基于抗分布电容法直流接地故障查找与分析

曹文彬，陈瑞珍，曹斌，代文良，吴文健

(1.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙410004；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东 广州510000)

0 引言

分布电容的存在，给站用直流电源系统造成很多不利影响[1]，如控制电缆分布电容导致站用直流电源系统接地时继电器误动[2]。直流接地的形式有多种，如电阻性接地、直流互窜、交流窜入直流[3]等，都可导致直流系统母线对地电压产生波动，此时由于电容两端电压不可突变，因而电容—电阻回路发生充放电过程[4-5]，此充放电过程有可能使继电器两端电压达到动作电压，造成保护误动[6]。目前对直流系统分布电容影响的研究主要集中在继电器误动作、感应电压导致信号失真等方面[7-9]。

本文从直流系统原理的角度，概述分布电容的种类及来源；结合直流系统故障类型和接地查找原理，分析分布电容对直流接地查找的影响；最后，从特征频率和相位比较的角度，探讨抗分布电容法查找直流接地故障的原理并提出具体操作步骤。

1 直流系统接地故障查找原理分析

1.1 直流系统原理概述

如图1所示，直流系统对地参数可简化为正极母线KM+、负极母线KM-、正极对地等效分布电容C+、负极对地等效分布电容C-、正极对地等效绝缘电阻R+、负极对地等效绝缘电阻R-和平衡桥电阻R(正负极阻值相同)。

图1 直流系统等效电气原理图

正极对地等效分布电容C+、负极对地等效分布电容C-主要由以下几部分构成:负荷设备电容、电源设备电容、监测设备电容、滤波电容、电缆电容[10]。

1.2 直流接地查找及分布电容影响分析

依据接地电流的产生形式，直流系统接地故障查找原理可分为直流漏电流原理、注入特征信号原理、切可变电阻原理三种。由于企业标准(Q/GDW 1969—2013)规定，接地侦测不应使用交流低频注入方式的产品[11]，因此本文简要介绍直流漏电流法和切可变电阻法。

1.2.1 直流漏电流法

直流漏电流原理是借助平衡桥和接地故障回路形成有效电气回路，通过检测故障回路的直流漏电流实现接地故障查找。以正极发生单点接地为例进行分析，其等效电路如图2所示。

图2 直流漏电流法原理示意图

其中，R为直流系统平衡桥电阻(正负极相等)，C+和C-为直流系统对地分布电容，RL为直流负载，R+为正极接地等效故障电阻，TA为直流漏电流传感器。

系统正常运行时，馈线直流线路电流分别为正极线路电流I+、负极线路电流I-，且I+=I-，正负极馈线电流方向相反，检测时相互抑制抵消，TA无漏电流穿过，不存在漏磁通，无输出。当发生正极接地故障时，R+—大地—平衡桥负极电阻R形成有效回路(如图2中虚线箭头回路所示)，R+流过电流I′(I′=I+-I-)，I′即为接地产生的直流漏电流(接地故障电流)，穿过TA，形成漏磁通。此时TA有输出，经主机处理后发出告警信号并判为接地支路。

直流漏电流法原理简单，易于实现、成本低。其本质是通过检测正负极电压不平衡时接地电阻流过的不平衡电流实现接地检测，因此无法检测平衡接地；又由于检测量为直流电流，而电容具有隔直的作用，因而分布电容回路无直流电流分量，不受分布电容影响。另外，直流漏电流法的缺点还有无法实现交窜直选线(直流TA不能检测交流量)和环网选线(环网电流具备不稳定性)、蓄电池接地无法定位(蓄电池接地电路模型为两极接地)、TA存在零点漂移导致定位误差、TA易受大负荷电流影响等。

1.2.2 切可变电阻法

图3为切可变电阻法示意图，图3(a)为实际接线运行方式图，图3(b)为其等效原理图。图中R1、R2分别表示正负极切换桥电阻，K1、K2表示切换开关；R+、R-分别表示正负极对地绝缘电阻；R表示正负极平衡桥电阻；I1—I6为对应支路可能流过的接地信号电流。

当直流系统发生接地时，母线绝缘降低，绝缘检测主机发出巡检指令，开始接地侦测。此时主机控制K1、K2交替投切，直流母线对地电压将发生波动，此时I1—I6将发生相应变化。采用切可变电阻原理时，使用的TA为交流TA，可测量接地信号电流I5或I6，给出选线定位结果，并计算接地电阻具体数值。此时若R1、R2电阻值固定，则接地信号电流I5或I6为方波信号，该方波信号将受系统分布电容的影响而发生畸变，影响TA输出和接地选线精度。若使R1、R2按照一定规律变化，则接地信号电流I5或I6将为正弦波信号，可消除分布电容对信号波形的影响，提高接地检测精度。

切可变电阻法原理通过有规律地改变K1和K2的状态，产生规律的接地特征电流信号I5或I6，检测变化电流时判断其变化特征，可以有效甄别两极接地、交流接地、环网和蓄电池接地等故障，解决漏电流法的不足。

图3 切可变电阻原理法

另外，切可变电阻法的接地信号电流由直流系统内部自身产生，其缺点在于投切可变电阻时会引起母线对地电压产生波动，如果控制其波动范围不超过母线额定电压的10%，则可将保护误动风险控制在允许范围内。

综上所述，直流漏电流法不宜用于接地故障查找，只适用于长期在线运行的绝缘监测装置；宜采用切可变电阻原理查找接地故障，但需消除分布电容的影响。

1.2.3 分布电容对直流系统接地查找的影响

结合直流漏电流法和切可变电阻法的分析，可知分布电容对直流接地查找的影响主要表现在以下几个方面[12]:①若支路对地分布电容较大，则采用交流低频法时，该分布电容会流过较大的分支电流，容易导致误报接地支路；②导致保护误动[13]。由于电容两端的电压不可突变，因此当发生直流接地时，直流母线对地电压波动，引起分布电容发生充放电，与相关继电器回路构成RC电路，此充放电过程有可能导致保护误动。发生交流窜扰故障时，误动风险更大[14-15]。正是由于在接地查找的过程中，分布电容的存在可能导致保护误动，故规程规定直流系统绝缘检测装置在检测系统绝缘电阻的过程中，在系统突发一点接地时，不得造成继电保护出口继电器误动作[16]。

2 抗分布电容法查找直流接地故障

抗分布电容法的核心在于信号的特征频率和相位。在信号电压和电容数值一定的情况下，信号的特征频率决定信号电流，特征频率越高，则电容支路的信号电流越大，对接地查找干扰越大。因此为提高检测灵敏度，应尽可能地采用低频信号，但信号频率不可过低，若低到接近直流信号则失去意义。另外，电容电压滞后电容电流90°，电阻电压与电阻电流同相位，因此可利用相位比较区分电阻性绝缘故障和大分布电容支路。

2.1 抗分布电容接地查找原理

如图4所示，以切可变电阻法为例，介绍抗分布电容法实现接地查找的原理。

图4 切可变电阻原理

电阻R为定值，实现可变电阻需要在电子电路上进行处理，在母线与大地间加切可变电阻回路，回路由开关管K和限流电阻R组成。K选用高低压大功率MOS管器件构成，R选用50 kΩ电阻，功率10 W。控制器输出控制信号Vsing，控制MOS管导通率，实现电阻可变。MOS管全导通时电阻接近0，MOS管不导通时电阻接近无穷大，所以可变电阻范围是50 kΩ至无穷大，保障直流系统安全。

Vsing为电子电路触发的激励信号，设计正弦信号源作为激励信号，并且将该激励信号的相位作为接地信号电流的基准相位。探测馈线接地信号电流相位为回采信号相位。利用傅里叶变换计算两信号之间的相位差。

通过计算得出测量信号与原始信号相位差和测量信号有效值，利用相位差和有效值综合判断所测支路为接地支路还是电容支路。

2.2 抗分布电容接地查找设备要求

根据规程要求，接地查找应使用切可变电阻法的产品，选择具备特征信号电流相位采集功能和能进行相位比较以区别电阻回路和分布电容回路的设备。

理论上电阻信号和电容信号的相位差为90°，采集信号与切换开关的激励信号相位一致时，判断为接地故障支路；采集信号与切换开关的激励信号相位相差90°时，判断为电容支路。但实际运行系统不是理论模型，回路既有电阻性电流，又有电容性电流，相位差不可能为0或90°。

依据设备查找接地灵敏度要求和抗分布电容能力要求，设备需要设计一个相位角差的阈值Φ；当采集信号相位差≥Φ时，设备判断为电容支路；当相位角＜Φ时，判断为电阻接地故障支路。尽管如此，在恶劣环境下还是会出现漏报接地或者误报接地的情况，此时需要进行合理的判断。

2.3 抗分布电容接地查找操作步骤

站用直流电源系统极接线如图5所示，采取辐射供电形式并按电压等级设置分电屏，在主母线和分电屏母线上各馈出多条馈线支路。

图5 站用直流电源系统

在不能利用在线绝缘监测装置正确选线或者有备选支路时，应采用便携式接地查找仪查找直接系统接地故障，采用切可变电阻法进行接地侦测。其步骤如下:

1)在查找接地故障过程中，首先从主馈线支路开始，若支路存在大分布电容(几十微法)，接地查找仪将报接地故障(误报)，此时应记录所有报接地的故障支路，并记录接地电阻与电流。

2)完成主馈线屏支路排查后，从所测记录故障最严重支路开始，到下一级支路进行排查。到下一级后分布电容分散在各支路上，影响小，误报机率小。

3)如此逐一对故障支路进行排查，最终查找到实际接地故障支路并定位具体接地点。

3 结论

当直流系统发生接地时，分布电容回路的充放电过程可能导致保护误动；直流接地查找过程中分布电容易导致误报，降低查找效率。从经济成本和技术原理的角度看，切可变电阻法是最适合接地查找的方法。接地查找的抗分布电容法，特征频率和相位比较是其核心因素。抗分布电容法接地查找步骤，对于提高接地查找效率具有实际指导意义。