎn)在主變繼保小室Ⅱ段直流分屏所供負(fù)荷回路上。除主變繼保小室外的每個(gè)小室的Ⅱ段直流分屏各個(gè)負(fù)荷回路絕緣值均為19，主變繼保小室的3號(hào)主變非電量保護(hù)屏測(cè)試值為12，其余支路都為19。初步鎖定疑似接地點(diǎn)在3號(hào)主變非電量支路。

進(jìn)入下一級(jí)排查，測(cè)試主變非電量保護(hù)屏內(nèi)的開關(guān)量公共端901回路絕緣，有一條901回路測(cè)試值為12，其余都為19。大概確定接地點(diǎn)后，由于該設(shè)備為運(yùn)行設(shè)備，向調(diào)度申請(qǐng)將3號(hào)主變非電量保護(hù)改為信號(hào)。將之前懷疑的回路端子拆開后，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常，說明接地點(diǎn)確在該回路上。至此使用便攜式直流絕緣檢測(cè)儀成功地快速鎖定了本站發(fā)現(xiàn)的直流絕緣下降的故障。

根據(jù)圖紙拆開端子后，用萬用表測(cè)量主變冷卻器總控箱內(nèi)的該直流支路對(duì)地電阻值，并逐級(jí)往下拆開端子測(cè)量。最終檢測(cè)到C相調(diào)壓機(jī)構(gòu)壓力釋放閥繼電器的3PA2接點(diǎn)對(duì)地電阻值為5.2kΩ，當(dāng)拆開該接線時(shí)，信號(hào)復(fù)歸。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了變電站直流系統(tǒng)發(fā)生故障的危害，介紹了交流信號(hào)注入法的原理，并結(jié)合某變電站故障檢查過程驗(yàn)證了基于便攜式直流故障檢測(cè)裝置的直流系統(tǒng)絕緣下降快速定位方法的合理性，可以得出以下結(jié)論。

（1）微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確性，縮短了接地故障的查找時(shí)間，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好效果。

（2）由于直流系統(tǒng)的重要性，對(duì)于接地故障的查找是否影響設(shè)備運(yùn)行就顯得尤為重要，本文介紹的故障定位辦法可實(shí)現(xiàn)不間斷供電查找。

（3）由于直流系統(tǒng)存在大量分布電容，會(huì)降低絕緣檢測(cè)精確度。一些直流系統(tǒng)含有整流產(chǎn)生的諧波和無規(guī)律的雜波，可以將檢測(cè)過程中的實(shí)時(shí)波形顯示在顯示屏上，通過對(duì)波形的分析來進(jìn)行精確判斷。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 成林俞，戴瑜興，熊書華，等.直流系統(tǒng)在線絕緣監(jiān)測(cè)的研究及其實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015（6）：860-865.

[3] 葉國鋼.變電站直流系統(tǒng)異常分析及應(yīng)對(duì)措施研究[D].浙江大學(xué)，2015.

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