電廠直流系統(tǒng)接地故障分析

陳華

摘 要：直流系統(tǒng)為電廠的繼電保護(hù)裝置、監(jiān)控及事故照明等提供電源；給出了電廠直流系統(tǒng)模型及其等效電路；總結(jié)了直流系統(tǒng)接地故障的類型，分析了電廠直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障和兩點(diǎn)接地故障時(shí)的影響；深入研究了當(dāng)前國內(nèi)外直流系統(tǒng)故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點(diǎn)；針對(duì)直流系統(tǒng)故障提出了相應(yīng)的防范和處理措施。

關(guān)鍵詞：電廠 直流系統(tǒng) 接地

中圖分類號(hào)：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）03（a）-0111-02

發(fā)電廠和變電站均有直流輔助系統(tǒng)，直流系統(tǒng)作為不間斷電源，為整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)、監(jiān)控以及大合閘電流的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)等提供電源。直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)有安全性和可靠性至關(guān)重要。直流系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)，與電廠的運(yùn)行方式的運(yùn)行無關(guān)。直流系統(tǒng)具有支路多、涉及面廣且工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能造成保護(hù)裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能造成大面積停電嚴(yán)重后果。本文首先給出電廠直流系統(tǒng)的模型及其等效電路，在此基礎(chǔ)上分析直流系統(tǒng)故障類型，以及各類故障的影響，分析當(dāng)前種類直流系統(tǒng)故障檢測方法，總結(jié)實(shí)際運(yùn)行中的一些注意事項(xiàng)。本文的研究內(nèi)容可為今后電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)提供理論支持。

1 電廠直流系統(tǒng)模型及等效電路

畜電池故障總是先從個(gè)別電池中發(fā)生，整組畜電池發(fā)生故障的機(jī)率較小，因此，與其他電源相比，畜電池組的安全性和可靠性具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，發(fā)電廠的直流系統(tǒng)的電源部分包括畜電池組和充電裝置構(gòu)成。目前充電裝置主要是高頻開關(guān)型充電裝置，高頻開關(guān)型充電裝置具有質(zhì)量體積較小，效率高等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)電廠直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要還包括供電網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)設(shè)備及負(fù)載等幾部分。

直流系統(tǒng)構(gòu)成有以下基本原則：選擇的設(shè)備應(yīng)該具有先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)合理的特點(diǎn)；在保證可靠性的條件下，使接線盡可能簡單。直流系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備主要有用于過電流保護(hù)保險(xiǎn)絲和空氣開關(guān)以及接地告警裝置。直流系統(tǒng)的等電路如圖2所示。

2 直流系統(tǒng)故障分析

直流電源是有極性的，與交流系統(tǒng)不同的是，直流電源的地是相對(duì)于中性點(diǎn)而言的，并不一定會(huì)和交流系統(tǒng)中的大地相連，當(dāng)直流電源系統(tǒng)的某一極相對(duì)于中性點(diǎn)的絕緣電阻低于某一定值時(shí)即認(rèn)為直流系統(tǒng)發(fā)生了接地故障。直流系統(tǒng)本身接線復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，接地故障時(shí)有發(fā)生。直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障的原因大致有以下幾種：（1）直流線路和設(shè)備受潮、接地盒進(jìn)水。（2）設(shè)備金屬外殼生銹。（3）直流回路因質(zhì)量問題或老化及某些外力損傷還引起的絕緣性能下降。直流系統(tǒng)故障類型分為電阻性接地故障、有源接地故障及多分支接地故障三類，其中電阻性接地故障又分為單點(diǎn)接地故障和多點(diǎn)接地故障。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)故障時(shí)，故障電流并沒有形成回路，因而對(duì)系統(tǒng)影響不大，但若不及時(shí)排除，很容易誘發(fā)多點(diǎn)接地故障而對(duì)系統(tǒng)形成致命的影響。一般中間繼電器線圈和跳閘線圈都與直流電源負(fù)極相連，因此正極接地故障時(shí)可能造成保護(hù)誤動(dòng)；負(fù)極接地時(shí)可能造成跳閘回路或合閘回路短路而使保護(hù)拒動(dòng)，而使停電范圍擴(kuò)大（越級(jí)跳閘）。因此當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)故障時(shí)必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)排除。如圖3所示，當(dāng)A、B兩點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，KA1、KA2被短接，從而導(dǎo)致KM誤跳閘。同理，AC、AD及DF發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)都會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作，而DE、BE及CE發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)則會(huì)引起開關(guān)拒動(dòng)。

3 直流系統(tǒng)接地故障檢測

直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，如何快速的檢測并排除直流系統(tǒng)的接地故障顯的獨(dú)尤為重要，實(shí)際運(yùn)行中使用故障檢測儀來檢測直流系統(tǒng)故障，各個(gè)生產(chǎn)商生產(chǎn)的故障檢測原理不盡相同，各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要有直流母線電橋法、信號(hào)注入法、差流檢測法幾種，下文將分析這幾種檢測方法的原理及其特點(diǎn)，為實(shí)際運(yùn)行提供理論依據(jù)。

3.1 直流母線電橋法

電橋法在直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測中應(yīng)用較多，通過在直流母線之中入電阻，形成平衡電橋來檢測直流系統(tǒng)是否發(fā)生短路故障，原理如圖4所示。

當(dāng)直流系統(tǒng)沒有發(fā)生接地故障時(shí)，電橋平衡，繼電器C中沒有電流流過；當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，電橋不平衡，繼電器C中線圈會(huì)有電流，且接地故障極可以通過該電流的方向確實(shí)。若直流母線電壓為U，繼電器線圈電阻為，則可以計(jì)算出繼電器C上的電壓為：

若時(shí)，繼電器線圈電流為：

當(dāng)時(shí)，；

當(dāng)，即正極接地故障時(shí)有：；

當(dāng)，即負(fù)極接地故障時(shí)有：

實(shí)際運(yùn)行中會(huì)給繼電器C設(shè)定一個(gè)門檻值，當(dāng)流過的電流大于門檻值時(shí)即判定直流系統(tǒng)發(fā)生了接地故障。直流母線電橋法有如下特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)；（2）由于在實(shí)際運(yùn)行中，監(jiān)測裝置中橋臂電阻很難相等，因此會(huì)造成一些誤差；（3）繼電器C的線圈電阻應(yīng)該足夠大，如此才能降低其動(dòng)作電流，以免引起系統(tǒng)其他繼電誤動(dòng)；（4）若直流系統(tǒng)正負(fù)極均出現(xiàn)相同程度的絕緣下降電橋仍平衡，無法檢測。

3.2 信號(hào)注入法

信號(hào)注入法是在直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，向故障母線和地之間注入低頻信號(hào)，通過鉗型電流檢測儀檢測[5]各條饋線中是否含有低頻信號(hào)，因?yàn)樽⑷氲牡皖l信號(hào)會(huì)從故障饋線流出，該原理如圖5所示。鉗型電流檢測儀可以識(shí)別出饋線電流中的阻性電流分量，經(jīng)過處理可以得出饋線的絕緣電阻，從而找到接地點(diǎn)。該方法可以實(shí)現(xiàn)不停電檢測直流接地故障，便仍有不足之處，如鉗型電流檢測儀檢測的靈敏度受直流系統(tǒng)分布電容影響較大、注入的低頻率信號(hào)會(huì)增大直流系統(tǒng)電壓的紋波系統(tǒng)等。

為了克服分布電流的影響到，可以注入變頻信號(hào)，設(shè)注入的兩種交替低頻信號(hào)頻率分別為和，測量點(diǎn)后的分布電容為C，接地電阻為，則電流分別為：

根據(jù)以上兩式可以得出鉗型電流檢測儀測得的阻性電流為：

其中。

3.3 差流檢測法endprint

差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負(fù)極電壓，I+、I-分別為饋線正負(fù)極電流。假設(shè)、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行未發(fā)生接地故障時(shí)，，正極電流與負(fù)極電流大小相等，方向相反。（2）正極發(fā)生短路故障時(shí)有：。（3）負(fù)極發(fā)生短路故障時(shí)有：。

單饋線發(fā)生接地故障時(shí)，可計(jì)算出故障饋線的對(duì)地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負(fù)極電壓差的絕對(duì)值。根據(jù)故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動(dòng)檢測法可以對(duì)接地饋線進(jìn)行定位，且可以確定故障極的極性，對(duì)不同饋線正負(fù)極絕緣程度等同下降判斷時(shí)也可以作出判斷，但對(duì)同一支路正負(fù)極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統(tǒng)運(yùn)行接地故障防范與處理

對(duì)于首次投入的直流系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)該進(jìn)行以下試驗(yàn)：（1）絕緣監(jiān)測及信號(hào)報(bào)警試驗(yàn)；（2）耐壓及絕緣試驗(yàn)。在實(shí)際運(yùn)行和管理中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）規(guī)范直流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員的職責(zé)管理權(quán)限，禁止運(yùn)行人員隨意操作；（2）定期對(duì)直流電流系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，找出直流系統(tǒng)中存在的缺陷，并進(jìn)行改造和檢修，防范于未然；（3）對(duì)于具有兩組或以上畜電池組的直流系統(tǒng)應(yīng)該采用分段母線運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)可靠性；（4）盡量改善直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。定期做好衛(wèi)生清理、防潮等工作。

5 結(jié)語

直流系統(tǒng)為發(fā)電廠監(jiān)測、保護(hù)等二次設(shè)備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當(dāng)于電廠的“神經(jīng)”。直流系統(tǒng)的發(fā)生接地故障時(shí)必須盡量的找出排除，確定一次系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文給出了電廠直流系統(tǒng)模型及其等效電路；總結(jié)了直流系統(tǒng)接地故障的類型，分析了電廠直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障和兩點(diǎn)接地故障時(shí)的影響；深入研究了當(dāng)前國內(nèi)外直流系統(tǒng)故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點(diǎn)；針對(duì)直流系統(tǒng)故障提出了相應(yīng)的防范和處理措施。為電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行人員提供理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 白忠敏.電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社，1991.

[2] 徐玉鳳.直流系統(tǒng)接地故障檢測[M].廣州電仟順電子設(shè)備有限公司，2010.

[3] Jose Marrero. Understand Ground Fault Detection&Isolation in DC Systems[J]. IEEE， 2000， 1707-1711.

[4] 王金鳳.直流系統(tǒng)接地故障檢測方法的研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[5] 林慧文.變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)與接地處理[J].廣東科技，2010，2：18-23.

[6] 杜中良，張嘩，胡振江，等.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察儀的原理及方案分析[J].電站系統(tǒng)工程，2005，21（l）：63-63.endprint

差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負(fù)極電壓，I+、I-分別為饋線正負(fù)極電流。假設(shè)、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行未發(fā)生接地故障時(shí)，，正極電流與負(fù)極電流大小相等，方向相反。（2）正極發(fā)生短路故障時(shí)有：。（3）負(fù)極發(fā)生短路故障時(shí)有：。

單饋線發(fā)生接地故障時(shí)，可計(jì)算出故障饋線的對(duì)地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負(fù)極電壓差的絕對(duì)值。根據(jù)故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動(dòng)檢測法可以對(duì)接地饋線進(jìn)行定位，且可以確定故障極的極性，對(duì)不同饋線正負(fù)極絕緣程度等同下降判斷時(shí)也可以作出判斷，但對(duì)同一支路正負(fù)極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統(tǒng)運(yùn)行接地故障防范與處理

對(duì)于首次投入的直流系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)該進(jìn)行以下試驗(yàn)：（1）絕緣監(jiān)測及信號(hào)報(bào)警試驗(yàn)；（2）耐壓及絕緣試驗(yàn)。在實(shí)際運(yùn)行和管理中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）規(guī)范直流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員的職責(zé)管理權(quán)限，禁止運(yùn)行人員隨意操作；（2）定期對(duì)直流電流系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，找出直流系統(tǒng)中存在的缺陷，并進(jìn)行改造和檢修，防范于未然；（3）對(duì)于具有兩組或以上畜電池組的直流系統(tǒng)應(yīng)該采用分段母線運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)可靠性；（4）盡量改善直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。定期做好衛(wèi)生清理、防潮等工作。

5 結(jié)語

直流系統(tǒng)為發(fā)電廠監(jiān)測、保護(hù)等二次設(shè)備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當(dāng)于電廠的“神經(jīng)”。直流系統(tǒng)的發(fā)生接地故障時(shí)必須盡量的找出排除，確定一次系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文給出了電廠直流系統(tǒng)模型及其等效電路；總結(jié)了直流系統(tǒng)接地故障的類型，分析了電廠直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障和兩點(diǎn)接地故障時(shí)的影響；深入研究了當(dāng)前國內(nèi)外直流系統(tǒng)故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點(diǎn)；針對(duì)直流系統(tǒng)故障提出了相應(yīng)的防范和處理措施。為電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行人員提供理論支持。

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差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負(fù)極電壓，I+、I-分別為饋線正負(fù)極電流。假設(shè)、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行未發(fā)生接地故障時(shí)，，正極電流與負(fù)極電流大小相等，方向相反。（2）正極發(fā)生短路故障時(shí)有：。（3）負(fù)極發(fā)生短路故障時(shí)有：。

單饋線發(fā)生接地故障時(shí)，可計(jì)算出故障饋線的對(duì)地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負(fù)極電壓差的絕對(duì)值。根據(jù)故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動(dòng)檢測法可以對(duì)接地饋線進(jìn)行定位，且可以確定故障極的極性，對(duì)不同饋線正負(fù)極絕緣程度等同下降判斷時(shí)也可以作出判斷，但對(duì)同一支路正負(fù)極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統(tǒng)運(yùn)行接地故障防范與處理

對(duì)于首次投入的直流系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)該進(jìn)行以下試驗(yàn)：（1）絕緣監(jiān)測及信號(hào)報(bào)警試驗(yàn)；（2）耐壓及絕緣試驗(yàn)。在實(shí)際運(yùn)行和管理中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：（1）規(guī)范直流系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)人員的職責(zé)管理權(quán)限，禁止運(yùn)行人員隨意操作；（2）定期對(duì)直流電流系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估，找出直流系統(tǒng)中存在的缺陷，并進(jìn)行改造和檢修，防范于未然；（3）對(duì)于具有兩組或以上畜電池組的直流系統(tǒng)應(yīng)該采用分段母線運(yùn)行方式，提高系統(tǒng)可靠性；（4）盡量改善直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。定期做好衛(wèi)生清理、防潮等工作。

5 結(jié)語

直流系統(tǒng)為發(fā)電廠監(jiān)測、保護(hù)等二次設(shè)備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當(dāng)于電廠的“神經(jīng)”。直流系統(tǒng)的發(fā)生接地故障時(shí)必須盡量的找出排除，確定一次系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文給出了電廠直流系統(tǒng)模型及其等效電路；總結(jié)了直流系統(tǒng)接地故障的類型，分析了電廠直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障和兩點(diǎn)接地故障時(shí)的影響；深入研究了當(dāng)前國內(nèi)外直流系統(tǒng)故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點(diǎn)；針對(duì)直流系統(tǒng)故障提出了相應(yīng)的防范和處理措施。為電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行人員提供理論支持。

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