变电站直流系统对地电容在线监测技术综述

林冬伟 姚楷楠 李堉鋆 李润宇林佳灿

摘要：变电站直流系统因不参与主要回路构成且累积效应相对隐蔽，容易被运维人员所忽略。本文对近年来变电站因直流系统对地电容造成的事故事件展开综述，通过现行直流系统对地电容在线/离线监测的原理与技术方案，分析了目前管控直流系统对地电容的关键措施与面临的挑战，以及提出直流系统对地电容管控技术方面的一些思考。

关键词：直流系统；对地电容；在线监测

0 引言

站用直流系统承担着全站数百台一二次设备的直流电源供给与事故支撑的作用。近年来因直流系统对地电容导致的事故事件时有发生，因此十分有必要采取措施来监测变电站直流系统的运行状态，保证变电站一二次设备的安全稳定运行。

1变电站直流系统对地电容的组成

通常情况下，变电站直流系统包括充电机、蓄电池和馈线单元。除此之外，直流系统还设置有集中监控单元、蓄电池巡检仪、绝缘监测仪等在线监测装置，用于监测与采集直流系统母线状态量、单体蓄电池、支路绝缘情况等。

随着变电站规模扩大，其直流系统也随之日益扩展，隐藏在各种二次装置滤波电路、长线缆之间的直流系统对地电容的数值也随之悄然增大，甚至到了不可忽视的地步。

1.1 电缆对地电容

为实现电缆信号传输的滤波抗干扰，在电缆内部，线芯与线芯间，线芯与屏蔽层间都存在直流系统对地电容[1]。电缆对地电容约为0.1－0.3μF/km，伴随着电缆长度增长而不断加大。《GB50171-201 电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范》《GB/T 50976继电保护及二次回路及验收规范》等规定也明确了多芯电缆屏蔽层的连接方式。

1.2 装置对地电容

目前，变电站的控制、通信、保护等二次设备通过其开关电源板卡提供24V、12V、5V等不同等级的直流电源，常通过一对陶瓷电容来过滤共模信号。虽说单台设备滤波电容量级很小，但直流系统所有终端设备滤波电容并联后形成的地直流系统对地电容规模是不可忽略的。

2 国内外直流系统单点接地事故事件综述

近年来，多起不同性质的事故事件揭示出了变电站直流系统对地电容不容忽视。文献[2][3]报道了多起因测量压板电位时使用有缺陷的万用表或操作不当引起开关跳闸事故。通过现场检查、理论分析和仿真建模，发现由于直流系统存在较大的对地电容，当断路器跳闸回路上发生单点接地时，对地电容与防跳继电器、断路器跳闸线圈与大地形成回路，此时产生的电容电流大于跳闸保持继电器电流线圈启动电流且持续足够长的时间，造成断路器跳闸。

文献[4][5]对分闸回路的单点接地响应特性进行了研究，建立了典型中间继电器跳闸回路的RC等效电路，根据现场试验测量数据，分析变电站的直流系统正负极接地故障、二次回路接地故障以及交直流混联等故障情况下，中间继电器两端电压的暂态过程和动作情况，提出减小二次回路杂散电容值和提高中间继电器动作可靠性的防范措施。

3 直流系统在线监测技术综述

在直流系统在线监测技术方面，电网业界聚焦点在于两点接地及故障选线、交流窜入直流等故障的检测技术。绝缘检测装置的技术规范里近年来明确提出对母线及支路对地电容的检测指标，但装置在实际运行较难满足技术规范要求。目前变电站直流系统对地电容检测方法主要有电容电桥法与交流信号注入法。

3.1 电容电桥法

电容电桥法的原理是利用电桥平衡时对角电位相同，通过三个已知桥臂能够等效计算出未知桥臂的阻抗，这意味着电容电桥法只适用于厂站未投产或全站停电，而变电站直流系统轻易无法完全停运或转供。

3.2 交流信号注入法

交流信号注入主要是通过电阻测量桥高频投切等方法向回路注入高频信号，使直流系统对地电压也在某一范围按照高频频率发生变化，回路产生的小信号也将带有高频的特征分量。通过测量小信号的电流，相位，输入阻抗，容抗等关系，来计算出系统对地电容的大小，如图1所示。利用该方法可以测量直流回路对地等效电容和跳闸线圈阻抗，并在直流回路参数部分缺失或者长期运行后整体特性发生变化的情况下，测量和调整直流回路的计算参数。

 

3.3 差流法

图1 典型阻抗网络的频率响应

4 直流系统对地电容管控技术思考

综上所述，变电站直流系统因规模、电缆布线等方面的不同，对地电容存在较大差异，而分闸回路中的关键元器件的参数和动作整定值也因厂家和型号而异。针对分闸回路接地引发断路器误动问题，目前也尚未有明确的危险点预控措施以及对各类保护、自动装置及开关采取相关的反事故措施。因此，亟需在机理分析和关键参数测量的基础上，进一步研究保护控制回路的关键元器件选型优化标准与改造策略。

对于直流系统对地电容管控，在设计层面应考虑站内电缆屏蔽规格、电缆长度与敷设密度产生的直流对地电容，或使用其他原理的数字信号、模拟信号传输方式，如推广使用光缆代替电缆的智能变电站设计。

对于规模较大的在运变电站，宜通过缩短直流系统对地电容带电/停电检测的周期，及时将退运电缆清退，更换滤波电容较大的直流用电设备，加装直流系统对地电容在线式监测装置，严格要求直流电源系统不要环路供电，采用独立分支回路供电来控制直流电源对地电容值外，还可以研究对可能引发单点接地误动跳闸的电容值实时性预警，并进一步研究直流系统等效对地电容的管控措施。

5 参考文献

[1]张焕清,雷鸣,王汇等.基于直流系统对地电容对保护安全运行影响[J].自动化与仪器仪表,2018,(05):

[2] 于辉, 刘振松. 变电站直流系统干扰引起继电保护误动的分析[C]//云南电网公司,云南省电机工程学会.2010年云南电力技术论坛论文集（优秀论文部分）.[电力系统及其自动化], 2010: 6-10.

[3] 袁卫华. 一起线路开关分闸故障分析[J]. 科技资讯, 2009(11): 57-58.

[4] 李明珀, 王斌, 林翔宇等. 直流系统一点接地引起断路器分闸的原因分析[J]. 广西电力, 2020, 43(04): 56-59

[5] 汤磊, 高厚磊, 苏文博等. 杂散电容对二次回路的影响及防范措施[J]. 电力系统保护与控制, 2010, 38(22): 206-209+213.