基于抗分布電容法直流接地故障查找與分析

曹文彬，陳瑞珍，曹斌，代文良，吳文健

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙410004；2.廣州市仟順電子設(shè)備有限公司，廣東 廣州510000)

0 引言

分布電容的存在，給站用直流電源系統(tǒng)造成很多不利影響[1]，如控制電纜分布電容導(dǎo)致站用直流電源系統(tǒng)接地時(shí)繼電器誤動(dòng)[2]。直流接地的形式有多種，如電阻性接地、直流互竄、交流竄入直流[3]等，都可導(dǎo)致直流系統(tǒng)母線對(duì)地電壓產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)由于電容兩端電壓不可突變，因而電容—電阻回路發(fā)生充放電過程[4-5]，此充放電過程有可能使繼電器兩端電壓達(dá)到動(dòng)作電壓，造成保護(hù)誤動(dòng)[6]。目前對(duì)直流系統(tǒng)分布電容影響的研究主要集中在繼電器誤動(dòng)作、感應(yīng)電壓導(dǎo)致信號(hào)失真等方面[7-9]。

本文從直流系統(tǒng)原理的角度，概述分布電容的種類及來源；結(jié)合直流系統(tǒng)故障類型和接地查找原理，分析分布電容對(duì)直流接地查找的影響；最后，從特征頻率和相位比較的角度，探討抗分布電容法查找直流接地故障的原理并提出具體操作步驟。

1 直流系統(tǒng)接地故障查找原理分析

1.1 直流系統(tǒng)原理概述

如圖1所示，直流系統(tǒng)對(duì)地參數(shù)可簡化為正極母線KM+、負(fù)極母線KM-、正極對(duì)地等效分布電容C+、負(fù)極對(duì)地等效分布電容C-、正極對(duì)地等效絕緣電阻R+、負(fù)極對(duì)地等效絕緣電阻R-和平衡橋電阻R(正負(fù)極阻值相同)。

圖1 直流系統(tǒng)等效電氣原理圖

正極對(duì)地等效分布電容C+、負(fù)極對(duì)地等效分布電容C-主要由以下幾部分構(gòu)成:負(fù)荷設(shè)備電容、電源設(shè)備電容、監(jiān)測設(shè)備電容、濾波電容、電纜電容[10]。

1.2 直流接地查找及分布電容影響分析

依據(jù)接地電流的產(chǎn)生形式，直流系統(tǒng)接地故障查找原理可分為直流漏電流原理、注入特征信號(hào)原理、切可變電阻原理三種。由于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/GDW 1969—2013)規(guī)定，接地偵測不應(yīng)使用交流低頻注入方式的產(chǎn)品[11]，因此本文簡要介紹直流漏電流法和切可變電阻法。

1.2.1 直流漏電流法

直流漏電流原理是借助平衡橋和接地故障回路形成有效電氣回路，通過檢測故障回路的直流漏電流實(shí)現(xiàn)接地故障查找。以正極發(fā)生單點(diǎn)接地為例進(jìn)行分析，其等效電路如圖2所示。

圖2 直流漏電流法原理示意圖

其中，R為直流系統(tǒng)平衡橋電阻(正負(fù)極相等)，C+和C-為直流系統(tǒng)對(duì)地分布電容，RL為直流負(fù)載，R+為正極接地等效故障電阻，TA為直流漏電流傳感器。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，饋線直流線路電流分別為正極線路電流I+、負(fù)極線路電流I-，且I+=I-，正負(fù)極饋線電流方向相反，檢測時(shí)相互抑制抵消，TA無漏電流穿過，不存在漏磁通，無輸出。當(dāng)發(fā)生正極接地故障時(shí)，R+—大地—平衡橋負(fù)極電阻R形成有效回路(如圖2中虛線箭頭回路所示)，R+流過電流I′(I′=I+-I-)，I′即為接地產(chǎn)生的直流漏電流(接地故障電流)，穿過TA，形成漏磁通。此時(shí)TA有輸出，經(jīng)主機(jī)處理后發(fā)出告警信號(hào)并判為接地支路。

直流漏電流法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)、成本低。其本質(zhì)是通過檢測正負(fù)極電壓不平衡時(shí)接地電阻流過的不平衡電流實(shí)現(xiàn)接地檢測，因此無法檢測平衡接地；又由于檢測量為直流電流，而電容具有隔直的作用，因而分布電容回路無直流電流分量，不受分布電容影響。另外，直流漏電流法的缺點(diǎn)還有無法實(shí)現(xiàn)交竄直選線(直流TA不能檢測交流量)和環(huán)網(wǎng)選線(環(huán)網(wǎng)電流具備不穩(wěn)定性)、蓄電池接地?zé)o法定位(蓄電池接地電路模型為兩極接地)、TA存在零點(diǎn)漂移導(dǎo)致定位誤差、TA易受大負(fù)荷電流影響等。

1.2.2 切可變電阻法

圖3為切可變電阻法示意圖，圖3(a)為實(shí)際接線運(yùn)行方式圖，圖3(b)為其等效原理圖。圖中R1、R2分別表示正負(fù)極切換橋電阻，K1、K2表示切換開關(guān)；R+、R-分別表示正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻；R表示正負(fù)極平衡橋電阻；I1—I6為對(duì)應(yīng)支路可能流過的接地信號(hào)電流。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，母線絕緣降低，絕緣檢測主機(jī)發(fā)出巡檢指令，開始接地偵測。此時(shí)主機(jī)控制K1、K2交替投切，直流母線對(duì)地電壓將發(fā)生波動(dòng)，此時(shí)I1—I6將發(fā)生相應(yīng)變化。采用切可變電阻原理時(shí)，使用的TA為交流TA，可測量接地信號(hào)電流I5或I6，給出選線定位結(jié)果，并計(jì)算接地電阻具體數(shù)值。此時(shí)若R1、R2電阻值固定，則接地信號(hào)電流I5或I6為方波信號(hào)，該方波信號(hào)將受系統(tǒng)分布電容的影響而發(fā)生畸變，影響TA輸出和接地選線精度。若使R1、R2按照一定規(guī)律變化，則接地信號(hào)電流I5或I6將為正弦波信號(hào)，可消除分布電容對(duì)信號(hào)波形的影響，提高接地檢測精度。

切可變電阻法原理通過有規(guī)律地改變K1和K2的狀態(tài)，產(chǎn)生規(guī)律的接地特征電流信號(hào)I5或I6，檢測變化電流時(shí)判斷其變化特征，可以有效甄別兩極接地、交流接地、環(huán)網(wǎng)和蓄電池接地等故障，解決漏電流法的不足。

圖3 切可變電阻原理法

另外，切可變電阻法的接地信號(hào)電流由直流系統(tǒng)內(nèi)部自身產(chǎn)生，其缺點(diǎn)在于投切可變電阻時(shí)會(huì)引起母線對(duì)地電壓產(chǎn)生波動(dòng)，如果控制其波動(dòng)范圍不超過母線額定電壓的10%，則可將保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)控制在允許范圍內(nèi)。

綜上所述，直流漏電流法不宜用于接地故障查找，只適用于長期在線運(yùn)行的絕緣監(jiān)測裝置；宜采用切可變電阻原理查找接地故障，但需消除分布電容的影響。

1.2.3 分布電容對(duì)直流系統(tǒng)接地查找的影響

結(jié)合直流漏電流法和切可變電阻法的分析，可知分布電容對(duì)直流接地查找的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[12]:①若支路對(duì)地分布電容較大，則采用交流低頻法時(shí)，該分布電容會(huì)流過較大的分支電流，容易導(dǎo)致誤報(bào)接地支路；②導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)[13]。由于電容兩端的電壓不可突變，因此當(dāng)發(fā)生直流接地時(shí)，直流母線對(duì)地電壓波動(dòng)，引起分布電容發(fā)生充放電，與相關(guān)繼電器回路構(gòu)成RC電路，此充放電過程有可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。發(fā)生交流竄擾故障時(shí)，誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)更大[14-15]。正是由于在接地查找的過程中，分布電容的存在可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，故規(guī)程規(guī)定直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置在檢測系統(tǒng)絕緣電阻的過程中，在系統(tǒng)突發(fā)一點(diǎn)接地時(shí)，不得造成繼電保護(hù)出口繼電器誤動(dòng)作[16]。

2 抗分布電容法查找直流接地故障

抗分布電容法的核心在于信號(hào)的特征頻率和相位。在信號(hào)電壓和電容數(shù)值一定的情況下，信號(hào)的特征頻率決定信號(hào)電流，特征頻率越高，則電容支路的信號(hào)電流越大，對(duì)接地查找干擾越大。因此為提高檢測靈敏度，應(yīng)盡可能地采用低頻信號(hào)，但信號(hào)頻率不可過低，若低到接近直流信號(hào)則失去意義。另外，電容電壓滯后電容電流90°，電阻電壓與電阻電流同相位，因此可利用相位比較區(qū)分電阻性絕緣故障和大分布電容支路。

2.1 抗分布電容接地查找原理

如圖4所示，以切可變電阻法為例，介紹抗分布電容法實(shí)現(xiàn)接地查找的原理。

圖4 切可變電阻原理

電阻R為定值，實(shí)現(xiàn)可變電阻需要在電子電路上進(jìn)行處理，在母線與大地間加切可變電阻回路，回路由開關(guān)管K和限流電阻R組成。K選用高低壓大功率MOS管器件構(gòu)成，R選用50 kΩ電阻，功率10 W?？刂破鬏敵隹刂菩盘?hào)Vsing，控制MOS管導(dǎo)通率，實(shí)現(xiàn)電阻可變。MOS管全導(dǎo)通時(shí)電阻接近0，MOS管不導(dǎo)通時(shí)電阻接近無窮大，所以可變電阻范圍是50 kΩ至無窮大，保障直流系統(tǒng)安全。

Vsing為電子電路觸發(fā)的激勵(lì)信號(hào)，設(shè)計(jì)正弦信號(hào)源作為激勵(lì)信號(hào)，并且將該激勵(lì)信號(hào)的相位作為接地信號(hào)電流的基準(zhǔn)相位。探測饋線接地信號(hào)電流相位為回采信號(hào)相位。利用傅里葉變換計(jì)算兩信號(hào)之間的相位差。

通過計(jì)算得出測量信號(hào)與原始信號(hào)相位差和測量信號(hào)有效值，利用相位差和有效值綜合判斷所測支路為接地支路還是電容支路。

2.2 抗分布電容接地查找設(shè)備要求

根據(jù)規(guī)程要求，接地查找應(yīng)使用切可變電阻法的產(chǎn)品，選擇具備特征信號(hào)電流相位采集功能和能進(jìn)行相位比較以區(qū)別電阻回路和分布電容回路的設(shè)備。

理論上電阻信號(hào)和電容信號(hào)的相位差為90°，采集信號(hào)與切換開關(guān)的激勵(lì)信號(hào)相位一致時(shí)，判斷為接地故障支路；采集信號(hào)與切換開關(guān)的激勵(lì)信號(hào)相位相差90°時(shí)，判斷為電容支路。但實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)不是理論模型，回路既有電阻性電流，又有電容性電流，相位差不可能為0或90°。

依據(jù)設(shè)備查找接地靈敏度要求和抗分布電容能力要求，設(shè)備需要設(shè)計(jì)一個(gè)相位角差的閾值Φ；當(dāng)采集信號(hào)相位差≥Φ時(shí)，設(shè)備判斷為電容支路；當(dāng)相位角＜Φ時(shí)，判斷為電阻接地故障支路。盡管如此，在惡劣環(huán)境下還是會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)接地或者誤報(bào)接地的情況，此時(shí)需要進(jìn)行合理的判斷。

2.3 抗分布電容接地查找操作步驟

站用直流電源系統(tǒng)極接線如圖5所示，采取輻射供電形式并按電壓等級(jí)設(shè)置分電屏，在主母線和分電屏母線上各饋出多條饋線支路。

圖5 站用直流電源系統(tǒng)

在不能利用在線絕緣監(jiān)測裝置正確選線或者有備選支路時(shí)，應(yīng)采用便攜式接地查找儀查找直接系統(tǒng)接地故障，采用切可變電阻法進(jìn)行接地偵測。其步驟如下:

1)在查找接地故障過程中，首先從主饋線支路開始，若支路存在大分布電容(幾十微法)，接地查找儀將報(bào)接地故障(誤報(bào))，此時(shí)應(yīng)記錄所有報(bào)接地的故障支路，并記錄接地電阻與電流。

2)完成主饋線屏支路排查后，從所測記錄故障最嚴(yán)重支路開始，到下一級(jí)支路進(jìn)行排查。到下一級(jí)后分布電容分散在各支路上，影響小，誤報(bào)機(jī)率小。

3)如此逐一對(duì)故障支路進(jìn)行排查，最終查找到實(shí)際接地故障支路并定位具體接地點(diǎn)。

3 結(jié)論

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，分布電容回路的充放電過程可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；直流接地查找過程中分布電容易導(dǎo)致誤報(bào)，降低查找效率。從經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)原理的角度看，切可變電阻法是最適合接地查找的方法。接地查找的抗分布電容法，特征頻率和相位比較是其核心因素?？狗植茧娙莘ń拥夭檎也襟E，對(duì)于提高接地查找效率具有實(shí)際指導(dǎo)意義。