變電站直流系統(tǒng)接地故障的監(jiān)察與診斷

繆藝昕 王雨薇 胡 娟

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

直流系統(tǒng)[1-2]是變電站中為各類設(shè)備提供直流電源的電源設(shè)備，該系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，變電站正常運(yùn)行時(shí)，其為信號(hào)、繼電保護(hù)、斷路器等設(shè)備提供電源；變電站外部交流電斷開(kāi)時(shí)，其為站內(nèi)后備電源供電。由直流系統(tǒng)進(jìn)行供電的負(fù)荷在變電站中特別重要，對(duì)于電源的可靠性有極高的要求，因此，直流系統(tǒng)供電的可靠性決定了整個(gè)變電站能否正常運(yùn)行。

當(dāng)直流系統(tǒng)的故障發(fā)生在繼電保護(hù)或開(kāi)關(guān)回路中時(shí)，就有保護(hù)拒動(dòng)或開(kāi)關(guān)跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，可能造成事故甚至進(jìn)一步擴(kuò)大事故。而在直流系統(tǒng)的所有故障種類中，接地故障[3]是最常見(jiàn)的故障之一。

1 變電站直流系統(tǒng)接地故障簡(jiǎn)述

變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行方式一般采用的是兩電兩充，短時(shí)并列接線，即配置兩臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)充電、浮充電裝置，兩組蓄電池組，本文也以此運(yùn)行方式為例進(jìn)行研究。

如圖1所示，K是繼電保護(hù)出口繼電器的常開(kāi)接點(diǎn)；RKM是回路電阻；KM是跳閘中間繼電器；A、B、C、D、E是跳閘回路的各個(gè)接地點(diǎn)；SA是操作開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)；TQ是跳閘線圈；1FU、2FU是熔斷器或快速開(kāi)關(guān)刀口；QF是輔助接點(diǎn)，斷路器在合位時(shí)閉合；+WC、-WC是控制回路直流正、負(fù)小母線。

圖1 簡(jiǎn)化的斷路器跳閘回路

當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響，但務(wù)必要盡快消除故障，否則如果再發(fā)生一點(diǎn)接地，則會(huì)造成直流系統(tǒng)兩點(diǎn)甚至多點(diǎn)接地，會(huì)直接對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)，直流系統(tǒng)就有可能構(gòu)成接地短路，存在短路電流，進(jìn)而造成直流系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)；甚至?xí)斐芍绷鞅ｋU(xiǎn)熔斷，使直流系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)備失去電源。

當(dāng)直流系統(tǒng)正極接地時(shí)，由于跳閘線圈通常接在電源負(fù)極，如果直流系統(tǒng)中再發(fā)生接地或絕緣不良，跳閘線圈會(huì)接在正負(fù)極之間，有電流經(jīng)過(guò)繼電器，就會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)。同理，當(dāng)直流系統(tǒng)負(fù)極接地時(shí)，通常接在電源負(fù)極的跳閘線圈直接被短路，存在斷路器拒動(dòng)的可能。

1.1 正極接地

如圖2所示，當(dāng)直流系統(tǒng)A、B兩點(diǎn)接地時(shí)，A、B兩點(diǎn)通過(guò)大地相連導(dǎo)通，則A、B兩點(diǎn)可以跳過(guò)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)K直接相連，在圖2中，通過(guò)粗線標(biāo)記的線路相連。繼電器KM勵(lì)磁動(dòng)作，KM常開(kāi)輔助開(kāi)關(guān)閉合，斷路器的跳閘回路導(dǎo)通，TQ將有電流經(jīng)過(guò)，致使斷路器誤動(dòng)作跳閘。同理，當(dāng)圖2中的A、C同時(shí)發(fā)生接地或者A、D同時(shí)發(fā)生接地時(shí)，KM輔助開(kāi)關(guān)都會(huì)被跳過(guò)，電流會(huì)經(jīng)過(guò)TQ，致使斷路器誤動(dòng)作跳閘。

圖2 斷路器跳閘回路正極接地

1.2 負(fù)極接地

如圖3所示，當(dāng)直流系統(tǒng)的B、E兩點(diǎn)接地時(shí)，B、E兩點(diǎn)通過(guò)大地相連導(dǎo)通，則跳過(guò)繼電器KM直接相連。此時(shí)，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，由于繼電器KM被短接，KM不會(huì)勵(lì)磁動(dòng)作，輔助開(kāi)關(guān)KM不會(huì)閉合，從而跳閘線圈TQ回路不導(dǎo)通，斷路器不會(huì)跳閘，產(chǎn)生拒動(dòng)現(xiàn)象，使得故障范圍擴(kuò)大。同理，當(dāng)C、E同時(shí)接地或者D、E同時(shí)接地時(shí)，TQ被短接，斷路器無(wú)法跳閘，發(fā)生故障后，產(chǎn)生拒動(dòng)情況。

圖3 斷路器跳閘回路負(fù)極接地

1.3 正、負(fù)極接地

如圖4所示，當(dāng)直流系統(tǒng)的A、E兩點(diǎn)同時(shí)發(fā)生接地時(shí)，相當(dāng)于A、E通過(guò)大地直接相連，跳閘回路的正負(fù)極發(fā)生短路，致使熔斷器（或快速開(kāi)關(guān)）1FU、2FU熔斷（或快速開(kāi)關(guān)跳閘），導(dǎo)致控制回路直流電源消失。由于TQ的動(dòng)作電壓較低，如果直流系統(tǒng)的對(duì)地電容較大，TQ前的回路發(fā)生一點(diǎn)接地，TQ兩側(cè)電壓會(huì)有可能超過(guò)動(dòng)作電壓，造成斷路器誤動(dòng)作。

圖4 斷路器跳閘回路正、負(fù)極接地

2 直流絕緣監(jiān)察裝置

2.1 直流絕緣監(jiān)察裝置工作原理

直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察由直流母線絕緣監(jiān)察和負(fù)載支路絕緣監(jiān)察組成，在工作現(xiàn)場(chǎng)，母線監(jiān)察和支路監(jiān)察一般使用不同的工作原理。

通常情況下，母線監(jiān)察保持在線狀態(tài)，通過(guò)母線節(jié)點(diǎn)電壓偏移值或者母線對(duì)地絕緣電阻下降值來(lái)觸發(fā)支路監(jiān)察。

通常情況下，支路監(jiān)察保持待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)母線絕緣發(fā)生異常時(shí)，支路監(jiān)察巡視檢查，定位發(fā)生故障的絕緣支路。

2.2 直流母線的絕緣監(jiān)察原理

如圖5所示，R+和R-是正負(fù)母線對(duì)地的等效絕緣電阻，R1與R2是正負(fù)母線對(duì)地的平衡電阻，R1與R2用于平衡母線的對(duì)地電壓，避免出現(xiàn)R+和R-過(guò)大引起對(duì)地電壓不穩(wěn)定的情況。K1、K2為開(kāi)關(guān)，用于投切電阻R1與電阻R2，K1、K2不同的投切情況得到不同的母線正負(fù)電壓，進(jìn)而計(jì)算得到R+和R-。

圖5 直流母線的絕緣監(jiān)察等效電阻

正常情況下，開(kāi)關(guān)K1、K2斷開(kāi)，測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電壓U1和U2，得到R+、R-的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

此時(shí)，R+、R-即為正常情況下正負(fù)母線對(duì)地的絕緣電阻。

當(dāng)發(fā)生正或負(fù)母線電壓偏移時(shí)，先閉合開(kāi)關(guān)K1，K2斷開(kāi)，測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電壓U1、U2，得到R+、R-的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

再閉合開(kāi)關(guān)K2，K1斷開(kāi)，測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電壓U1、U2，得到R+、R-的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：通過(guò)不平衡電橋法測(cè)量正負(fù)母線對(duì)地電阻，能準(zhǔn)確檢測(cè)正或負(fù)母線接地電阻。

2.3 直流支路的絕緣監(jiān)察原理

對(duì)直流電源系統(tǒng)的支路輸出進(jìn)行漏電流檢測(cè)，可以定位直流系統(tǒng)絕緣下降的故障點(diǎn)，根據(jù)漏電流值判斷絕緣電阻值，進(jìn)而得到支路絕緣故障的信息。

如圖6所示，漏電流霍爾傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)平衡電阻的正負(fù)極電纜，在絕緣沒(méi)有發(fā)生下降時(shí)，正負(fù)極電纜上的直流電流數(shù)值相同、方向相反，霍爾傳感器感應(yīng)不到電流差，不會(huì)給出支路故障信號(hào)；當(dāng)有一級(jí)絕緣發(fā)生下降時(shí)，正負(fù)極電纜上的直流電流數(shù)值不再相同，霍爾傳感器會(huì)感應(yīng)到這個(gè)電流差，當(dāng)電流差超過(guò)閾值后，會(huì)給出支路故障的信號(hào)。

圖6 直流支路的絕緣監(jiān)察霍爾傳感器

3 直流接地診斷步驟

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)絕緣監(jiān)察裝置配備情況，利用變電站主監(jiān)控絕緣報(bào)警系統(tǒng)、直流接地測(cè)試儀、接地光字牌等監(jiān)察手段，并通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量直流屏處的直流對(duì)地電壓，判斷直流接地故障的性質(zhì)。

接地性質(zhì)明確后，可進(jìn)行如下操作：檢查絕緣性能差（例如室外端子箱、接線箱、密封不嚴(yán)的刀閘機(jī)構(gòu)箱、無(wú)防雨罩的瓦斯繼電器等）、有設(shè)備缺陷記錄、有檢修工作記錄的設(shè)備和線路是否存在接地情況。

若絕緣監(jiān)察裝置能監(jiān)察出接地的具體支路，該支路為雙回路配置的，可以用合、拉空氣開(kāi)關(guān)的方法，將該支路負(fù)載轉(zhuǎn)到另一直流母線，觀察接地現(xiàn)象是否轉(zhuǎn)到另一直流母線上。

若以上絕緣監(jiān)察裝置等無(wú)法檢測(cè)出具體接地支路，在堅(jiān)持查找直流接地故障的原則的前提下，依次切斷直流屏上各負(fù)荷開(kāi)關(guān)，但切斷時(shí)間不可以超過(guò)3 s，如果斷開(kāi)某負(fù)荷開(kāi)關(guān)，直流接地情況消失，則可以確定該段母線存在接地點(diǎn)，然后依次斷開(kāi)該段母線上的配出回路直流電源，進(jìn)而判斷確切的接地回路，并消除接地故障。

4 案例分析

2021年某日下午，變電運(yùn)維人員在巡視某變電站時(shí)發(fā)現(xiàn)直流饋線屏上的智能直流絕緣監(jiān)察裝置報(bào)警燈紅燈亮，立即查看屏幕上的報(bào)警信息。如圖7所示，報(bào)警信息顯示Ⅰ母絕緣壓差高，母線監(jiān)察信息顯示正極對(duì)地電壓為U+：126.9 V，負(fù)極對(duì)地電壓為U-：-89.0 V，發(fā)現(xiàn)是某路電源負(fù)極接地。

圖7 直流系統(tǒng)負(fù)極接地告警信息

變電運(yùn)維人員立即匯報(bào)監(jiān)控，然后遵循先拉開(kāi)信號(hào)電源后拉開(kāi)控制電源、先拉開(kāi)室外電源后拉開(kāi)室內(nèi)電源的原則查找直流接地。在拉開(kāi)110 kV某一線路的測(cè)控遙信電源空開(kāi)后，直流饋線屏上的智能直流絕緣監(jiān)察裝置報(bào)警燈紅燈滅，如圖8所示，母線監(jiān)察信息顯示正極對(duì)地電壓為U+：108.9 V，負(fù)極對(duì)地電壓為U-：-107.0 V，恢復(fù)正常，判定是這一條110 kV線路的斷路器操作電源負(fù)極接地，立即匯報(bào)監(jiān)控并報(bào)缺陷。

圖8 直流系統(tǒng)正常狀態(tài)下電壓信息

天氣原因是引起直流接地故障的常見(jiàn)原因之一，無(wú)論是雨水滲入密封不嚴(yán)的室外設(shè)備，還是天氣潮濕引起設(shè)備絕緣性能下降，都有可能引起直流接地故障。

本次110 kV線路的斷路器操作電源負(fù)極接地，就是梅雨天氣導(dǎo)致空氣濕度過(guò)大，室外端子箱內(nèi)端子排導(dǎo)線的絕緣外殼有所破損，從而使得絕緣性能大幅度下降。

5 改進(jìn)措施

5.1 采用顯示接地支路的絕緣監(jiān)察裝置

目前，新投運(yùn)的變電站大多都采用可以顯示接地支路的絕緣監(jiān)察裝置，可以更加直觀地看到接地時(shí)間、接地極、支路號(hào)和絕緣電阻等信息，該裝置相比于以往的絕緣監(jiān)察裝置，好處在于可以及時(shí)知道接地支路的位置，減少變電運(yùn)維人員對(duì)于具體故障點(diǎn)的排查時(shí)間，避免事故范圍擴(kuò)大。

5.2 加強(qiáng)變電站直流系統(tǒng)的巡視

造成變電站直流系統(tǒng)接地的原因有很多種，包括：

（1）氣候原因，比如氣候潮濕導(dǎo)致室外設(shè)備的絕緣性能降低，進(jìn)而引發(fā)接地故障；

（2）自然原因，比如設(shè)備自身的振動(dòng)、絕緣老化等都可能成為直流系統(tǒng)接地的隱患；

（3）人為原因，比如廠家漏接或錯(cuò)接導(dǎo)線等也有可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地。

這就需要變電運(yùn)維人員更加嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)地巡視，認(rèn)真地檢查直流屏上的電壓、信號(hào)是否正常，是否有異常報(bào)警信號(hào)等，加強(qiáng)對(duì)變電站直流系統(tǒng)的檢查和巡視。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于變電站直流系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，直流接地常見(jiàn)故障中后果最嚴(yán)重的是兩點(diǎn)接地。一點(diǎn)接地可能造成設(shè)備誤動(dòng)或者拒動(dòng)；而兩點(diǎn)接地，除了可能造成設(shè)備誤動(dòng)或者拒動(dòng)以外，還可能造成直流系統(tǒng)的熔斷器熔斷，使直流系統(tǒng)的負(fù)荷失去供電。

本文中故障案例是梅雨天氣、空氣潮濕致使端子排導(dǎo)線絕緣性能降低，從而進(jìn)一步導(dǎo)致斷路器跳閘回路直流電源負(fù)極接地，變電運(yùn)維人員在第一時(shí)間查找并隔離故障點(diǎn)，避免了事故進(jìn)一步擴(kuò)大，保障了安全穩(wěn)定供電。

本文所述方法為變電運(yùn)維人員的變電站直流系統(tǒng)接地故障診斷提供了一種思路及經(jīng)驗(yàn)參考。