變電站直流系統絕緣接地故障檢測及處理

王 軍，胡松華，王瑞虎

（云南電網有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000）

1 變電站直流系統絕緣接地故障概述

1.1 直流系統絕緣接地故障分類

在實際運行過程中，直流系統分布范圍廣，連接的負荷較多，且面臨復雜的自然環境條件，這些都會對直流線路和設備產生不利的影響。此外，設備問題和人為因素的干擾也可能導致線路絕緣受損、端口開裂等問題，從而導致絕緣度下降，引發接地故障的發生。直流接地故障分類如圖1所示[1-3]。

圖1 直流系統接地故障分類

1.2 直流系統絕緣接地故障的原因

直流絕緣接地故障的因素有許多，可以分為自然因素、設備因素和人為因素類[4-5]。

自然因素。（1）遇到連續大雨、大雪的潮濕天氣會引起二次設備內凝露或積水，破壞對地絕緣性能。太陽暴曬和高溫氣候會加速電纜老化和開裂，從而引發直流接地故障。（2）變電站內防小動物封堵材料破損，控制柜、接線盒等二次設備防護不嚴，都會導致小動物爬入，造成導電部件脫落，甚至發生動物啃噬設備的現象。這有可能直接引起絕緣電阻明顯下降，產生直流接地故障。

設備因素。（1）二次設備本身的質量低下，例如一些廠家在設計生產戶外端子箱和機構箱時存在漏洞，導致內部易受潮、積水，絕緣監測裝置平衡橋電阻阻值較低等問題，也易發生直流接地故障。（2）設備使用時間太長，例如防雷元件在使用一段時間后容易被擊穿，從而導致絕緣失效引發接地故障。（3）交流充電機故障，引起設備過熱，對通信設備造成干擾，導致系統發生故障，對系統內部絕緣產生損壞。

人為因素。（1）設計和基建驗收時工作人員失誤引發故障，比如設計錯誤造成寄生回路的產生，施工不當造成交直流系統接線錯誤等問題。（2）檢修工作不到位造成故障。如工作人員個人操作疏忽，電纜二次接線絕緣包扎不完整，備用芯線外露誤碰金屬外殼導致接地故障等，并且此類故障缺陷很難排查。

1.3 直流系統絕緣接地故障的危害

變電站直流系統中發生單點接地現象，通常是指系統中某一個點出現對地的電路短接，而其他部分設備電路不受影響，這種情況不會對設備運行產生致命的傷害，回路中也不會出現短路現象，相關的熔斷器也不會動作，系統在表面看來依舊是正常運行。但監測設備會告警，提醒設備具有絕緣電阻下降引起接地故障風險，如果不能在一定時間內徹底解決直流接地故障問題，則會導致故障發展為2點甚至多點接地故障，引起斷路器誤動作跳閘、直流熔斷器燒壞、保護跳閘出口二次短接和負荷損失等。因此，一旦直流系統發接地故障后，必須要立即處理查找接地點，排查故障，采取有效措施切除，使直流系統恢復正常絕緣。

2 直流系統絕緣接地故障檢測方法

2.1 經驗判別法

根據以往的直流故障處理經驗，發現絕緣接地故障在新投入運行或改造完成后的二次設備和回路中，以及在室外暴露在潮濕或烈日下的設備中比較常見。這類故障頻率較高且占比較大，因此一旦發生故障，可以通過經驗推斷，快速確定接地位置。這種方法直接快速，但存在一定的盲目性。

2.2 拉路法

這種方法通常只適用于可以短時間斷電的非重要回路。其操作流程為：對各直流支路熔斷器或空氣開關逐個拉試，若斷開分路之后，原本的直流接地告警信號消失、絕緣恢復到正常狀態，則說明這條支路就是接地點所在的地方。這種方法須注意的是：采取拉路尋找、分路處理的辦法，且支路斷電時間不能超過3 s。這種方法簡單直觀，只適用于檢測單點接地故障，若發生多點接地，則不能有效鎖定接地故障點，同時這種方法會使對應一次設備暫時失去保護，增加了電網安全運行風險[6]。

2.3 平衡電橋法

平衡電橋法原理如圖2所示，該方法主要是通過檢測系統中正負極母線對地的絕緣情況來實現故障檢測。R1和R2是人為設定的阻值相等的電阻，R+和R–分別對應正極和負極對地的絕緣電阻。當系統絕緣正常時，電橋保持平衡，信號繼電器KS中是無電流的。而如果直流系統正極或負極發生接地故障時，電橋的平衡被破壞，繼電器線圈中流過的電流增大，繼電器會動作，并發出報警信號[7-8]。

圖2 平衡電橋法原理圖

2.4 交流檢測法

交流檢測法分為低頻信號注入法和變頻信號注入法。

低頻信號注入法是一種在接地故障發生后使用低頻信號發生器向直流系統內注入低頻信號的方法，通過對各支路電流量的采集和分析，確定故障所在的接地支路。該方法也存在一些缺點，比如向直流系統中注入低頻分量后，可能會對系統的穩定運行產生影響，同時容易受各類諧波、互感器噪聲的影響，從而降低其檢測精度和可靠性。

變頻信號注入法是注入2個幅值相同但頻率不同的低頻信號，使其交替出現，并通過2次信號注入后采集支路電流的方式，計算出接地絕緣電阻的大小。該方法具有更高的檢測精度和可靠性，可以減少諧波干擾和互感器噪聲干擾等問題的影響。但變頻注入法無法在系統對地電容和接地電阻較大時準確檢測出故障。

2.5 漏電流檢測法

漏電流檢測法須在主電路各個支路中裝設直流電流傳感器，通過傳感器檢測出漏電電流值，最終計算出接地電阻的阻值。這種方法的局限性在于在主電路的各個支路都要裝設傳感器，成本較高。而且檢測電阻大小設定不合適也會有影響，若檢測電阻偏大，則傳感器的漏電電流值相對較小，測量精度不夠；若檢測電阻偏小，則會造成正負母線對地電壓發生偏移，對安全運行造成危害[9]。

3 直流系統絕緣接地故障處理方法

為確保直流系統的良好絕緣性能，技術人員應根據實際運行環境制定科學合理的排查方案。該方案應包括保持干燥整潔的環境，并盡量減少自然因素對系統的不利影響，以有效提升系統的絕緣性能。

故障發生后，按照由內向外的順序逐一排查，根據檢測方法定位故障點后，重點檢查元器件、機構箱、電纜線路等位置，特別注意有無封堵不嚴、進水受潮、腐蝕漏電等現象，并及時處理，做好漏洞封堵、清灰掃塵、絕緣包裹完善等工作[10]。

4 220 kV保山變電站直流系統絕緣接地故障處理

4.1 案例一

因直流系統Ⅰ、Ⅱ段母線均不完全接地導致告警缺陷。2021年8月18日，保山調度通知220 kV保山變后臺頻發“直流系統Ⅰ段故障”和“直流系統Ⅱ段故障”信號，檢修人員對其進行現場檢查，用漏電流檢測法查找各段母線直流饋線支路接地情況如下：Ⅰ段負母對地電壓為129.7 V，正母對地電壓為105.8 V，Ⅰ段直流系統#1饋電柜3#饋線（110 kV保護電壓并列裝置）正接地電阻為10.6 kΩ，#2饋電柜11#饋線（35 kV Ⅰ段母線測控裝置）正接地電阻為10.6 kΩ。Ⅱ段負母對地電壓為129.6 V，正母對地電壓為104.7 V，Ⅱ段直流系統#4饋電柜1#饋線（110 kV母聯112斷路器操作電源）正接地電阻為10.5 kΩ，3#饋線（110 kV計量電壓并列裝置）負接地電阻為12.6 kΩ，#6饋線柜11#饋線（35 kVⅡ段母線測控裝置）負接地電阻為12.3 kΩ，以上電阻均低于告警值（告警值為25 kΩ，正常值為999.9 kΩ），直流系統Ⅰ、Ⅱ段母線均不完全接地。

該案例故障產生原因經初步判斷，是由于二次控制電纜已投運16年，部分電纜絕緣情況不良，連續多天下雨后，導致多支路存在絕緣接地故障的可能，使得饋線柜饋線接地電阻低于警告值，進而導致直流系統Ⅰ、Ⅱ段母線均不完全接地告警。

檢修人員用直流接地查找儀查找各段母線直流饋線、支路接地情況，發現各直流支路均無接地，因此分析可能原因是變電站綜自改造導致新老直流系統并列運行，平衡橋位置設置不合理，不同廠家的新老直流系統絕緣監測回路電阻計算方法不一致，因此出現正負接地電阻低于告警值情況。更改直流系統接地平衡橋，將直流接地平衡橋由老系統接地更改至新直流系統平衡橋接地，如圖3所示。

圖3 更換直流系統平衡橋接地

更換直流系統平衡橋后，接地電阻值恢復正常，后臺直流母線數據信息恢復正常，故障消除。由上述過程可以看出在變電站綜自改造過程中須重點對新敷設電纜進行絕緣檢查，對拆過的接線盒、電纜孔洞應進行密封性檢查驗收，做好干燥措施，防止因封堵不嚴造成電纜受潮接地。須定時更換老舊設備，在綜自改造可研階段，分析變電站二次電纜運行情況，如電纜運行情況良好，則不更換二次電纜；若根據歷史運行情況分析二次電纜絕緣較差、接地頻發，綜自改造時應同步考慮更換二次電纜。

4.2 案例二

因施工人員在電纜敷設、接線等施工過程中沒有認識到端子箱金屬尖銳部分可能對電纜絕緣產生的影響，導致電纜絕緣外皮破損引發直流接地。110 kV公用測控告警直流系統Ⅰ段直流接地故障，經檢查#1直流屏控制母線對地絕緣電阻降低為5.52 kΩ，#2直流屏控制母線對地絕緣電阻降低為0.72 kΩ。

具備開工條件后，現場檢修人員查看直流監測裝置告警信息，發現接地告警支路為220 kV蘭保Ⅱ回線275斷路器測控裝置遙信電源支路，檢修人員利用拉路法依次在直流饋線屏，220 kV蘭保Ⅱ回線275斷路器測控裝置、275斷路器端子箱、275斷路器匯控柜查找，并確定了直流接地點在端子箱至匯控柜間。

確定接地點的大概位置后檢修人員通過觀察（此時220 kV蘭保Ⅱ回線275斷路器間隔已帶電運行，無法通過拉路法或者拆線來明確具體接地芯線）發現回路電纜芯線絕緣外皮有破損，如圖4所示，初步判斷是由于該芯線絕緣外皮破損并通過端子箱金屬部分接地導致直流接地。

圖4 破損芯線

檢修人員佩戴絕緣手套，對破損芯線進行絕緣包裹，對端子箱內金屬部分進行絕緣包裹，實現對接地點的隔離，如圖5所示，處理后直流監測裝置、后臺均顯示直流系統接地告警復歸，缺陷消除。

圖5 后期處理措施

該案例是由于施工人員在電纜敷設、接線等施工過程中，電纜絕緣外皮破損引發的直流接地。因此技術人員應重點關注敷設接線施工工藝，對端子箱金屬尖銳部分進行包裹，同時做好停電間隔絕緣電阻測試工作，對絕緣電阻低的回路及時隔離并更換電纜，檢查開關場端子箱、機構箱。

5 結束語

直流系統絕緣接地故障是一種常見故障，且隨著變電站投入運行的年限越長，發生的概率越大。本文針對故障進行深入分析，同時總結故障檢測處理的方法優點與不足。結合實際工程實際需要，采取多方案相結合的辦法，快速檢測定位故障點，并消除故障，確保變電站直流系統的穩定運行，為變電站直流系統絕緣接地故障處理提供參考。