分布電容對直流接地查找影響分析

董志赟

（國網上海市電力公司檢修公司，上海 200063）

0 引言

變電站的直流系統為站內的控制、繼電保護、信號等系統提供電源。直流系統包括蓄電池、充電機、電壓及絕緣監測裝置、直流母線及饋線網絡。直流系統為不接地系統，當發生一點接地時，非接地點電壓升高，通過分布電容產生充、放電電流，可能造成跳閘，中間繼電器誤動。若不能及時處理容易發展成兩點接地，造成繼電保護誤動、拒動。

在尚未進行直流改造的變電站發生直流接地后，一般先由運行人員采取拉路法確定直流接地間隔，再通知繼保人員逐級查找，工作效率低且風險大，容易造成事故。采用信號注入法原理制成的直流接地檢測裝置受分布電容影響較大。本文在比較2種查找方式優缺點后，著重了分析了分布電容對直流接地查找的影響，并結合實例探討了如何采用積分原理提高接地檢測裝置的性能。

1 現狀簡介

1.1 拉路法

尚未安裝微機接地檢測裝置的變電站，采取按路尋找、分段處理的方法，按照一定的原則短時斷開各直流負載，若負載中的直流接地點被斷開，直流系統將恢復絕緣。這種方法原理簡單，但實際應用起來有如下缺點：

（1）查找過程中直流負載需要短時停電；

（2）僅將接地范圍縮小至某負載空開范圍內，進一步查找需拆動直流回路二次小線，在操作過程中容易造成誤動、誤碰；

（3）直流電源拉合過程中，直流對地電容的充、放電流容易造成繼電保護設備誤動。

1.2 利用直流絕緣監測裝置

近年來，大部分變電站直流系統都安裝了微機型直流絕緣監測及選線裝置，該裝置大多采用“電橋平衡”“低頻信號注入”等原理。在直流屏各負載處安裝穿心式小電流互感器，各互感器感應到的信號經過直流接地選線裝置分析判斷，確定直流接地的分支回路。

絕緣監測裝置的等效原理如圖1所示，絕緣監測裝置內部可簡單等效為一平衡點橋，平衡點通過高阻R2接地，正常運行時A點電位為零。

圖1 直流絕緣監測裝置

圖2 直流接地支路示意圖

系統一旦出現接地，如圖2中負接地，高阻R2和直流接地點形成回路，A點電位不為零，回路中存在接地電流Ig。此時流經支路1的CT1和支路2的CT2中電流I+與I-產生的磁通平衡，而CT3中感應到不平衡電流Ig產生的磁通，從而判斷出CT3所在的支路存在接地點。

通過絕緣監測和選線裝置能快速定位到接地點所在的支路，而且不用拉停負載，較拉路法有了明顯的進步。但由于不可能在各級直流負載均安裝小CT，若要準確找出接地點，還需進一步檢測。

“低頻信號注入法”近來廣泛應用于各種便攜式直流接地檢測裝置中。其原理如圖3所示。在直流系統疊加一低頻電流信號源I，該信號源通過直流接地點與測試儀主機形成回路，用便攜式鉗形表檢測該信號所經過的途徑，逐級查找能獲取準確的接地點。

圖3 低頻信號接地檢測裝置

2 分布電容的影響

采用直流絕緣監測及選線裝置與便攜式直流接地檢測裝置理論上可以做到直流系統不停電方式下的直流接地檢測。但在實際應用中，受直流系統分布電容影響，可能無法查找到接地點。文［1］根據國家電網有關規程給出了便攜式直流接地檢測裝置判斷是否接地的門檻值，并進一步分析了在一定分布電容情況下，檢測裝置可能會誤判。

變電站內保護及控制常用電纜一般為KVVP22帶屏蔽層多芯電纜，芯線截面積多為2.5 mm2。文［2］對變電站內常用電纜對屏蔽層分布電容進行了仿真計算，并通過實測比較驗證了其誤差在允許范圍內。根據國家電網18項反措要求，變電站內控制及信號電纜屏蔽層通過4 mm2軟銅線在電纜兩端接地，故電纜芯線對地電容可等效為對屏蔽層電容。

考慮到接地檢測儀可能造成漏判或誤判的原因是無法區分接地支路和非接地支路的測量電流特征量，因此將分布電容等效為C1及C2集中參數電容，將檢測過程劃分為非接地支路和接地支路電流測量兩種情況，具體如圖4、5所示。其中Rg=10kΩ為直流接地電阻，其值應考慮出口中間繼電器線圈阻值（2.5kΩ）及不完全接地時絕緣電阻值，同時應不大于直流接地告警門坎值（2004年國家電網標準110V直流系統為15kΩ）；C1=C2=5μF為對地分布電容等效為集中參數的情況；I=5mA，頻率為1，即幅值為5mA的低頻方波電流信號源。

采用鉗形表測量非接地支路時，流過鉗形表的電流為該支路下對地電容C2的電流i2。在半個周期（0.5s）內，電流i2為幅值為I的階躍響應電路，根據圖5列出微分方程如下：

圖4 信號注入法電流測量接線圖

圖5 信號注入法電流測量等效圖

解微分方程可得：

采用鉗形表測量接地直流支路時，流過鉗形表電流為流過Rg的電流i1。在半個周期（0.5s）內，電流i1可表示為：

由式（1）、（2）可知，半個周期內非接地支路電流按時間常數τ=2RgC2=0.1s衰減，而接地支路電流按該時間常數增加。若在接地電阻或分布電容稍大或更大的情況下，接地支路和非接地支路電流瞬時值交替變化，接地檢測裝置難以通過設定適當的門檻區分接地支路電阻電流和非接地支路的電容電流，很可能造成接地檢測裝置的誤判或漏判。

3 對策探討

基于上述分析，非接地支路與接地支路電流波形如圖6、7所示。

圖6 非接地支路電流波形

圖7 接地支路電流波形

由圖6、7可知，在每半周期內的初始階段非接地支路電容電流幅值大于接地支路，在t=0.2s時，電容電流已小于接地支路阻性電流。

對于信號注入法中消除分布電容干擾近來已有相關探討，大多采用數學方法提高接地電流大小和相位測量精度，如文［4］中提出了用小波變換提取接地電流中阻性分量以消除電容電流的干擾，在理論及仿真上取得較好的效果。在實際應用中，變電站內復雜的電磁干擾、儀器制造成本以及測量過程中的誤差對檢測結果產生較大的影響。

根據接地支路與非接地支路的等效電路特點，即接地支路中包含電阻電流，而非接地支路中主要為電容電流。在一個周期內的充、放電過程中，包含電阻的接地支路為充電過程，而非接地支路中電容電流為放電過程。在1個周期內，充電過程積分遠遠大于放電過程。

其中S1為接地支路中電流1個周期內積分；S2為非接地支路中電流1個周期內積分。

結合實際檢測過程，若鉗形表所測支路包含接地支路電阻和非接地支路一部分電容電流，則S1與S2差值擴大；考慮最不利情況全站電容電流全部流過所測量的非接地支路，則S2為2.0，與S1的差值仍可以作為判斷接地與非接地支路的判據。實際目前變電站內直流基本采用輻射型接線，非接地支路電容電流不可能大于全站電容電流的一半。該方法計算簡單，積分差值在1個周期內保持不變，受現場測量環境影響較小。

基于積分法檢測接地點的誤差主要受時間常數τ及注入信號的頻率影響：時間常數及頻率越大，周期內電容電流衰減越慢，S1與S2差值越小。直流對地絕緣大于20 kΩ時不會引起直流接地告警；另一方面，普通規模的220kV變電站（包括12個220kV間隔，36個35kV間隔）的對地電容不大于10μF?？紤]上述極端情況，S1與S2差值將不明顯，此時只需將注入信號頻率降為0.5，仍能取得較好效果。

4 結論

從目前應用情況來看，采用注入低頻信號檢測直流接地可大大提高直流接地查找工作的效率，降低風險，其低功率、低頻信號對繼保、自動化設備的影響也不大。但在分布電容較大或直流不完全接地情況下，可能會出現誤判、漏判情況。本文就這一問題根據國家電網相關標準及變電站內直流電纜型號及敷設情況，量化分析了分布電容、接地電阻及低頻信號頻率對判斷結果的影響，探討了接地電流波形隨上述因素的變化規律，提出了采用積分法消除分布電容影響的可能性。

［1］伊星光，何銘寧，徐玉鳳，等.直流接地巡檢裝置誤、漏選線問題分析［J］.繼電器，2008（10）.

［2］費萬民，張艷莉，呂征宇，等.電力系統中直流接地電阻檢測和接地故障點探測的方法研究［J］.電工電能新技術，2001（3）.

［3］孟恒信，張悅，朱良肄，等.保護用控制電纜分布電容參數測試方法研究［J］.山西電力，2008（4）.

［4］李東輝，史臨潼.基于小波變換的直流系統接地故障檢測中小波基的選擇與比較［J］.電力系統及自動化學報，2004（6）.