變電站直流系統(tǒng)接地故障分析

摘要：隨著電力系統(tǒng)二次回路的豐富和完善、直流系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，接地故障發(fā)生的頻率也隨之增加。文章介紹了直流系統(tǒng)接地故障產(chǎn)生的原因和危害，研究了直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地可能引發(fā)斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)和熔斷器熔斷的隱患，論述了由直流電橋和差動(dòng)元件構(gòu)成的微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置的工作原理及為克服其自身的局限性而采用的接地檢測裝置原理。

關(guān)鍵詞：變電站；直流系統(tǒng)；接地故障；微機(jī)絕緣監(jiān)察裝置；接地檢測裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM862 文章編號：1009-2374（2016）07-0126-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.064

直流電源是電力系統(tǒng)重要的組成部分。它是變電站一次設(shè)備的控制電源和信號電源，是保證UPS不間斷供電的重要電源，沒有它，整個(gè)變電站的電力設(shè)備將失去保護(hù)，因此保證直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定至關(guān)重要。直流系統(tǒng)發(fā)生頻率最高的故障是接地故障。直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地時(shí)，不會產(chǎn)生短路電流，但是必須盡快消除故障點(diǎn)，否則當(dāng)直流系統(tǒng)的另一點(diǎn)出現(xiàn)接地時(shí)，兩個(gè)接地點(diǎn)通過大地導(dǎo)通，繼而可能引起斷路器的錯(cuò)誤動(dòng)作或造成直流系統(tǒng)電源短路，使整個(gè)變電站失去直流電源，嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，《電力安全規(guī)程》中規(guī)定決不允許直流系統(tǒng)在一點(diǎn)接地的情況下長時(shí)間運(yùn)行，必須迅速排除接地故障，從而避免更大惡性事故的發(fā)生。

1 直流系統(tǒng)接地故障的類型

直流系統(tǒng)接地故障多種多樣，依照不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)可以將其歸納為不同的種類，以便于故障的分析和處理。

按照接地的電源極性可以分為正極接地和負(fù)極接地。

按照接地電阻的大小可以分為完全接地（直接接地）和不完全接地（間接接地）。

按照接地持續(xù)的時(shí)間長短可以分為非永久性接地和永久性接地。

按照接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)可以分為單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地等。

由于變電站內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，直流接地多是幾個(gè)種類的混合。例如，在連續(xù)的陰雨天里，容易發(fā)生一兩處直接接地和多處間接接地，其中有些接地點(diǎn)接地不穩(wěn)定，時(shí)有時(shí)無，這就會給故障處理造成很大難度。

2 直流系統(tǒng)接地故障的常見原因

（1）二次回路及設(shè)備嚴(yán)重污穢、受潮和腐蝕。遇到雷雨天氣，室外端子箱或機(jī)構(gòu)箱內(nèi)極易潮濕積水，導(dǎo)致直流回路對地絕緣嚴(yán)重下降，嚴(yán)重者可能到零，從而形成接地。（2）外來物觸碰直流回路。例如老鼠將電纜絕緣層咬傷后，導(dǎo)致電纜芯與屏蔽層或端子箱觸碰接地。而螞蟻喜歡聚集在接線頭的裸露部分，若聚集的數(shù)量足夠大，則直流電經(jīng)其身體與另一端的金屬接地體相接造成接地。（3）回路元件燒毀以致觸碰外殼或地。（4）施工工藝不嚴(yán)格，造成直流電纜線芯分叉接觸到柜體金屬外殼或施工時(shí)不謹(jǐn)慎造成電纜絕緣皮劃傷、磨損等。

3 直流系統(tǒng)接地故障的危害

直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障最顯著的變化是接地回路的電壓大幅下降，直流正負(fù)極電壓出現(xiàn)嚴(yán)重不均衡，輕則造成分合閘繼電器動(dòng)作緩慢，重則發(fā)生斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如果接地同時(shí)發(fā)生在直流正負(fù)極電源端，則瞬間產(chǎn)生的巨大短路電流會燒斷熔斷器熔絲，造成全站直流電源消失，所有斷路器將失去操作控制電源，處于無保護(hù)的狀態(tài)。

下面分別舉例說明直流接地造成的斷路器誤動(dòng)、拒動(dòng)和熔斷器熔絲熔斷故障。

3.1 斷路器誤動(dòng)

當(dāng)跳閘回路中的接點(diǎn)兩側(cè)發(fā)生接地，可能導(dǎo)致跳閘繼電器誤動(dòng)。

如圖1所示，當(dāng)A、B兩點(diǎn)同時(shí)接地時(shí)，A、B兩點(diǎn)通過大地連通，將接點(diǎn)1KA、2KA短接，繼而KC繼電器動(dòng)作，KC接點(diǎn)閉合，跳閘回路導(dǎo)通，LT繼電器流過電流動(dòng)作于跳閘。另外，當(dāng)A、C兩點(diǎn)接地時(shí)KC接點(diǎn)被短接，也造成跳閘回路導(dǎo)通動(dòng)作跳閘。在A、D兩點(diǎn)，D、F兩點(diǎn)發(fā)生接地同樣能造成斷路器誤跳閘。

3.2 斷路器拒動(dòng)

當(dāng)跳閘回路中的繼電器兩側(cè)發(fā)生接地，可能導(dǎo)致跳閘繼電器拒動(dòng)。如圖1所示，在B、E兩點(diǎn)同時(shí)接地時(shí)，將中間繼電器KC短接，如果系統(tǒng)發(fā)生事故，1KA或2KA的接點(diǎn)閉合，由于中間斷電器KC被短接不能動(dòng)作，因而斷路器不會跳閘，使事故越級擴(kuò)大。同樣D、E兩點(diǎn)或C、E兩點(diǎn)同時(shí)接地，將LT短接，也會發(fā)生斷路器拒動(dòng)。

3.3 直流電源兩極接地引起熔絲熔斷

如圖1所示，當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在A、E兩點(diǎn)，直流電源的正負(fù)極通過地網(wǎng)短接，產(chǎn)生巨大的短路電流，引起熔絲熔斷。在B、E兩點(diǎn)和C、E兩點(diǎn)接地時(shí)，當(dāng)保護(hù)裝置動(dòng)作，也會發(fā)生直流正負(fù)極短路故障。

4 直流接地故障的處理

處理直流接地故障時(shí)，應(yīng)本著既能保證人身安全，又能最大限度地減少對運(yùn)行中設(shè)備的影響的原則進(jìn)行。隨著科技的發(fā)展，查找直流接地點(diǎn)的方法也更加先進(jìn)，由傳統(tǒng)的拉路法到現(xiàn)在的電子檢測裝置，查找的效率越來越高，對系統(tǒng)正常運(yùn)行的影響越來越小。然而，現(xiàn)實(shí)中多數(shù)直流接地故障并不穩(wěn)定，接地電阻和接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)隨著時(shí)間的變化而變化，再加上接地的種類千差萬別，查找的方法不一而足，因此現(xiàn)場查找直流接地可能會采取多種方法：

4.1 拉路法

這是查找直流系統(tǒng)接地故障的一個(gè)傳統(tǒng)辦法。“拉路”就是拉開各直流回路的空開，切斷電源的時(shí)間應(yīng)小于3秒，不論接地故障是否消失均應(yīng)合上電源。憑經(jīng)驗(yàn)而論，拉路應(yīng)從最容易發(fā)生故障的回路拉起，先拉信號回路、照明回路，再到操作回路、保護(hù)回路；先室外部分后室內(nèi)部分。若拉到某一路直流接地故障消失，則繼續(xù)逐一拉開下一級空開，如此這般，從源頭到末端，逐步縮小查找的范圍，最終找出接地點(diǎn)。如果拉路法無效，應(yīng)嘗試切換整流裝置和蓄電池組或者切換直流母線的方法查找，檢查是否是整流裝置、蓄電池組或直流母線發(fā)生接地。由于二次系統(tǒng)越來越復(fù)雜，“拉回路”可能導(dǎo)致控制回路和保護(hù)回路誤動(dòng)而發(fā)生跳閘事故。如今已發(fā)明了更安全便捷的直流接地檢測裝置后，拉路法現(xiàn)在只作為一種不得已情況下才使用的方法。

4.2 直流接地選線裝置監(jiān)測法

如圖2所示，這是一種在線監(jiān)測直流系統(tǒng)對地絕緣情況的裝置。它結(jié)合了平衡電橋與不平衡電橋原理并利用負(fù)載回路的直流互感器測出的差流來判別接地回路。R1與R2是平衡電橋的兩個(gè)電阻，R1=R2。R3是切換電阻，由S1的開斷實(shí)現(xiàn)平衡電橋與不平衡電橋的轉(zhuǎn)換。當(dāng)S1斷開時(shí)，若發(fā)生單極接地故障或雙極接地電阻差別較大的故障，直流互感器可以檢測出差流，進(jìn)而觸發(fā)裝置報(bào)警；當(dāng)S1閉合時(shí)發(fā)生雙極接地而接地電阻相差不大的情況則直流互感器仍能檢測出差流。因而裝置最顯著的優(yōu)點(diǎn)是克服了繼電器型絕緣監(jiān)察裝置不能正確反映正、負(fù)極絕緣同時(shí)降低的動(dòng)作死區(qū)問題。除此之外，它的在線監(jiān)測功能能夠全天候監(jiān)測直流系統(tǒng)的接地電阻，并詳細(xì)顯示出絕緣降低回路的編號，方便了接地點(diǎn)的查找。但是它的缺點(diǎn)是當(dāng)平衡電橋與不平衡電橋相互轉(zhuǎn)換時(shí)正負(fù)極母線對地電壓波動(dòng)較大，可能誘發(fā)繼電器誤動(dòng)，而且該裝置只能定位到接地的回路，但對回路上具體的接地點(diǎn)卻無法確定。因此，這種選線裝置只能用于在線監(jiān)測系統(tǒng)對地絕緣，并發(fā)出告警信號，對查找直流接地點(diǎn)起輔助作用。

4.3 手持式低頻信號直流接地檢測儀故障定位法

手持式低頻信號直流接地檢測儀在電力系統(tǒng)中使用非常廣泛。由于它的便攜性，使用起來非常輕便。如圖3所示，它的主要原理是利用低頻信號發(fā)生器向直流系統(tǒng)注入一個(gè)低頻的交流信號，然后由專用的鉗形低頻電流表檢測各支路中低頻交流信號電流，以判斷該回路是否接地。另外如果將信號輸出設(shè)置為兩個(gè)相位差為180°的低頻信號，則不僅可以檢測直流接地故障還可以檢測電源兩極間的短路故障。手持式低頻信號直流接地檢測儀的主要優(yōu)點(diǎn)是在檢測接地點(diǎn)時(shí)不會影響到直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是要注意所加低頻信號的幅值不能太大，否則會增大直流電壓的紋波系數(shù)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定造成不良影響。此外，當(dāng)直流系統(tǒng)對地電容較大時(shí)會分走較多信號電流從而會影響接地點(diǎn)的查找。由于電容的容抗是1/wc，因而信號的頻率越低，系統(tǒng)對地電容的容抗越大，從而影響就越小，但是頻率的選擇還要結(jié)合直流電壓的頻譜狀況，要躲開直流電壓較大的低頻分量才能更準(zhǔn)確地查找出接地點(diǎn)。

5 查找接地故障時(shí)的注意事項(xiàng)

直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，不僅對電力設(shè)備不利，而且對整個(gè)電力系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅。此時(shí)，應(yīng)終止正在進(jìn)行的工作，立刻查找直流接地點(diǎn)；查找和處理故障時(shí)必須由兩人同時(shí)進(jìn)行，注意處理時(shí)不得造成直流正負(fù)極短路或另一點(diǎn)接地；用儀表檢查時(shí)所用的儀表的內(nèi)阻不應(yīng)低于2000Ω/V，禁止使用燈泡尋找的方法。拉路前應(yīng)采取必要防范措施，以避免直流電源失電可能引起的繼電保護(hù)自動(dòng)裝置誤動(dòng)。

6 結(jié)語

杜絕直流接地故障應(yīng)以預(yù)防為主，嚴(yán)格設(shè)備施工工藝，對室外端子箱、機(jī)構(gòu)箱等加強(qiáng)密封，加裝防潮除濕設(shè)備或材料，對絕緣老化、不能滿足對地絕緣電阻要求的設(shè)備及時(shí)更換。建立定期巡視的故障制度，加強(qiáng)對直流系統(tǒng)的認(rèn)識和管控，對直流系統(tǒng)容易接地的部位重點(diǎn)檢查，做到防患于未然，如此方能最大限度地降低直流系統(tǒng)發(fā)生接地的故障概率，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 向小民，胡翔勇，曾維魯，等.直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置[J].中國電力，1999，32（8）.

[2] 趙兵，胡玉嵐.直流系統(tǒng)微機(jī)型絕緣監(jiān)察裝置問題的探討[J].廣東電力，2009，22（4）.

作者簡介：劉德言（1989-），男，河南人，廣州供電局有限公司變電管理三所助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)。

（責(zé)任編輯：小 燕）