一起FMK開關(guān)分合閘時直流接地故障的原因分析及整改措施

鄭宏陽 吳佩澤

摘 要：直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，極有可能造成控制回路、繼電保護(hù)裝置、安全自動裝置、勵磁調(diào)節(jié)器電源、事故照明系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)拒動、誤動或失去保護(hù)功能等，直接威脅電力系統(tǒng)安全?，F(xiàn)針對一起FMK開關(guān)分合閘時造成直流接地故障的情況展開分析，根據(jù)故障原因，提出了有效的整改措施。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);接地;FMK開關(guān);整改措施

1 直流系統(tǒng)的重要性

直流系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水電站、火電廠、變電站以及其他直流用戶，具有電源比較平穩(wěn)、波形固定等特點(diǎn)，若運(yùn)行中設(shè)備失去直流電源，則會造成保護(hù)誤動或拒動甚至全站失控，不僅擴(kuò)大了事故范圍，而且會對人身、設(shè)備安全等造成重大隱患。

直流電源是自動化設(shè)備的保護(hù)和操作電源，其穩(wěn)定運(yùn)行與否直接關(guān)系到整個機(jī)組的安全。直流電源最常見的故障為直流接地故障，其主要危害如下：（1）當(dāng)直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時，極有可能造成裝置對地電容出現(xiàn)放電現(xiàn)象，使得繼電保護(hù)、斷路器出現(xiàn)誤動或拒動等情況。（2）當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)兩點(diǎn)接地時，除了會造成繼電保護(hù)等自動化設(shè)備誤動、拒動外，還可能造成直流電源跳閘，使電氣設(shè)備失去供電電源。（3）當(dāng)在復(fù)雜保護(hù)回路中出現(xiàn)同極兩點(diǎn)接地時，會直接造成設(shè)備內(nèi)部某些繼電器出現(xiàn)短接，使得保護(hù)發(fā)出跳閘信號，或者出現(xiàn)越級跳閘等現(xiàn)象，造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，直接危害設(shè)備及人員生命安全。

為了防止因直流正接地而造成繼電保護(hù)誤動作，一般將跳閘線圈接入負(fù)極電源，當(dāng)回路出現(xiàn)接地、絕緣不良等現(xiàn)象時，可有效避免對地電容放電產(chǎn)生的瞬時高電壓引起繼電保護(hù)誤動作的情況。

2 設(shè)備概況及故障現(xiàn)象

FMK開關(guān)在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時合閘并為發(fā)電機(jī)提供勵磁電壓，發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到額定電壓后即可與系統(tǒng)并列。若此時發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則影響發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)時間，重則在并網(wǎng)后突然失去勵磁電壓，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁[1]。

由圖1可以看出，機(jī)組FMK開關(guān)的控制回路中直流電源包括直流閃光母線、直流控制Ⅱ母，圖中FK是發(fā)變阻控制盤上FMK開關(guān)分合閘把手，此操作把手共分為“預(yù)合閘”“合閘”“預(yù)合分閘”“分閘”4組位置。在發(fā)電機(jī)建壓時需要對FMK開關(guān)進(jìn)行合閘操作，此時FMK開關(guān)在“分閘后”狀態(tài)，此位置即表明開關(guān)分閘狀態(tài)與操作把手位置相一致，第一步需將操作把手FK打至“預(yù)合閘”位置，此時FK把手的“9-12”接點(diǎn)接通，綠燈閃爍，表明操作把手位置與開關(guān)實際位置狀態(tài)不對應(yīng)。當(dāng)把FK打至“合閘”位置時，此時“13-16”接通，紅燈常亮，開關(guān)處于“合閘”位置，F(xiàn)MK開關(guān)合閘正常，發(fā)電機(jī)開始建壓。

機(jī)組勵磁系統(tǒng)滅磁開關(guān)（FMK開關(guān)）在“預(yù)分合閘”位置時，機(jī)組直流系統(tǒng)報接地故障，開關(guān)合閘后直流接地現(xiàn)象即可自行消失。

3 故障原因分析

根據(jù)開關(guān)合閘、分閘前的現(xiàn)象以及圖1所示FMK開關(guān)控制回路圖的分析，直流接地是在對FMK開關(guān)進(jìn)行分合閘操作過程中出現(xiàn)的，正常運(yùn)行和停運(yùn)后直流系統(tǒng)運(yùn)行正常，無報警，并且FMK開關(guān)的操作到開關(guān)本體之間為長距離電纜。綜上，對開關(guān)的控制回路接線進(jìn)行絕緣檢查，查找控制回路接線中的分合閘回路、閃光報警回路、分合閘線圈等接線或設(shè)備有無接地、絕緣損壞或絕緣下降的現(xiàn)象。對FMK開關(guān)二次回路及分合閘控制開關(guān)進(jìn)行檢查，回路絕緣良好，控制開關(guān)接點(diǎn)可靠，故直流接地現(xiàn)象與回路絕緣無關(guān)。經(jīng)檢查，該電廠#1機(jī)發(fā)變組保護(hù)控制屏柜內(nèi)的開關(guān)控制回路和閃光報警回路所用直流電源分別來自#1機(jī)控制直流Ⅱ母和#1機(jī)控制直流Ⅰ母，兩段直流正常時分別獨(dú)立運(yùn)行。根據(jù)開關(guān)操作的順序，以及對開關(guān)操作過程中直流接地現(xiàn)象的研究，結(jié)合#1機(jī)發(fā)變組保護(hù)控制屏柜內(nèi)的直流電源的接入特點(diǎn)分析，開關(guān)在分合閘操作過程中應(yīng)該是使兩段母線合環(huán)運(yùn)行才導(dǎo)致了兩段母線同時報直流接地故障[2]。該廠使用的直流系統(tǒng)為深圳奧特迅公司產(chǎn)品，主機(jī)型號為WJY3000AF，配置CT采集模塊以及絕緣監(jiān)測電流變送器。該主機(jī)采用電橋原理，可實時對正負(fù)直流母線的對地電壓及絕緣電阻進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)實際運(yùn)行參數(shù)低于設(shè)定的報警值時，支路巡檢功能會自動啟動。實時絕緣監(jiān)測可分為母線監(jiān)測和支路巡檢兩部分。母線絕緣監(jiān)測的原理是測量母線正負(fù)極對地的絕緣電阻。由于帶電體電阻不能直接進(jìn)行測量，因此母線對地絕緣電阻通常采取正負(fù)母線之間投切采樣電阻，采樣不同投切電阻和絕緣電阻形成不同的對地直流電壓，通過對不同情況下的正負(fù)母線對地電壓進(jìn)行測量，進(jìn)而通過計算得出絕緣電阻。FMK開關(guān)的控制原理圖如圖2所示，R+和R-分別是正負(fù)母線對地的等效絕緣電阻，224 kΩ與226 kΩ電阻分別為正負(fù)母線對地的平衡電阻，這兩個電阻在正常情況下起到平衡母線對地電壓的作用，不至于使得母線因?qū)Φ亟^緣電阻過大而導(dǎo)致對地電壓不穩(wěn)定。K1～K4投切的幾組電阻分別在不同情況下使得測量正負(fù)母線電壓不同，以便計算出對地的絕緣電阻。

所有開關(guān)斷開時，分別測量正負(fù)母線的對地電壓U1、U2，得到以下關(guān)于R+、R-的方程：

將K1開關(guān)閉合，分別測量正負(fù)母線的對地電壓U1′和U2′，得到以下關(guān)于R+、R-的方程：

式（1）和式（2）為一個關(guān)于R+和R-的二元方程組，通過求解即可算出R+和R-的值。

在實際應(yīng)用中，考慮到正負(fù)母線絕緣電阻等值下降等因素，需設(shè)置多個投切開關(guān)K2、K3、K4等，以便計算不同工況下的母線對地絕緣電阻。

當(dāng)正負(fù)母線的對地絕緣電阻值低于設(shè)定的告警閾值時，絕緣監(jiān)測裝置給出絕緣下降的告警。一般情況下，告警閾值和母線電壓相關(guān)，比如常見的220 V直流電源系統(tǒng)，其告警值一般設(shè)置在25 kΩ左右。

K1、K2、K3、K4相當(dāng)于電子開關(guān)，開關(guān)的閉合和打開由電子脈沖控制，可以測量正常情況下直流母線的對地電阻并和參考值進(jìn)行比較，開關(guān)的閉合、打開順序是可控的。

如果兩段母線合環(huán)運(yùn)行，此時就有兩套微機(jī)絕緣監(jiān)測裝置在同時運(yùn)行，如圖2所示，兩段母線的絕緣監(jiān)測裝置的K1、K2、K3、K4電子開關(guān)的閉合順序就成為不可控的，此時計算出的對地電阻值與程序中設(shè)定的比較值誤差比較大，甚至計算值會降低到告警值以下，則兩段母線絕緣監(jiān)測裝置同時報警。

根據(jù)FMK開關(guān)控制原理圖可以看出，正常運(yùn)行或開關(guān)停運(yùn)后，回路中都只有直流Ⅱ母的電源，當(dāng)開關(guān)在“預(yù)分合”位置時，閃光母線接通，閃光母線使用的是直流Ⅰ母電源，導(dǎo)致兩條直流母線在負(fù)荷側(cè)合環(huán)運(yùn)行[3]。

4 整改措施

（1）利用#1機(jī)組直流系統(tǒng)輻射狀網(wǎng)絡(luò)改造工作，對#1發(fā)變組保護(hù)控制屏內(nèi)的控制直流和閃光報警回路直流進(jìn)行整改，將FMK開關(guān)控制電源由原來的直流Ⅱ母改接至直流Ⅰ母，使控制與閃光回路使用同一組電源。（2）熟練掌握發(fā)變組控制屏內(nèi)所有開關(guān)的控制回路圖，認(rèn)真分析回路中可能存在的設(shè)計缺陷或施工過程中容易造成寄生回路的部分，利用檢修或開關(guān)撤運(yùn)的機(jī)會制訂方案進(jìn)行驗證。（3）在日常直流系統(tǒng)運(yùn)行過程中，嚴(yán)禁兩條直流母線合環(huán)運(yùn)行，在單條母線充電裝置退出，需要母聯(lián)開關(guān)投運(yùn)時，必須提前退出一套直流絕緣監(jiān)測裝置，否則會引起直流系統(tǒng)接地告警。

5 結(jié)語

直流系統(tǒng)接地故障對發(fā)電廠的安全運(yùn)行危害極大，F(xiàn)MK開關(guān)等主設(shè)備開關(guān)在機(jī)組運(yùn)行中占據(jù)著非常重要的地位，決定著發(fā)電機(jī)能否順利并網(wǎng)。健康穩(wěn)定的直流操作回路是開關(guān)、機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，本次直流接地故障的處理解決了機(jī)組長期以來存在的并網(wǎng)前的安全隱患，并為今后直流接地故障的查找提供了新的思路和方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李天波.一例直流系統(tǒng)接地故障的查找和分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（32）：128-129.

[2] 劉友強(qiáng)，游德華.變電站直流系統(tǒng)接地原因分析及故障查找[J].大眾用電，2019，34（8）：30-31.

[3] 曾書君.直流系統(tǒng)接地危害分析與接地點(diǎn)查找方法探討[J].電力安全技術(shù)，2019，21（2）：21-24.

收稿日期：2021-01-29

作者簡介：鄭宏陽（1987—），男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，研究方向：發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)。