分布电容对直流接地查找影响分析

董志赟

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200063）

0 引言

变电站的直流系统为站内的控制、继电保护、信号等系统提供电源。直流系统包括蓄电池、充电机、电压及绝缘监测装置、直流母线及馈线网络。直流系统为不接地系统，当发生一点接地时，非接地点电压升高，通过分布电容产生充、放电电流，可能造成跳闸，中间继电器误动。若不能及时处理容易发展成两点接地，造成继电保护误动、拒动。

在尚未进行直流改造的变电站发生直流接地后，一般先由运行人员采取拉路法确定直流接地间隔，再通知继保人员逐级查找，工作效率低且风险大，容易造成事故。采用信号注入法原理制成的直流接地检测装置受分布电容影响较大。本文在比较2种查找方式优缺点后，着重了分析了分布电容对直流接地查找的影响，并结合实例探讨了如何采用积分原理提高接地检测装置的性能。

1 现状简介

1.1 拉路法

尚未安装微机接地检测装置的变电站，采取按路寻找、分段处理的方法，按照一定的原则短时断开各直流负载，若负载中的直流接地点被断开，直流系统将恢复绝缘。这种方法原理简单，但实际应用起来有如下缺点：

（1）查找过程中直流负载需要短时停电；

（2）仅将接地范围缩小至某负载空开范围内，进一步查找需拆动直流回路二次小线，在操作过程中容易造成误动、误碰；

（3）直流电源拉合过程中，直流对地电容的充、放电流容易造成继电保护设备误动。

1.2 利用直流绝缘监测装置

近年来，大部分变电站直流系统都安装了微机型直流绝缘监测及选线装置，该装置大多采用“电桥平衡”“低频信号注入”等原理。在直流屏各负载处安装穿心式小电流互感器，各互感器感应到的信号经过直流接地选线装置分析判断，确定直流接地的分支回路。

绝缘监测装置的等效原理如图1所示，绝缘监测装置内部可简单等效为一平衡点桥，平衡点通过高阻R2接地，正常运行时A点电位为零。

图1 直流绝缘监测装置

图2 直流接地支路示意图

系统一旦出现接地，如图2中负接地，高阻R2和直流接地点形成回路，A点电位不为零，回路中存在接地电流Ig。此时流经支路1的CT1和支路2的CT2中电流I+与I-产生的磁通平衡，而CT3中感应到不平衡电流Ig产生的磁通，从而判断出CT3所在的支路存在接地点。

通过绝缘监测和选线装置能快速定位到接地点所在的支路，而且不用拉停负载，较拉路法有了明显的进步。但由于不可能在各级直流负载均安装小CT，若要准确找出接地点，还需进一步检测。

“低频信号注入法”近来广泛应用于各种便携式直流接地检测装置中。其原理如图3所示。在直流系统叠加一低频电流信号源I，该信号源通过直流接地点与测试仪主机形成回路，用便携式钳形表检测该信号所经过的途径，逐级查找能获取准确的接地点。

图3 低频信号接地检测装置

2 分布电容的影响

采用直流绝缘监测及选线装置与便携式直流接地检测装置理论上可以做到直流系统不停电方式下的直流接地检测。但在实际应用中，受直流系统分布电容影响，可能无法查找到接地点。文［1］根据国家电网有关规程给出了便携式直流接地检测装置判断是否接地的门槛值，并进一步分析了在一定分布电容情况下，检测装置可能会误判。

变电站内保护及控制常用电缆一般为KVVP22带屏蔽层多芯电缆，芯线截面积多为2.5 mm2。文［2］对变电站内常用电缆对屏蔽层分布电容进行了仿真计算，并通过实测比较验证了其误差在允许范围内。根据国家电网18项反措要求，变电站内控制及信号电缆屏蔽层通过4 mm2软铜线在电缆两端接地，故电缆芯线对地电容可等效为对屏蔽层电容。

考虑到接地检测仪可能造成漏判或误判的原因是无法区分接地支路和非接地支路的测量电流特征量，因此将分布电容等效为C1及C2集中参数电容，将检测过程划分为非接地支路和接地支路电流测量两种情况，具体如图4、5所示。其中Rg=10kΩ为直流接地电阻，其值应考虑出口中间继电器线圈阻值（2.5kΩ）及不完全接地时绝缘电阻值，同时应不大于直流接地告警门坎值（2004年国家电网标准110V直流系统为15kΩ）；C1=C2=5μF为对地分布电容等效为集中参数的情况；I=5mA，频率为1，即幅值为5mA的低频方波电流信号源。

采用钳形表测量非接地支路时，流过钳形表的电流为该支路下对地电容C2的电流i2。在半个周期（0.5s）内，电流i2为幅值为I的阶跃响应电路，根据图5列出微分方程如下：

图4 信号注入法电流测量接线图

图5 信号注入法电流测量等效图

解微分方程可得：

采用钳形表测量接地直流支路时，流过钳形表电流为流过Rg的电流i1。在半个周期（0.5s）内，电流i1可表示为：

由式（1）、（2）可知，半个周期内非接地支路电流按时间常数τ=2RgC2=0.1s衰减，而接地支路电流按该时间常数增加。若在接地电阻或分布电容稍大或更大的情况下，接地支路和非接地支路电流瞬时值交替变化，接地检测装置难以通过设定适当的门槛区分接地支路电阻电流和非接地支路的电容电流，很可能造成接地检测装置的误判或漏判。

3 对策探讨

基于上述分析，非接地支路与接地支路电流波形如图6、7所示。

图6 非接地支路电流波形

图7 接地支路电流波形

由图6、7可知，在每半周期内的初始阶段非接地支路电容电流幅值大于接地支路，在t=0.2s时，电容电流已小于接地支路阻性电流。

对于信号注入法中消除分布电容干扰近来已有相关探讨，大多采用数学方法提高接地电流大小和相位测量精度，如文［4］中提出了用小波变换提取接地电流中阻性分量以消除电容电流的干扰，在理论及仿真上取得较好的效果。在实际应用中，变电站内复杂的电磁干扰、仪器制造成本以及测量过程中的误差对检测结果产生较大的影响。

根据接地支路与非接地支路的等效电路特点，即接地支路中包含电阻电流，而非接地支路中主要为电容电流。在一个周期内的充、放电过程中，包含电阻的接地支路为充电过程，而非接地支路中电容电流为放电过程。在1个周期内，充电过程积分远远大于放电过程。

其中S1为接地支路中电流1个周期内积分；S2为非接地支路中电流1个周期内积分。

结合实际检测过程，若钳形表所测支路包含接地支路电阻和非接地支路一部分电容电流，则S1与S2差值扩大；考虑最不利情况全站电容电流全部流过所测量的非接地支路，则S2为2.0，与S1的差值仍可以作为判断接地与非接地支路的判据。实际目前变电站内直流基本采用辐射型接线，非接地支路电容电流不可能大于全站电容电流的一半。该方法计算简单，积分差值在1个周期内保持不变，受现场测量环境影响较小。

基于积分法检测接地点的误差主要受时间常数τ及注入信号的频率影响：时间常数及频率越大，周期内电容电流衰减越慢，S1与S2差值越小。直流对地绝缘大于20 kΩ时不会引起直流接地告警；另一方面，普通规模的220kV变电站（包括12个220kV间隔，36个35kV间隔）的对地电容不大于10μF。考虑上述极端情况，S1与S2差值将不明显，此时只需将注入信号频率降为0.5，仍能取得较好效果。

4 结论

从目前应用情况来看，采用注入低频信号检测直流接地可大大提高直流接地查找工作的效率，降低风险，其低功率、低频信号对继保、自动化设备的影响也不大。但在分布电容较大或直流不完全接地情况下，可能会出现误判、漏判情况。本文就这一问题根据国家电网相关标准及变电站内直流电缆型号及敷设情况，量化分析了分布电容、接地电阻及低频信号频率对判断结果的影响，探讨了接地电流波形随上述因素的变化规律，提出了采用积分法消除分布电容影响的可能性。

［1］伊星光，何铭宁，徐玉凤，等.直流接地巡检装置误、漏选线问题分析［J］.继电器，2008（10）.

［2］费万民，张艳莉，吕征宇，等.电力系统中直流接地电阻检测和接地故障点探测的方法研究［J］.电工电能新技术，2001（3）.

［3］孟恒信，张悦，朱良肄，等.保护用控制电缆分布电容参数测试方法研究［J］.山西电力，2008（4）.

［4］李东辉，史临潼.基于小波变换的直流系统接地故障检测中小波基的选择与比较［J］.电力系统及自动化学报，2004（6）.