变电站直流系统绝缘接地故障检测及处理方法研究

赵树春，周 波

（新疆职业大学，新疆 乌鲁木齐 830013）

0 引 言

随着弱直流输电技术的发展和应用，直流系统的绝缘问题日益凸显。直流系统绝缘故障不仅会造成系统运行事故，而且可能导致电网崩溃等严重后果[1]。为确保直流系统的安全稳定运行，开展绝缘故障检测与处理技术的研究具有重要意义。

1 变电站直流系统绝缘接地常见故障

直流系统主要包括直流母线、逆变器及电抗器等设备[2]。直流系统绝缘接地故障可分为完全接地故障和部分接地故障。

完全接地故障指直流电路绝缘与地面之间出现低阻抗的导电通路，使高压母线与地（地面）形成电气连接。这通常由绝缘破坏引起，如绝缘子破损或外部电晕。完全接地故障电流可达几千安培，必须在几毫秒内切除，否则会对设备造成严重破坏[3]。

部分接地故障指母线与地之间出现较高阻抗（典型范围10 ～500 Ω）的接触。这主要是由于设备长期老化或外部污秽导致绝缘性能降低。部分接地故障电流较小，约为几安培，不会立即破坏设备，但会持续产生过电压，长期影响绝缘性能并可能演变为严重故障。

2 种故障在波形、电流大小和危害上有较大差异，因此快速识别故障类型对制定处理方法至关重要。此外，接地位置和电网配置会影响故障特征和演变过程。

2 变电站直流系统绝缘接地故障检测技术

2.1 脉冲电流法

脉冲电流法是当前变电站直流系统接地故障检测中广泛应用的一项技术。通过直流系统充放脉冲电流和直流侧电压响应来评估绝缘状态。操作过程中，当脉冲电流充入系统时，直流母线电压呈下降趋势；反之，当脉冲电流放电时，电压呈上升趋势。通过分析电压响应波形的衰减时间常数，可以准确检测绝缘接地故障。该方法可在线路运行状态下进行实时监测[4]。脉冲电源的频率通常设置为0.1 Hz，而脉冲幅值的大小取决于系统电压级和容量。例如，对于±800 kV 系统，可采用3 000 A 的脉冲幅值。为提高检测可靠性，需要综合分析多次脉冲结果。

2.2 直流电压法

直流电压法是检测直流系统绝缘状态的传统方法之一，通过测量直流母线对地电压来判断绝缘状态是否正常。当发生接地故障时，绝缘电阻从正常状态的500 MΩ 降低到10 kΩ 以下，母线电压会出现小幅降低（高压系统可达0.5%以上）或含有谐波的波动。此时，采用灵敏度0.1%的电压互感器可以检测到这种微小的电压变化。该方法可持续在线监测，对电压精度要求达±0.2%，采样频率大于1 kHz，是重要的故障预警手段[5]。然而该方法对准确定位接地故障点的精度较差，且无法有效检测局部放电等预警故障。因此，为提高检测灵敏度，可在母线配置分压比为1 ∶3 000 的电压分配电阻器，或者通过配合检测灵敏度达100 pC 的弧形检测器实现检测。此外，变电站常采用数十个电容单元串联的电容式绝缘子接地，形成复杂的分布式电容网络。断路器闭合时会产生频率为几万赫兹的接地电压振荡。通过检测和分析高频特征，可以判断绝缘健康状态。目前，这种基于接地电压高频分量的故障检测方法逐渐得到应用。

2.3 在线监测技术

随着数字化和智能化技术的不断进步，基于在线监测的新型直流绝缘故障检测方法正处于快速发展阶段。该方法采用分布式传感网络，实时采集各类特征信号，通过高速计算和智能分析，实现对绝缘故障的精准定位和预警。例如，在直流系统中配置敏感光纤传感器，测量电晕放电、端部放电等激发的声光信号，灵敏度可达1 pC 级别，频响范围可达兆赫兹级别。此外，利用无线传感器网络可以监视绝缘子表面露点放电，监测精度可达微伏级别。同时，故障波形记录仪可检测接地故障频发的初始脉冲特征，且其时间分辨率可达纳秒级别。这些数字化监测数据经过高速处理可以实现对故障演变过程的动态分析，找出故障弱点，进行预防性维护。在线监测技术的优势在于全面、灵活和精确，可以实现对不同类型故障的整体识别与预测。由于数据量较大，系统对实时分析算法和传输带宽的要求较高，如需要吉字节级别的数据存储和处理能力，以及吉比特每秒级别的传输带宽。

3 变电站直流系统绝缘接地故障处理方法

3.1 故障隔离

当检测到直流系统绝缘接地故障后，需要及时采取隔离措施，避免故障范围进一步扩大。具体隔离方式取决于故障类型和故障部位。对于完全接地故障，由于故障电流大，必须快速切除。首选采用直流电路断路器隔离，如额定电流2 000 A 和断开时间20 ms的高压气体断路器。考虑母线过电压问题，断路器断开前需要启动电压互感器与避雷器之间的过电压放电线路，将瞬间产生的接地过电压限制在设备允许的1.5倍电压以下。对于部分接地故障，可以通过合理控制直流断路器实现有效隔离。例如，分别在故障线路两端安装一对对称电压控制型直流断路器，并通过电容调相器产生一个30°～60°的控制相位差，使两端直流断路器断开，避免大电流冲击，从而实现对故障点的平稳切除。此外，需要考虑断路器自身的绝缘水平，要求击穿电压高于系统电压的2.5 倍。断路器隔离动作后应立即禁止投运，直至故障点检查良好后方可恢复运用。

对于不能立即切除的故障，需要启动限流电抗器进行限流，可根据故障电流大小选择阻抗。例如，对于10 A 故障电流，可以选用阻抗为100 Ω 的限流电抗器，将故障电流限制在安全范围内，同时应减小电抗器的相位控制角度α，降低系统的过电压水平。相位控制角度α的计算公式为

式中：Ud为直流母线电压；Ec为交流电源电压。

隔离措施的目的是避免故障点无控制扩展，防止设备严重受损，为后续的系统恢复创造条件。

3.2 故障定位与修复

对故障实施隔离后，需要及时定位故障并进行针对性修复。定位方法包括联合应用传统电气检测技术和先进的在线监测技术。例如，可以通过便携式绝缘电阻测试仪检测故障部位附近的绝缘电阻值分布，测量范围为0.1 MΩ ～10 GΩ，测试电压可达5 kV。对多种定位结果进行相关性分析和数据融合，可判断出故障所在区域，以便及时进行修复。对绝缘子破损等绝缘破坏故障，需要更换受损绝缘子。对于部分放电故障，可以采用金属氧化锆涂层进行在线修复。该涂层抗腐蚀电压可达1 200 V。对污秽引起的表面漏电，可以喷洒410 kV/m 的防污高压涂料进行修复。修复过程中，所有作业人员必须佩戴绝缘手套、绝缘鞋并使用绝缘扳手等工具，严防发生触电事故。修复后的故障部位需要进行与系统电压相当的交流电流和直流电流试验测试，以验证绝缘水平的恢复情况。故障电阻的计算公式为

式中：Rf为故障电阻；Ud为直流母线电压；If为故障电流。

3.3 系统恢复与优化

排除故障后，需要及时恢复系统的正常运行。首先，试运行验证修复后的故障部位。例如，可以在故障电阻两端施加20 kV 的交流试验电压和40 kV 的直流试验电压，持续10 min，同时用绝缘电阻表测量泄漏电流，确保泄漏电流小于0.5 mA。其次，逐步恢复断路器并重新充电至运行电压，充电电压斜率控制在1 000 V/s 以内，严密观察电压、电流等参数变化，确保系统稳定。考虑直流系统长时间断电后电容和金属接触面上残留电荷可能导致重投入时接地过电压，可以采取放电措施。例如，使用10 kΩ 的放电电阻器，将直流电容两端电压降到100 V 以下再允许重投入。此外，检查故障前母线过电压状况的原因并消除。例如，增设避雷器抑制雷电过电压，调整换流变压器接地方式抑制谐波过电压，改善电缆屏蔽接地抑制静电感应过电压等。为实现长期稳定运行，系统还需要持续优化监测和预防措施。例如：增加在线监测点位数量，缩短传感器间隔至20 m；构建高密度监测网络，实现对故障产生与发展的全过程捕捉；运用机器学习算法实现对多参数的关联分析，找出影响系统稳定的关键因素。根据这些信息，可以提前针对性地更换劣化部位、优化绝缘子表面涂层及增强防污闪电性能等，持续提升整体绝缘水平和抗干扰能力。直流电容两端残余电荷的计算公式为

式中：Qr为残余电荷量；C为电容值；Ur为两端残余电压。

4 实验研究

4.1 实验设备和测试方法

为验证所提直流绝缘故障检测与处理方法的有效性，构建±100 kV 小型直流系统实验平台。该平台由直流充电机、电压调节器、高压开关、电容以及电阻组成，通过人工设置故障电阻，模拟不同类型的接地故障。采用站用电压互感器（Potential Transformer，PT）测量直流电压，PT 的变比为10 000 ∶1，频率响应为10 ～1 000 000 Hz。电流采用0.01级的电流互感器（Current Transformer，CT）测量，CT 变比为1 000 ∶1。通过绝缘采集设备将数据送入计算机进行存储和分析，计算机内存配置为16 GB，采用i7 处理器。

测试时：首先对平台充电至50 kV，保持2 min后断开；其次，在电阻R1和接地极间接入故障电阻Rf模拟接地故障，计算故障电流大小；最后，闭合断路器，测试不同检测手段对故障的响应。例如，当Rf=100 Ω 时，对应一个10 A 的接地故障，通过检测PT 端的电压波形变化、CT 测量的故障电流以及高频成分变化验证所设故障。测试后，采取限流、切除等措施模拟故障隔离过程，验证处理方法的有效性。通过多组测试对比不同参数对系统的影响，从而为优化提供依据。

4.2 实验结果及对应的处理措施

通过多组实验测试，验证所提检测和处理方法的效果。部分典型测试结果及对应处理措施总结如表1 所示。

表1 典型实验结果及处理措施

从表1 可以看出：对于完全故障，由于故障电流较大，直接采用快速切除的隔离方式；部分接地故障电流较小，通过限流避免设备损坏，同时切除故障点；绝缘老化故障没有大的波动，可通过局部修复处理。此外，测试发现，采用低幅脉冲的接地电流法，可以有效防止失误操作产生的系统干扰。限流电抗器效果好，可有效削减故障电流。测试验证了理论分析的正确性，可为参数优化提供依据。

5 结 论

文章全面总结了变电站直流系统绝缘接地故障研究现状，重点概述检测与处理方法，并通过实验完成验证，可为直流绝缘故障防护技术的发展提供参考。后续工作将进一步提高定位与预测的精确性，加强信息化建设，持续改进直流系统的运行水平。