變電站直流系統絕緣接地故障檢測及處理方法研究

趙樹春，周 波

（新疆職業大學，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引 言

隨著弱直流輸電技術的發展和應用，直流系統的絕緣問題日益凸顯。直流系統絕緣故障不僅會造成系統運行事故，而且可能導致電網崩潰等嚴重后果[1]。為確保直流系統的安全穩定運行，開展絕緣故障檢測與處理技術的研究具有重要意義。

1 變電站直流系統絕緣接地常見故障

直流系統主要包括直流母線、逆變器及電抗器等設備[2]。直流系統絕緣接地故障可分為完全接地故障和部分接地故障。

完全接地故障指直流電路絕緣與地面之間出現低阻抗的導電通路，使高壓母線與地（地面）形成電氣連接。這通常由絕緣破壞引起，如絕緣子破損或外部電暈。完全接地故障電流可達幾千安培，必須在幾毫秒內切除，否則會對設備造成嚴重破壞[3]。

部分接地故障指母線與地之間出現較高阻抗（典型范圍10 ～500 Ω）的接觸。這主要是由于設備長期老化或外部污穢導致絕緣性能降低。部分接地故障電流較小，約為幾安培，不會立即破壞設備，但會持續產生過電壓，長期影響絕緣性能并可能演變為嚴重故障。

2 種故障在波形、電流大小和危害上有較大差異，因此快速識別故障類型對制定處理方法至關重要。此外，接地位置和電網配置會影響故障特征和演變過程。

2 變電站直流系統絕緣接地故障檢測技術

2.1 脈沖電流法

脈沖電流法是當前變電站直流系統接地故障檢測中廣泛應用的一項技術。通過直流系統充放脈沖電流和直流側電壓響應來評估絕緣狀態。操作過程中，當脈沖電流充入系統時，直流母線電壓呈下降趨勢；反之，當脈沖電流放電時，電壓呈上升趨勢。通過分析電壓響應波形的衰減時間常數，可以準確檢測絕緣接地故障。該方法可在線路運行狀態下進行實時監測[4]。脈沖電源的頻率通常設置為0.1 Hz，而脈沖幅值的大小取決于系統電壓級和容量。例如，對于±800 kV 系統，可采用3 000 A 的脈沖幅值。為提高檢測可靠性，需要綜合分析多次脈沖結果。

2.2 直流電壓法

直流電壓法是檢測直流系統絕緣狀態的傳統方法之一，通過測量直流母線對地電壓來判斷絕緣狀態是否正常。當發生接地故障時，絕緣電阻從正常狀態的500 MΩ 降低到10 kΩ 以下，母線電壓會出現小幅降低（高壓系統可達0.5%以上）或含有諧波的波動。此時，采用靈敏度0.1%的電壓互感器可以檢測到這種微小的電壓變化。該方法可持續在線監測，對電壓精度要求達±0.2%，采樣頻率大于1 kHz，是重要的故障預警手段[5]。然而該方法對準確定位接地故障點的精度較差，且無法有效檢測局部放電等預警故障。因此，為提高檢測靈敏度，可在母線配置分壓比為1 ∶3 000 的電壓分配電阻器，或者通過配合檢測靈敏度達100 pC 的弧形檢測器實現檢測。此外，變電站常采用數十個電容單元串聯的電容式絕緣子接地，形成復雜的分布式電容網絡。斷路器閉合時會產生頻率為幾萬赫茲的接地電壓振蕩。通過檢測和分析高頻特征，可以判斷絕緣健康狀態。目前，這種基于接地電壓高頻分量的故障檢測方法逐漸得到應用。

2.3 在線監測技術

隨著數字化和智能化技術的不斷進步，基于在線監測的新型直流絕緣故障檢測方法正處于快速發展階段。該方法采用分布式傳感網絡，實時采集各類特征信號，通過高速計算和智能分析，實現對絕緣故障的精準定位和預警。例如，在直流系統中配置敏感光纖傳感器，測量電暈放電、端部放電等激發的聲光信號，靈敏度可達1 pC 級別，頻響范圍可達兆赫茲級別。此外，利用無線傳感器網絡可以監視絕緣子表面露點放電，監測精度可達微伏級別。同時，故障波形記錄儀可檢測接地故障頻發的初始脈沖特征，且其時間分辨率可達納秒級別。這些數字化監測數據經過高速處理可以實現對故障演變過程的動態分析，找出故障弱點，進行預防性維護。在線監測技術的優勢在于全面、靈活和精確，可以實現對不同類型故障的整體識別與預測。由于數據量較大，系統對實時分析算法和傳輸帶寬的要求較高，如需要吉字節級別的數據存儲和處理能力，以及吉比特每秒級別的傳輸帶寬。

3 變電站直流系統絕緣接地故障處理方法

3.1 故障隔離

當檢測到直流系統絕緣接地故障后，需要及時采取隔離措施，避免故障范圍進一步擴大。具體隔離方式取決于故障類型和故障部位。對于完全接地故障，由于故障電流大，必須快速切除。首選采用直流電路斷路器隔離，如額定電流2 000 A 和斷開時間20 ms的高壓氣體斷路器?？紤]母線過電壓問題，斷路器斷開前需要啟動電壓互感器與避雷器之間的過電壓放電線路，將瞬間產生的接地過電壓限制在設備允許的1.5倍電壓以下。對于部分接地故障，可以通過合理控制直流斷路器實現有效隔離。例如，分別在故障線路兩端安裝一對對稱電壓控制型直流斷路器，并通過電容調相器產生一個30°～60°的控制相位差，使兩端直流斷路器斷開，避免大電流沖擊，從而實現對故障點的平穩切除。此外，需要考慮斷路器自身的絕緣水平，要求擊穿電壓高于系統電壓的2.5 倍。斷路器隔離動作后應立即禁止投運，直至故障點檢查良好后方可恢復運用。

對于不能立即切除的故障，需要啟動限流電抗器進行限流，可根據故障電流大小選擇阻抗。例如，對于10 A 故障電流，可以選用阻抗為100 Ω 的限流電抗器，將故障電流限制在安全范圍內，同時應減小電抗器的相位控制角度α，降低系統的過電壓水平。相位控制角度α的計算公式為

式中：Ud為直流母線電壓；Ec為交流電源電壓。

隔離措施的目的是避免故障點無控制擴展，防止設備嚴重受損，為后續的系統恢復創造條件。

3.2 故障定位與修復

對故障實施隔離后，需要及時定位故障并進行針對性修復。定位方法包括聯合應用傳統電氣檢測技術和先進的在線監測技術。例如，可以通過便攜式絕緣電阻測試儀檢測故障部位附近的絕緣電阻值分布，測量范圍為0.1 MΩ ～10 GΩ，測試電壓可達5 kV。對多種定位結果進行相關性分析和數據融合，可判斷出故障所在區域，以便及時進行修復。對絕緣子破損等絕緣破壞故障，需要更換受損絕緣子。對于部分放電故障，可以采用金屬氧化鋯涂層進行在線修復。該涂層抗腐蝕電壓可達1 200 V。對污穢引起的表面漏電，可以噴灑410 kV/m 的防污高壓涂料進行修復。修復過程中，所有作業人員必須佩戴絕緣手套、絕緣鞋并使用絕緣扳手等工具，嚴防發生觸電事故。修復后的故障部位需要進行與系統電壓相當的交流電流和直流電流試驗測試，以驗證絕緣水平的恢復情況。故障電阻的計算公式為

式中：Rf為故障電阻；Ud為直流母線電壓；If為故障電流。

3.3 系統恢復與優化

排除故障后，需要及時恢復系統的正常運行。首先，試運行驗證修復后的故障部位。例如，可以在故障電阻兩端施加20 kV 的交流試驗電壓和40 kV 的直流試驗電壓，持續10 min，同時用絕緣電阻表測量泄漏電流，確保泄漏電流小于0.5 mA。其次，逐步恢復斷路器并重新充電至運行電壓，充電電壓斜率控制在1 000 V/s 以內，嚴密觀察電壓、電流等參數變化，確保系統穩定?？紤]直流系統長時間斷電后電容和金屬接觸面上殘留電荷可能導致重投入時接地過電壓，可以采取放電措施。例如，使用10 kΩ 的放電電阻器，將直流電容兩端電壓降到100 V 以下再允許重投入。此外，檢查故障前母線過電壓狀況的原因并消除。例如，增設避雷器抑制雷電過電壓，調整換流變壓器接地方式抑制諧波過電壓，改善電纜屏蔽接地抑制靜電感應過電壓等。為實現長期穩定運行，系統還需要持續優化監測和預防措施。例如：增加在線監測點位數量，縮短傳感器間隔至20 m；構建高密度監測網絡，實現對故障產生與發展的全過程捕捉；運用機器學習算法實現對多參數的關聯分析，找出影響系統穩定的關鍵因素。根據這些信息，可以提前針對性地更換劣化部位、優化絕緣子表面涂層及增強防污閃電性能等，持續提升整體絕緣水平和抗干擾能力。直流電容兩端殘余電荷的計算公式為

式中：Qr為殘余電荷量；C為電容值；Ur為兩端殘余電壓。

4 實驗研究

4.1 實驗設備和測試方法

為驗證所提直流絕緣故障檢測與處理方法的有效性，構建±100 kV 小型直流系統實驗平臺。該平臺由直流充電機、電壓調節器、高壓開關、電容以及電阻組成，通過人工設置故障電阻，模擬不同類型的接地故障。采用站用電壓互感器（Potential Transformer，PT）測量直流電壓，PT 的變比為10 000 ∶1，頻率響應為10 ～1 000 000 Hz。電流采用0.01級的電流互感器（Current Transformer，CT）測量，CT 變比為1 000 ∶1。通過絕緣采集設備將數據送入計算機進行存儲和分析，計算機內存配置為16 GB，采用i7 處理器。

測試時：首先對平臺充電至50 kV，保持2 min后斷開；其次，在電阻R1和接地極間接入故障電阻Rf模擬接地故障，計算故障電流大??；最后，閉合斷路器，測試不同檢測手段對故障的響應。例如，當Rf=100 Ω 時，對應一個10 A 的接地故障，通過檢測PT 端的電壓波形變化、CT 測量的故障電流以及高頻成分變化驗證所設故障。測試后，采取限流、切除等措施模擬故障隔離過程，驗證處理方法的有效性。通過多組測試對比不同參數對系統的影響，從而為優化提供依據。

4.2 實驗結果及對應的處理措施

通過多組實驗測試，驗證所提檢測和處理方法的效果。部分典型測試結果及對應處理措施總結如表1 所示。

表1 典型實驗結果及處理措施

從表1 可以看出：對于完全故障，由于故障電流較大，直接采用快速切除的隔離方式；部分接地故障電流較小，通過限流避免設備損壞，同時切除故障點；絕緣老化故障沒有大的波動，可通過局部修復處理。此外，測試發現，采用低幅脈沖的接地電流法，可以有效防止失誤操作產生的系統干擾。限流電抗器效果好，可有效削減故障電流。測試驗證了理論分析的正確性，可為參數優化提供依據。

5 結 論

文章全面總結了變電站直流系統絕緣接地故障研究現狀，重點概述檢測與處理方法，并通過實驗完成驗證，可為直流絕緣故障防護技術的發展提供參考。后續工作將進一步提高定位與預測的精確性，加強信息化建設，持續改進直流系統的運行水平。