廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置研究及應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 黃偉豪 肖 星 盧泳茵 溫云龍 邱天怡 羅海鑫 林 蔚

廠站用直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站內(nèi)二次設(shè)備的重要供電系統(tǒng)，其為站內(nèi)的繼電保護(hù)、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、事故照明等直流負(fù)荷提供可靠的直流電源保障。廠站用直流電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備安全有著重要作用，若直流電源發(fā)生故障，將可能導(dǎo)致變電站繼電保護(hù)裝置、安自裝置等拒動(dòng)或誤動(dòng)，使變電站一次設(shè)備失去可靠的保護(hù)。廠站用直流電源系統(tǒng)的常見(jiàn)故障包括直流系統(tǒng)接地和交流竄入等。由于交流系統(tǒng)為接地系統(tǒng)，當(dāng)交流電竄入直流系統(tǒng)時(shí)也將引起直流回路接地，從而導(dǎo)致保護(hù)裝置、電力設(shè)備異常動(dòng)作。

為更好地實(shí)現(xiàn)變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行情況的檢測(cè)，現(xiàn)站內(nèi)采用直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置對(duì)直流電源系統(tǒng)進(jìn)行接地故障監(jiān)測(cè)。該裝置可檢測(cè)直流母線的對(duì)地電阻，在直流電源系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，以便運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行消缺。在對(duì)廠站用直流電源系統(tǒng)檢修試驗(yàn)時(shí)，為保證直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的可靠性，需對(duì)該裝置的直流系統(tǒng)接地報(bào)警功能進(jìn)行校驗(yàn)，確保直流母線絕緣監(jiān)察裝置功能及其信號(hào)回路完好。目前進(jìn)行直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)的常用方法為可調(diào)電阻或直接接地方法，但該方法存在引起保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

1 直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)常用方案風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

在進(jìn)行廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)時(shí)，需將試驗(yàn)裝置接于正母線（+KM）或負(fù)母線（-KM）與地之間，當(dāng)試驗(yàn)裝置電阻值小于直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置設(shè)定的告警值時(shí)，裝置即發(fā)出“直流接地”告警。針對(duì)直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)功能驗(yàn)證，市面上有直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置校驗(yàn)儀器，可用于測(cè)試直流電源系統(tǒng)接地告警功能。然而該校驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高且其攜帶不便，不利于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作的開(kāi)展。

目前廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)普遍采用可調(diào)電阻或直接接地方法，但若現(xiàn)場(chǎng)檢修人員使用可調(diào)電阻時(shí)不慎將電阻值調(diào)至過(guò)小或使用試驗(yàn)接線直接接地，會(huì)造成直流電源系統(tǒng)接地。一般情況下直流電源系統(tǒng)一點(diǎn)接地并不會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，但如需檢驗(yàn)的直流電源系統(tǒng)已存在一點(diǎn)接地，則會(huì)造成直流電源系統(tǒng)兩點(diǎn)接地，嚴(yán)重影響二次設(shè)備的可靠性。若直流電源系統(tǒng)的對(duì)地電容較大，繼電器、跳閘線圈等二次設(shè)備將可能與對(duì)地電容形成回路，從而造成二次設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)[1]。此外，采用可調(diào)電阻或直接接地方法也存在接線復(fù)雜、帶電部位外露的問(wèn)題，可能導(dǎo)致人身觸電，對(duì)作業(yè)人員的人身安全造成一定威脅。

2 基于平衡橋探測(cè)的直流電源系統(tǒng)接地檢測(cè)原理

直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)直流接地故障的原理主要為平衡電橋法[2]、不平衡電橋法[3]、直流漏電流法[4]、交流小信號(hào)注入法[5]。目前在廠站用直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置主要根據(jù)平衡電橋法的原理設(shè)計(jì)。如圖1所示，V為直流電壓表，KS為電壓信號(hào)繼電器，R1、R2為直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)的等值電阻，R1=R2，R3為正極接地電阻，R4為負(fù)極接地電阻。O點(diǎn)電壓UV推導(dǎo)見(jiàn)公式：

圖1 平衡電橋法原理圖

式中U為充電機(jī)輸出電壓，一般為110V或220V。在直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)經(jīng)高阻接地，R3、R4的值趨于無(wú)窮大，即R3=R4，此時(shí)正負(fù)母線電壓分別為充電機(jī)輸出電壓的一半。根據(jù)平衡電橋原理，等值電阻R1、R2與直流母線對(duì)地的正負(fù)母線對(duì)地電阻R3、R4形成平衡電橋，各電阻構(gòu)成的關(guān)系為R1R4=R2R3，由此可見(jiàn)，在直流電源系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)O點(diǎn)電壓UV=0，直流電源系統(tǒng)絕緣良好。假設(shè)站用直流電源系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地，電橋平衡被破壞，R3≠R4，即R1R4≠R2R3，此時(shí)O點(diǎn)電壓UV≠0，電壓信號(hào)繼電器勵(lì)磁，直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出“直流接地”報(bào)警信號(hào)。

3 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置關(guān)鍵技術(shù)

3.1 一體化集成封裝技術(shù)

為提高廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)的安全性，保障作業(yè)人員的人身安全，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置采用一體化集成封裝，將電氣部分封裝于絕緣外殼內(nèi)，安全便攜（圖2）。該裝置采用一體化設(shè)計(jì)，外觀簡(jiǎn)潔直觀、體積小、重量輕。與目前常使用的可調(diào)電阻接地試驗(yàn)方法相比，作業(yè)人員不需攜帶4個(gè)可調(diào)電阻即可完成廠站DC220V/110V兩種電壓等級(jí)的直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)，且裝置可放置于工具箱/包或儀表盒內(nèi)，攜帶方便、易于保管。

圖2 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

此外，裝置使用絕緣外殼將接線插孔、試驗(yàn)按鈕、電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)、接地電阻值選擇開(kāi)關(guān)和四個(gè)不同阻值的試驗(yàn)電阻等帶電部位集成封裝，試驗(yàn)接線采用帶絕緣封包的鱷魚(yú)夾，可有效防范試驗(yàn)人員接觸帶電部位防止人身觸電事故發(fā)生，確保試驗(yàn)操作安全可靠。

3.2 電壓等級(jí)檔位可選擇技術(shù)

目前廠站用直流電源系統(tǒng)額定電壓等級(jí)主要有220V和110V兩種電壓等級(jí)，為提高裝置的應(yīng)用范圍，本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置配置了電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)，適用于廠站不同電壓等級(jí)的直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)，在進(jìn)行對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)直流電源系統(tǒng)的電壓等級(jí)在裝置操作面板上將電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)切換至對(duì)應(yīng)電壓檔位，即可開(kāi)展相應(yīng)電壓等級(jí)的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測(cè)試驗(yàn)。

圖3為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置原理圖，在進(jìn)行對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)根據(jù)直流電源系統(tǒng)的電壓等級(jí)在裝置操作面板上將電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)SA1切換至對(duì)應(yīng)電壓檔位，即可開(kāi)展相應(yīng)電壓等級(jí)的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測(cè)試驗(yàn)。將SA1切換至110V時(shí)，接點(diǎn)9-10接通，可進(jìn)行110V直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)；將電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)SA1切換至220V時(shí)，接點(diǎn)9-11接通，可進(jìn)行220V直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)。

圖3 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置原理圖

3.3 試驗(yàn)電阻值檔位可選擇技術(shù)

本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置配置了接地電阻值選擇開(kāi)關(guān)SA2，由圖3可知，SA2有4對(duì)接點(diǎn)，將開(kāi)關(guān)切換至0.95倍選項(xiàng)，接點(diǎn)①-②、⑤-⑥導(dǎo)通，分別接通110V、220V的0.95倍直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣測(cè)試回路；將SA2切換至0.95倍選項(xiàng)，接點(diǎn)③-④、⑦-⑧導(dǎo)通，分別接通110V、220V的1.05倍直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣測(cè)試回路，此時(shí)根據(jù)電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)SA1的檔位選擇即可進(jìn)行相應(yīng)電壓等級(jí)的接地試驗(yàn)。在進(jìn)行對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)將接地電阻值選擇開(kāi)關(guān)SA2切換至對(duì)應(yīng)0.95倍或1.05倍對(duì)地絕緣告警電阻定值的接地電阻，即可開(kāi)展相應(yīng)的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目。

在試驗(yàn)回路中，裝置集成應(yīng)用了四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4，其中，R1、R2分別對(duì)應(yīng)0.95倍、1.05倍的110V直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣告警電阻定值，R3、R4分別對(duì)應(yīng)0.95倍、1.05倍的220V直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣告警電阻定值。R1、R2、R3、R4的阻值設(shè)置可根據(jù)具體的規(guī)范要求和定值設(shè)定。上述四個(gè)電阻值的選擇，可有效檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的對(duì)地絕緣可靠告警和可靠不告警功能，保證“直流絕緣異?！碑惓Ｐ盘?hào)能可靠發(fā)出同時(shí)不造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

3.4 一鍵啟停試驗(yàn)按鈕

為保證廠站用直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)可靠安全進(jìn)行，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)選用了自鎖試驗(yàn)按鈕SB，按下后即可保持試驗(yàn)狀態(tài)，用于啟停試驗(yàn)，可一鍵啟停對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置原理，當(dāng)試驗(yàn)回路處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)按下自鎖試驗(yàn)按鈕SB，該試驗(yàn)按鈕SB保持導(dǎo)通，試驗(yàn)回路接通；再按下自鎖試驗(yàn)按鈕SB，試驗(yàn)按鈕SB斷開(kāi)，試驗(yàn)回路斷開(kāi)。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可先根據(jù)電壓等級(jí)將電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)SA1選至相應(yīng)電壓檔位，再選擇對(duì)應(yīng)0.95倍或1.05倍對(duì)地絕緣告警電阻定值的接地電阻，最后按下自鎖試驗(yàn)按鈕SB即可接通試驗(yàn)回路，開(kāi)始對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后再次按下試驗(yàn)按鈕SB即可斷開(kāi)試驗(yàn)回路，結(jié)束試驗(yàn)，整體試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單快捷。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況分析

根據(jù)中國(guó)南方電網(wǎng)公司發(fā)布的《變電站直流電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，110V、220V直流電源系統(tǒng)接地電阻告警值分別為15kΩ、25kΩ?；诖?，對(duì)于南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的廠站用直流電源系統(tǒng)，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置電阻R1、R2、R3、R4分別為14.25kΩ、15.75kΩ、23.75kΩ及26.25kΩ，表1為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置電阻值配置及對(duì)應(yīng)的接地試驗(yàn)結(jié)果表。

表1 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置電阻值配置

以進(jìn)行廠站用110V直流電源系統(tǒng)正母線0.95倍對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)為例，進(jìn)行接地試驗(yàn)時(shí)，需將廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置使用鱷魚(yú)夾接于直流正母線與地之間，先將電壓等級(jí)選擇開(kāi)關(guān)SA1選至110V，再將接地電阻值選擇開(kāi)關(guān)SA2選至0.95倍對(duì)地絕緣告警電阻定值的接地電阻，最后按下自鎖試驗(yàn)按鈕SB接通試驗(yàn)回路，此時(shí)R1電阻回路接通，可檢驗(yàn)直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的對(duì)地絕緣可靠告警功能；試驗(yàn)結(jié)束后再次按下試驗(yàn)按鈕SB即可斷開(kāi)試驗(yàn)回路、結(jié)束試驗(yàn)。圖4為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置應(yīng)用示意圖，圖中KM為正母線，KN為負(fù)母線，V為直流電壓表，KS為電壓信號(hào)繼電器，R1、R2為等值電阻，R3為負(fù)極接地電阻、R4為正極接地電阻。

圖4 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置應(yīng)用示意圖

綜上，本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗(yàn)裝置適用于廠站用直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)的工作需求，已于2019年8月開(kāi)始應(yīng)用于中山供電局123座變電站共246套直流電源系統(tǒng)的對(duì)地絕緣檢測(cè)試驗(yàn)，至今應(yīng)用情況良好。表明該裝置可確保不會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)情況發(fā)生，具有適用性廣、操作簡(jiǎn)捷、攜帶方便、安全可靠等特點(diǎn)，提高了設(shè)備檢修運(yùn)維水平，為保障電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定提供了有力支持。