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摘 要：随着变电站的规模增大和运行的设备增多，对直流系统的供电性能提出了更高的要求。直流系统作为变电站安全可靠运行的必要条件，如何确保变电站直流系统可靠运行，高效快速地定位直流故障成为当前亟待解决的问题。本文介绍了一种基于便携直流绝缘检测仪的绝缘下降快速查找方法，并以某变电站直流系统绝缘下降事件为例进行分析，验证本方法合理性，最后就如何提高变电站直流故障定位速度进行理论探究，提出展望。
关键词：直流系统 接地故障 便携式绝缘检测仪 交流信号注入法
中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0078-03
变电站直流系统主要供给全站继电保护、自动装置、控制自动化、事故照明、电话通讯等工作电源，保障着变电站的正常运行。正常时必须可靠运行，当发生直流接地故障时其供电的可靠性将大大降低，从而严重威胁变电站的安全运行，严重時造成保护误动或者拒动，扩大故障范围导致更严重的事故后果。所以应提高对直流系统接地的重视程度，分析其原因并采取相应对策，不仅要高效快速地定位直流故障，还要从根源上避免直流接地事件的发生。
1 概况
正常情况下正负对地均为绝缘的，系统中有一点发生接地时，并不影响直流系统运行[1]。但当接地点仍然存在又发生第二点接地时可能引起直流系统接地短路，造成继电保护、自动装置误动或拒动，或造成直流保险熔断，使保护、自动装置及控制回路失去电源，给电网的运行埋下安全隐患[2，3]。
现实中直流系统接地故障归纳起来有以下几种：一点接地、多点接地、两极接地（正负极均等接地、正负极不均等接地）、双回路供电接地、环网供电接地、二极管隔离供电接地、交直流串电接地、两段直流串电接地等[2-5]。
2 故障查找方法
变电站的直流系统一旦发生故障，直流系统中的直流充电装置、蓄电池巡检仪等设备会检测到系统异常并发出报警信号。由于直流系统在变电站内广泛存在且结构复杂，当直流系统绝缘发生异常时，是否能够快速地定位并且隔离故障显得尤为重要。为了更好地对直流系统的绝缘状态进行监视，在变电站中装设了直流系统绝缘监察装置。
交流信号注入法的原理是向直流系统注入交流信号，通过电流互感器测量各支路的交流电流，计算出相应的对地绝缘电阻，从而确定接地点的位置，如图1所示。按注入直流系统的信号分类可以分为低频信号法和双频信号法。
（1）低频信号法。
低频信号法的原理是在直流母线与地之间注入低频交流信号，通过安装在各支路上的电流互感器测量支路中的交流电流，从而计算出各支路的对地电阻，确定故障支路。其测量的优势在于不用停电便可进行直流接地故障的定位，但由于直流支路线路较长且多为电缆线路，会受到分布电容的影响，测量结果会存在一定的误差，对故障查找的精度造成一定的影响。
设交流信号源电压的表达式为：
（1）
从交流电流互感器中测得的电流为：
（2）
则，其中角的大小是由直流系统中分布电容和对地绝缘电阻决定的，其数值为：。
用低频信号法既可以求出直流系统对地电阻的大小，还可以定位绝缘下降的支路。其缺点是检测精度受系统分布电容影响较大，测量支路线路较多时不能准确确定绝缘下降的支路。
（2）双频信号法。
双频信号法的原理是在直流母线与地之间注入不同频率的低频信号，一般两种信号是交替变换的。通过安装在各支路的互感器测量变化的交流电流，并进行相应的计算定位故障支路。如图1所示，设输入信号的幅值为U，频率为f，电流检测仪中的电流为：
（3）
当注入信号幅值不变，频率变为Kf（K>1））的情况下，电流检测仪中的电流为：
（4）
由式（3）和式（4）可以得出，接地支路的阻性电流为：
（5）
如果K=2，即2次的频率是2倍的关系，可知：
（6）
根据原理只需测量不同频率下的电流就能得到阻性电流，但在实际的变电站直流系统中，由于分布电容存在容性电流较大，这要求测量所用的互感器要有很宽的动态应响和很高的测量精度；另外测量的前提条件是输入信号的幅值为U相同，但实际应用中两个频率的信号很难控制的完全相等，因此该方法使用受到限制。
3 便携式直流绝缘检测仪
使用交流信号注入法对直流系统的各个支路进行测试，本文使用的为某微机型便携直流绝缘检测仪。该装置由信号发生器、信号接收器和信号采集器（卡钳）三部分组成。在查找直流系统故障时，三者须同时配合使用。
信号发生器不采用传统的LC或RC的振荡电路，使用了全数字的信号发生电路使得信号发生器产生的信号稳定不易受外界环境的变化而变化。该信号发生器由单片机、A/D转换电路、信号放大滤波电路、功率放大及隔直电路、输出反馈及保护等部分组成，其实现原理如图2所示。
信号接收器原理如图3所示。从钳形电流互感器采集到的电流信号输入给信号接收器，经过放大、滤波、模数转换等处理后进行故障判断。根据判断结果显示不同数值。
使用方法为：将信号采集器分别钳在与故障母线相联的各个主回路上，并分别看液晶显示器显示情况。绝缘值由低到高分别用01至19显示，01表示绝缘较差，19表示绝缘良好。测量中如果某个支路显示的数值较低，则可判定此回路为故障回路。再逐级向其分支线路各端进行测量，通过同样的判断方式，依此类推，便可确定最终的故障支路。
当初步判断出故障支路后，为了可以排除故障需对具体接地故障点进行定位检测。在故障点的定位中通常采用二分法进行快速的故障定位。在每次检测后，故障区域均按二分取点方式进行下一次的检测定位，以便迅速地检测出具体的接地故障点。假设在A处检测时有接地状况，在B处检测时没有接地状况，就可以判断接地故障点在A至B之间。同时可根据馈线电缆走向和设备连接情况，对故障支路的各个馈线入口分别进行检测，找出故障支路，进一步将故障定位。 4 故障案例及分析
某变电站直流Ⅱ段母线绝缘异常，30min后手动复归，2h后又出现绝缘异常，直至直流Ⅱ段对地电压逐渐降至5V左右。排查工作重点针对现场的端子箱以及二次工作涉及的相关屏柜，未找到故障点，接地故障无法复归。经分析初步判断为天气因素造成的直流Ⅱ段某处对地绝缘异常导 致的故障。
使用本文所介绍的方法对该变电站直流Ⅱ段母线各个支路进行测试。将信号发生器接入直流Ⅱ段母线馈线屏的母线正端，另一端接地。用信号接收器的卡钳对各支路进行绝缘检测。由于從直流母线上测试，回路多范围广，电容电流大，效果不佳，未有效测出绝缘故障回路。
继而在各小室的直流分屏上进行测试，把信号发生器加载在分屏的直流母线上。最后测试结果为：主变继保小室Ⅱ段直流分屏进线测试值为05，其余小室Ⅱ段直流分屏进线测试值均为01。说明接地点在主变继保小室Ⅱ段直流分屏所供负荷回路上。除主变继保小室外的每个小室的Ⅱ段直流分屏各个负荷回路绝缘值均为19，主变继保小室的3号主变非电量保护屏测试值为12，其余支路都为19。初步锁定疑似接地点在3号主变非电量支路。
进入下一级排查，测试主变非电量保护屏内的开关量公共端901回路绝缘，有一条901回路测试值为12，其余都为19。大概确定接地点后，由于该设备为运行设备，向调度申请将3号主变非电量保护改为信号。将之前怀疑的回路端子拆开后，直流系统恢复正常，说明接地点确在该回路上。至此使用便携式直流绝缘检测仪成功地快速锁定了本站发现的直流绝缘下降的故障。
根据图纸拆开端子后，用万用表测量主变冷却器总控箱内的该直流支路对地电阻值，并逐级往下拆开端子测量。最终检测到C相调压机构压力释放阀继电器的3PA2接点对地电阻值为5.2kΩ，当拆开该接线时，信号复归。
5 结论
本文详细阐述了变电站直流系统发生故障的危害，介绍了交流信号注入法的原理，并结合某变电站故障检查过程验证了基于便携式直流故障检测装置的直流系统绝缘下降快速定位方法的合理性，可以得出以下结论。
（1）微机绝缘监测仪和便携式接地定位装置相互配合，很大程度上提高了查找的准确性，缩短了接地故障的查找时间，在实际应用中取得较好效果。
（2）由于直流系统的重要性，对于接地故障的查找是否影响设备运行就显得尤为重要，本文介绍的故障定位办法可实现不间断供电查找。
（3）由于直流系统存在大量分布电容，会降低绝缘检测精确度。一些直流系统含有整流产生的谐波和无规律的杂波，可以将检测过程中的实时波形显示在显示屏上，通过对波形的分析来进行精确判断。
参考文献
[1] 胡浩，侯慧军，李元安，等.500kV变电站直流系统改造过程中的问题分析及处理[J].电力学报，2014（1）：36-37.
[2] 成林俞，戴瑜兴，熊书华，等.直流系统在线绝缘监测的研究及其实现[J].电子测量与仪器学报，2015（6）：860-865.
[3] 叶国钢.变电站直流系统异常分析及应对措施研究[D].浙江大学，2015.
[4] 梁建斌.变电站直流系统接地故障查找的研究[D].华南理工大学，2013.
[5] Marrero J A.Understand ground fault detection and isolation in DC systems[J].Power Engineering Society Summer Meeting，2000，9（5）：1707-1711.
关键词：直流系统 接地故障 便携式绝缘检测仪 交流信号注入法
中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0078-03
变电站直流系统主要供给全站继电保护、自动装置、控制自动化、事故照明、电话通讯等工作电源，保障着变电站的正常运行。正常时必须可靠运行，当发生直流接地故障时其供电的可靠性将大大降低，从而严重威胁变电站的安全运行，严重時造成保护误动或者拒动，扩大故障范围导致更严重的事故后果。所以应提高对直流系统接地的重视程度，分析其原因并采取相应对策，不仅要高效快速地定位直流故障，还要从根源上避免直流接地事件的发生。
1 概况
正常情况下正负对地均为绝缘的，系统中有一点发生接地时，并不影响直流系统运行[1]。但当接地点仍然存在又发生第二点接地时可能引起直流系统接地短路，造成继电保护、自动装置误动或拒动，或造成直流保险熔断，使保护、自动装置及控制回路失去电源，给电网的运行埋下安全隐患[2，3]。
现实中直流系统接地故障归纳起来有以下几种：一点接地、多点接地、两极接地（正负极均等接地、正负极不均等接地）、双回路供电接地、环网供电接地、二极管隔离供电接地、交直流串电接地、两段直流串电接地等[2-5]。
2 故障查找方法
变电站的直流系统一旦发生故障，直流系统中的直流充电装置、蓄电池巡检仪等设备会检测到系统异常并发出报警信号。由于直流系统在变电站内广泛存在且结构复杂，当直流系统绝缘发生异常时，是否能够快速地定位并且隔离故障显得尤为重要。为了更好地对直流系统的绝缘状态进行监视，在变电站中装设了直流系统绝缘监察装置。
交流信号注入法的原理是向直流系统注入交流信号，通过电流互感器测量各支路的交流电流，计算出相应的对地绝缘电阻，从而确定接地点的位置，如图1所示。按注入直流系统的信号分类可以分为低频信号法和双频信号法。
（1）低频信号法。
低频信号法的原理是在直流母线与地之间注入低频交流信号，通过安装在各支路上的电流互感器测量支路中的交流电流，从而计算出各支路的对地电阻，确定故障支路。其测量的优势在于不用停电便可进行直流接地故障的定位，但由于直流支路线路较长且多为电缆线路，会受到分布电容的影响，测量结果会存在一定的误差，对故障查找的精度造成一定的影响。
设交流信号源电压的表达式为：
（1）
从交流电流互感器中测得的电流为：
（2）
则，其中角的大小是由直流系统中分布电容和对地绝缘电阻决定的，其数值为：。
用低频信号法既可以求出直流系统对地电阻的大小，还可以定位绝缘下降的支路。其缺点是检测精度受系统分布电容影响较大，测量支路线路较多时不能准确确定绝缘下降的支路。
（2）双频信号法。
双频信号法的原理是在直流母线与地之间注入不同频率的低频信号，一般两种信号是交替变换的。通过安装在各支路的互感器测量变化的交流电流，并进行相应的计算定位故障支路。如图1所示，设输入信号的幅值为U，频率为f，电流检测仪中的电流为：
（3）
当注入信号幅值不变，频率变为Kf（K>1））的情况下，电流检测仪中的电流为：
（4）
由式（3）和式（4）可以得出，接地支路的阻性电流为：
（5）
如果K=2，即2次的频率是2倍的关系，可知：
（6）
根据原理只需测量不同频率下的电流就能得到阻性电流，但在实际的变电站直流系统中，由于分布电容存在容性电流较大，这要求测量所用的互感器要有很宽的动态应响和很高的测量精度；另外测量的前提条件是输入信号的幅值为U相同，但实际应用中两个频率的信号很难控制的完全相等，因此该方法使用受到限制。
3 便携式直流绝缘检测仪
使用交流信号注入法对直流系统的各个支路进行测试，本文使用的为某微机型便携直流绝缘检测仪。该装置由信号发生器、信号接收器和信号采集器（卡钳）三部分组成。在查找直流系统故障时，三者须同时配合使用。
信号发生器不采用传统的LC或RC的振荡电路，使用了全数字的信号发生电路使得信号发生器产生的信号稳定不易受外界环境的变化而变化。该信号发生器由单片机、A/D转换电路、信号放大滤波电路、功率放大及隔直电路、输出反馈及保护等部分组成，其实现原理如图2所示。
信号接收器原理如图3所示。从钳形电流互感器采集到的电流信号输入给信号接收器，经过放大、滤波、模数转换等处理后进行故障判断。根据判断结果显示不同数值。
使用方法为：将信号采集器分别钳在与故障母线相联的各个主回路上，并分别看液晶显示器显示情况。绝缘值由低到高分别用01至19显示，01表示绝缘较差，19表示绝缘良好。测量中如果某个支路显示的数值较低，则可判定此回路为故障回路。再逐级向其分支线路各端进行测量，通过同样的判断方式，依此类推，便可确定最终的故障支路。
当初步判断出故障支路后，为了可以排除故障需对具体接地故障点进行定位检测。在故障点的定位中通常采用二分法进行快速的故障定位。在每次检测后，故障区域均按二分取点方式进行下一次的检测定位，以便迅速地检测出具体的接地故障点。假设在A处检测时有接地状况，在B处检测时没有接地状况，就可以判断接地故障点在A至B之间。同时可根据馈线电缆走向和设备连接情况，对故障支路的各个馈线入口分别进行检测，找出故障支路，进一步将故障定位。 4 故障案例及分析
某变电站直流Ⅱ段母线绝缘异常，30min后手动复归，2h后又出现绝缘异常，直至直流Ⅱ段对地电压逐渐降至5V左右。排查工作重点针对现场的端子箱以及二次工作涉及的相关屏柜，未找到故障点，接地故障无法复归。经分析初步判断为天气因素造成的直流Ⅱ段某处对地绝缘异常导 致的故障。
使用本文所介绍的方法对该变电站直流Ⅱ段母线各个支路进行测试。将信号发生器接入直流Ⅱ段母线馈线屏的母线正端，另一端接地。用信号接收器的卡钳对各支路进行绝缘检测。由于從直流母线上测试，回路多范围广，电容电流大，效果不佳，未有效测出绝缘故障回路。
继而在各小室的直流分屏上进行测试，把信号发生器加载在分屏的直流母线上。最后测试结果为：主变继保小室Ⅱ段直流分屏进线测试值为05，其余小室Ⅱ段直流分屏进线测试值均为01。说明接地点在主变继保小室Ⅱ段直流分屏所供负荷回路上。除主变继保小室外的每个小室的Ⅱ段直流分屏各个负荷回路绝缘值均为19，主变继保小室的3号主变非电量保护屏测试值为12，其余支路都为19。初步锁定疑似接地点在3号主变非电量支路。
进入下一级排查，测试主变非电量保护屏内的开关量公共端901回路绝缘，有一条901回路测试值为12，其余都为19。大概确定接地点后，由于该设备为运行设备，向调度申请将3号主变非电量保护改为信号。将之前怀疑的回路端子拆开后，直流系统恢复正常，说明接地点确在该回路上。至此使用便携式直流绝缘检测仪成功地快速锁定了本站发现的直流绝缘下降的故障。
根据图纸拆开端子后，用万用表测量主变冷却器总控箱内的该直流支路对地电阻值，并逐级往下拆开端子测量。最终检测到C相调压机构压力释放阀继电器的3PA2接点对地电阻值为5.2kΩ，当拆开该接线时，信号复归。
5 结论
本文详细阐述了变电站直流系统发生故障的危害，介绍了交流信号注入法的原理，并结合某变电站故障检查过程验证了基于便携式直流故障检测装置的直流系统绝缘下降快速定位方法的合理性，可以得出以下结论。
（1）微机绝缘监测仪和便携式接地定位装置相互配合，很大程度上提高了查找的准确性，缩短了接地故障的查找时间，在实际应用中取得较好效果。
（2）由于直流系统的重要性，对于接地故障的查找是否影响设备运行就显得尤为重要，本文介绍的故障定位办法可实现不间断供电查找。
（3）由于直流系统存在大量分布电容，会降低绝缘检测精确度。一些直流系统含有整流产生的谐波和无规律的杂波，可以将检测过程中的实时波形显示在显示屏上，通过对波形的分析来进行精确判断。
参考文献
[1] 胡浩，侯慧军，李元安，等.500kV变电站直流系统改造过程中的问题分析及处理[J].电力学报，2014（1）：36-37.
[2] 成林俞，戴瑜兴，熊书华，等.直流系统在线绝缘监测的研究及其实现[J].电子测量与仪器学报，2015（6）：860-865.
[3] 叶国钢.变电站直流系统异常分析及应对措施研究[D].浙江大学，2015.
[4] 梁建斌.变电站直流系统接地故障查找的研究[D].华南理工大学，2013.
[5] Marrero J A.Understand ground fault detection and isolation in DC systems[J].Power Engineering Society Summer Meeting，2000，9（5）：1707-1711.