綜合自動(dòng)化變電站直流接地常見故障原因分析及處理

李江龍，王建峰，郭 亮

（國(guó)網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

綜合自動(dòng)化變電站直流接地常見故障原因分析及處理

李江龍，王建峰，郭 亮

（國(guó)網(wǎng)晉城供電公司，山西 晉城 048000）

介紹了綜合自動(dòng)化變電站直流系統(tǒng)的事故類型及其危害，給出了直流絕緣檢測(cè)裝置的構(gòu)成原理，分別對(duì)室外和室內(nèi)常見直流接地故障進(jìn)行了原因分析，并討論了相關(guān)處理過(guò)程。通過(guò)理論分析，詳細(xì)論證了直流系統(tǒng)串電后（第二套直流系統(tǒng)的正電與第一套直流系統(tǒng)的負(fù)電串接后），兩套直流系統(tǒng)都發(fā)出接地告警信號(hào)的成因。通過(guò)對(duì)直流接地故障處理過(guò)程的總結(jié)，提出了改進(jìn)措施，為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員提供了參考。

直流系統(tǒng)；絕緣檢測(cè)；接地

0 引言

變電站直流系統(tǒng)是站內(nèi)繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置等設(shè)備的工作電源，該電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量和可靠性直接影響上述設(shè)備的工作狀況。變電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，直流電源的故障往往擴(kuò)大事故范圍并引發(fā)災(zāi)難性的后果，因此人們稱直流系統(tǒng)為變電站的心臟。變電站內(nèi)直流系統(tǒng)的電壓等級(jí)通常分為兩種，分別為220 V和110 V。由于天氣變化、設(shè)備銹蝕及二次電纜絕緣降低等原因，直流系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生一點(diǎn)接地或多點(diǎn)接地故障，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)等現(xiàn)象的發(fā)生，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行留下嚴(yán)重隱患。

1 直流系統(tǒng)事故類型及其危害

假如直流系統(tǒng)存在一點(diǎn)接地，那么絕緣檢測(cè)裝置會(huì)報(bào)出接地告警信息。如果直流系統(tǒng)存在兩點(diǎn)接地，就有可能使熔斷器熔斷，直流電源發(fā)生短路，甚至使保護(hù)裝置拒動(dòng)或者誤動(dòng)。

假如直流系統(tǒng)存在一點(diǎn)接地，那么二次設(shè)備并不會(huì)受到影響，仍能夠繼續(xù)正常工作，等待運(yùn)維人員及時(shí)處理。見圖1，假如A點(diǎn)存在一點(diǎn)接地，其他點(diǎn)（B、C、D、E） 再存在第二點(diǎn)接地，有可能造成的后果如下。

a）假如B點(diǎn)存在第二點(diǎn)接地，直流系統(tǒng)正、負(fù)極會(huì)發(fā)生短路，將會(huì)使熔斷器FU熔斷，這時(shí)控制回路會(huì)失去直流電源。

b） 假如C點(diǎn)存在接地， 那么KA1、KA2觸點(diǎn)會(huì)被短接，這時(shí)線圈KM左側(cè)帶正電，使得KM常開觸點(diǎn)閉合，跳閘線圈Y2帶電后，斷路器跳開。因?yàn)樵O(shè)備本身并沒有發(fā)生短路，所以稱這種現(xiàn)象為誤動(dòng)。進(jìn)一步講，當(dāng)D點(diǎn)或E點(diǎn)存在第二點(diǎn)接地，都可能使線圈Y2帶電，斷路器跳開。

c） 當(dāng)B點(diǎn)首先存在一點(diǎn)接地， C點(diǎn)或E點(diǎn)緊隨其后，它們中任何一個(gè)發(fā)生第二點(diǎn)接地時(shí)，如果這時(shí)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，會(huì)引起短路，斷路器會(huì)發(fā)生拒動(dòng)。

所以，由于各種原因存在一點(diǎn)接地時(shí)，應(yīng)及時(shí)消除故障，避免發(fā)生嚴(yán)重后果。

圖1 直流系統(tǒng)兩點(diǎn)（多點(diǎn)）接地

2 直流絕緣檢測(cè)裝置的構(gòu)成原理

絕緣檢測(cè)裝置檢測(cè)原理如圖2所示。正常工況下，直流系統(tǒng)正、負(fù)兩極對(duì)地的絕緣電阻由于裝置內(nèi)阻，在由構(gòu)成的四臂電橋中滿足電橋平衡條件。因?yàn)锳點(diǎn)與大地的電位相同，所以電壓表指示為零。信號(hào)繼電器KS兩端無(wú)電壓，則不動(dòng)作。如果正、負(fù)極中任何一個(gè)發(fā)生直接接地，或者對(duì)地絕緣電阻降低，這時(shí)R3與R4不再相等，所以由公式得出，電橋平衡被打破，A點(diǎn)與大地存在壓降，當(dāng)達(dá)到信號(hào)繼電器KS動(dòng)作值時(shí)，報(bào)出接地告警信息。

圖2 絕緣檢測(cè)裝置原理圖

3 直流接地常見故障原因分析及處理

3.1 室外二次回路直流接地常見故障原因分析及處理

氣候變化是造成直流接地的主要原因之一，比如雨水天氣、下雪天氣及潮濕天氣等。由于變電站很多一次設(shè)備（變壓器、開關(guān)、刀閘等）多暴露在戶外場(chǎng)地，因?yàn)樵O(shè)備密封不嚴(yán)，可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備的二次回路污穢嚴(yán)重、受潮、甚至進(jìn)水，這種情況往往會(huì)引起直流系統(tǒng)接地。

3.1.1 遙信回路常見故障原因分析及處理

圖3和圖4分別為變電站遙信回路示意圖、遙信回路示意圖。圖3刀閘的輔助接點(diǎn)通過(guò)電纜接至端子箱，然后通過(guò)長(zhǎng)電纜接入保護(hù)室的測(cè)控裝置，800（公共端）和801為刀閘輔助接點(diǎn)的編號(hào)；圖4中+XM、-XM分別為測(cè)控裝置的正電和負(fù)電，從圖4中可以看出場(chǎng)地設(shè)備有4對(duì)輔助接點(diǎn)通過(guò)長(zhǎng)電纜引入主控室測(cè)控裝置。

圖3 遙信回路示意圖

圖4 遙信回路示意圖

場(chǎng)地設(shè)備共有4對(duì)接點(diǎn)通過(guò)長(zhǎng)電纜引入主控室測(cè)控裝置，其中3對(duì)已閉合，1對(duì)處于打開狀態(tài)。當(dāng)名為801的輔助接點(diǎn)在場(chǎng)地內(nèi)，由于天氣原因接地后（首先檢查絕緣檢測(cè)裝置，這種情況絕緣檢測(cè)裝置會(huì)告警，斷開報(bào)警支路的空氣開關(guān)，如果故障消除，則判斷是外接回路有接地現(xiàn)象，然后排查外接二次回路的接地點(diǎn)，并及時(shí)排除故障），具體處理步驟如下。

a）所在間隔的測(cè)控屏內(nèi)，在端子排處甩開經(jīng)場(chǎng)地來(lái)的長(zhǎng)電纜800（公共端，場(chǎng)地4對(duì)輔助接點(diǎn)在端子箱處并接，引出1根接入測(cè)控裝置），這時(shí)正接地應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)接地。

b)由于引入測(cè)控裝置的公共端800從電源側(cè)斷開（無(wú)+XM），接地點(diǎn)通過(guò)回路反送負(fù)電，這時(shí)會(huì)發(fā)生負(fù)接地。

c） 繼續(xù)在測(cè)控屏處甩線，當(dāng)801、802、803端全部甩開后接地故障消失（絕緣檢測(cè)裝置電壓、對(duì)地絕緣電阻恢復(fù)正常）。造成此現(xiàn)象的原因是3個(gè)閉合接點(diǎn)公共端800打連，如當(dāng)僅甩開801時(shí)，接地點(diǎn)會(huì)通過(guò)閉合接點(diǎn)802或803與負(fù)極構(gòu)成回路，仍處于負(fù)極接地狀態(tài)。

d） 上述過(guò)程已能判斷出，直流接地由801、802、803中的輔助接點(diǎn)引起，將從測(cè)控屏甩開的電纜線恢復(fù)?？紤]到3對(duì)輔助接點(diǎn)的公共端800打連地點(diǎn)一般在場(chǎng)地端子箱處，因此可以采取在端子箱依次甩線的方法排查故障。例如，先同時(shí)甩開第一組接點(diǎn)的800和801，如果接地故障消除，接地點(diǎn)就是800和801；如果故障未消除，開始甩開第二組接點(diǎn)的800和802，依次類推，直至接地故障消除。

3.1.2 變壓器本體壓力釋放二次回路發(fā)生直流接地

因?yàn)樽儔浩鲏毫︶尫砰y一般不裝設(shè)防雨帽，當(dāng)遇到雨水天氣時(shí)，容易引起壓力釋放輔助接點(diǎn)進(jìn)水，發(fā)生直流接地，這時(shí)需從本體端子箱將壓力釋放輔助接點(diǎn)電纜線甩開，待輔助接點(diǎn)風(fēng)干后恢復(fù)接線。

3.1.3 全直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣不良

此類型故障多發(fā)生于室外一次設(shè)備銹蝕嚴(yán)重、或是二次電纜絕緣質(zhì)量差的變電站。發(fā)生故障時(shí)，切斷單一直流饋線后，接地現(xiàn)象不會(huì)立即消失，對(duì)地電壓、對(duì)地絕緣電阻可能有一定程度恢復(fù)，且切斷其他單個(gè)直流饋線開關(guān)情況類似。這時(shí)需從直流系統(tǒng)集中監(jiān)控裝置檢查各饋線支路的泄漏電流值，如果出現(xiàn)多個(gè)支路泄漏電流值越限，說(shuō)明全直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣不良。

3.2 室內(nèi)二次回路常見故障原因分析及處理

隨著高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，高壓輸變電設(shè)備繼電保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙重化配置，反措要求兩套設(shè)備的電源應(yīng)分別取第一組蓄電池和第二組蓄電池電壓。

a)2組蓄電池組分別供電的直流系統(tǒng)，不允許正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間合環(huán)運(yùn)行。一般情況下220 kV及以上變電站的直流系統(tǒng)，每一套直流系統(tǒng)對(duì)應(yīng)1組蓄電池組，當(dāng)由于人為原因誤將合環(huán)點(diǎn)閉合（比如35 kV開關(guān)柜儲(chǔ)能電源合環(huán)點(diǎn)閉合），因?yàn)槊恳惶字绷飨到y(tǒng)都通過(guò)各自的絕緣檢測(cè)裝置接地，所以合環(huán)后相當(dāng)于1套直流系統(tǒng)多了1個(gè)接地點(diǎn)，造成2組直流系統(tǒng)同極性串電，直流系統(tǒng)都會(huì)發(fā)接地報(bào)警信號(hào)。

b)直流系統(tǒng)II的正電與直流系統(tǒng)I的負(fù)電通過(guò)二次回路串接。如圖5所示，+XM為第二套直流系統(tǒng)的正電，-XM為第一套直流系統(tǒng)的負(fù)電，800和801為某220 kV間隔刀閘輔助接點(diǎn)，接入測(cè)控裝置時(shí)，本應(yīng)采用第一套直流系統(tǒng)的正負(fù)電，但是錯(cuò)接為第二套直流系統(tǒng)的正電和第一套直流系統(tǒng)的負(fù)電，當(dāng)?shù)堕l輔助接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)時(shí)，兩套直流系統(tǒng)會(huì)報(bào)接地報(bào)警信息。

根據(jù)上述分析建立等效模型，如圖6所示，R為串接回路電阻，RS為絕緣檢測(cè)裝置的平衡橋內(nèi)阻，約為50 kΩ。

圖5 測(cè)控裝置遙信回路示意圖

圖6 等效模型

將圖6中等效模型化簡(jiǎn)，建立電路模型見圖7 a。運(yùn)用電路分析理論中的Y→Δ變換得到等效電路，見圖7 b。本文所述直流系統(tǒng)電壓均為220 V。

圖7 化簡(jiǎn)后的等效電路

運(yùn)用電路分析理論中的回路電流法，根據(jù)圖7 b列出計(jì)算公式（3），得出i1=i2。由于流過(guò)電阻RS的電流i1、i2互為反向，所以電阻R3中相當(dāng)于沒有電流，k1、k2點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)相同，對(duì)地電壓均是0。因此將圖7 b進(jìn)一步簡(jiǎn)化，得等效電路圖8。

圖8 等效電路

由圖8等效電路得到，直流系統(tǒng)I段負(fù)極對(duì)地電壓UI見式（4）。

因?yàn)閮商字绷飨到y(tǒng)之間的串接電阻R遠(yuǎn)小于平衡橋電阻RS，從式（1） 可知約等于R/2。帶入式（5）可得：直流系統(tǒng)II段正極對(duì)地電壓約等于0，相當(dāng)于直流系統(tǒng)II段正極直接接地。

由上述推到過(guò)程可知，當(dāng)直流系統(tǒng)I段的負(fù)極通過(guò)小電阻與直流系統(tǒng)II段的正極串電后，兩套直流系統(tǒng)均會(huì)發(fā)出直流接地告警信號(hào)。通過(guò)以上分析，可進(jìn)一步得知：當(dāng)串接回路電阻由小電阻變?yōu)榇箅娮钑r(shí)，令R＝RS，得到直流系統(tǒng)I段的負(fù)極對(duì)地電壓約等于55 V，直流系統(tǒng)II段的正極對(duì)地電壓同理；如果直流系統(tǒng)I、II段之間沒有串接回路電阻R，相當(dāng)于電阻值為無(wú)窮大，由式（1） 和式 （2），得 R1＝R2＝RS，根據(jù)式 （4） 可得直流系統(tǒng)I段負(fù)極對(duì)地電壓約等于110 V，沒有發(fā)生接地現(xiàn)象；同理，直流系統(tǒng)II段正極對(duì)地電壓同樣正常。

3.3 直流系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生直流接地故障

蓄電池、充電設(shè)備、直流饋線柜等直流設(shè)備組成電力系統(tǒng)中變電站的直流電源系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流系統(tǒng)。如果接地點(diǎn)出現(xiàn)在充電設(shè)備中，或存在于蓄電池組內(nèi)部，或存在于直流母線上，一般情況處理過(guò)程如下。

因?yàn)?套直流系統(tǒng)之間的串接電阻R遠(yuǎn)小于平衡橋電阻 RS，從式 （1） 可知R1約等于 R/2。帶入式（4）可得：直流系統(tǒng)I段負(fù)極對(duì)地電壓約等于0，相當(dāng)于直流系統(tǒng)I段負(fù)極直接接地。同理可得，直流II段正極對(duì)地電壓UⅡ見式（5）。

a)拔掉絕緣檢測(cè)裝置所有接線，接地消除則可判斷是裝置故障，若拔掉裝置所有接線接地現(xiàn)象仍然存在，則需判斷是否柜內(nèi)有接地現(xiàn)象。

b)應(yīng)進(jìn)行如下操作：關(guān)掉集中監(jiān)控裝置，斷開交流電，抽出所有充電模塊，接地現(xiàn)象如果消失，則判斷是某個(gè)充電模塊內(nèi)部有接地故障；否則，將所有充電模塊恢復(fù)，送交流電。

c)待充電模塊工作正常后拉電池開關(guān)，解掉電池回路檢查接地是否消失，若消失則是電池回路有接地，檢查電池連接線是否碰到機(jī)殼、電池是否漏液等。

3.4 嚴(yán)防交流串入直流故障

當(dāng)發(fā)生交流串入故障時(shí)，如圖9所示，交流系統(tǒng)為中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，R1、R2為平衡電橋電阻，C1、C2分別為直流系統(tǒng)正負(fù)母線對(duì)地等效電容。電容具有通交流阻直流的特性，正常運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于開路，當(dāng)交流串入后，交流電通過(guò)C1和信號(hào)繼電器KS對(duì)地形成回路，KS繼電器動(dòng)作，直流系統(tǒng)接地告警。交流串入不僅可能會(huì)造成直流系統(tǒng)接地故障，嚴(yán)重時(shí)還將通過(guò)長(zhǎng)電纜的分布電容啟動(dòng)中間繼電器，例如主變非電量中間繼電器，造成開關(guān)誤動(dòng)[1-3]。

圖9 交流串入直流示意圖

4 改進(jìn)措施

查找直流接地要關(guān)注天氣變化，如果發(fā)生雨水、降雪天氣，此時(shí)出現(xiàn)直流接地幾乎可以肯定是戶外設(shè)備引起，運(yùn)維人員在處理故障時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

a）根據(jù)季節(jié)變化，在雨季來(lái)臨前，注意加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，密切關(guān)注端子箱、機(jī)構(gòu)箱的封堵情況，有問(wèn)題及時(shí)處理。

b）在發(fā)生直流接地告警信息的同時(shí)，是否伴隨其他異常信號(hào)的產(chǎn)生（可以從調(diào)度監(jiān)控員或變電站后臺(tái)監(jiān)控機(jī)獲得），運(yùn)維人員一定要密切關(guān)注。

c）如果需拉、合裝置電源、控制電源、遙信電源時(shí)，應(yīng)提前與調(diào)度部門聯(lián)系。

d）當(dāng)達(dá)到直流絕緣檢測(cè)裝置的告警設(shè)定值時(shí)（如電阻小于25 kΩ），裝置會(huì)報(bào)出具體接地的饋線支路，方便運(yùn)維人員快速處理。如果絕緣檢測(cè)裝置僅發(fā)出接地告警信息，沒有報(bào)具體的饋線支路，盡量選用“直流接地查找儀”查找接地支路，降低采用拉路法造成的隱患（如某間隔測(cè)控裝置電源斷開后，重新上電時(shí)裝置液晶屏無(wú)法點(diǎn)亮，電源插件故障，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍）。

5 結(jié)束語(yǔ)

直流系統(tǒng)對(duì)變電站二次設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，本文分別對(duì)室外和室內(nèi)常見直流接地故障進(jìn)行了原因分析，并給出了相關(guān)處理過(guò)程。只有對(duì)直流系統(tǒng)接地故障原因進(jìn)行深入細(xì)致的研究，才能提高現(xiàn)場(chǎng)處理突發(fā)事件的能力。

∶

[1] 邱關(guān)源.電路 [M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 國(guó)家電網(wǎng)公司人力資源部編.直流設(shè)備檢修 [M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 吳建軍.直流接地引發(fā)的一次“異?！爆F(xiàn)象分析 [J].繼電器，2003,31 （10） ∶76-78.

Cause Analysis and Treatment for Common Faults of DC Grounding System in Integrated Automation Substation

LI Jianglong,WANG Jianfeng,GUO Liang

（State Grid Jincheng Power Supply Company of SEPC,Jincheng,Shanxi048000,China）

The accidents type and their hazards in the DC system ofintegrated automation system ofsubstation are introduced in this paper.The composing principle of DC insulation detection device is given,and the causes of common DC grounding faults outdoor and indoor are analyzed respectively.Through theoretical analysis,the causes for grounding signal warning of two sets of DC system are elaborated in detailed.Based on the summary of DC grounding fault treatment,improvement measures are put forward,which provides a reference for the field operation and maintenance personnel.

DCsystem；insulation detection；grounding

TM76；TM63

A

1671-0320（2017）05-0046-05

2017-05-02，

2017-07-21

李江龍（1976），男，山西晉城人，2011畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)運(yùn)行和管理工作；王建峰（1974），男，山西運(yùn)城人，2005畢業(yè)于太原理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)運(yùn)行和管理工作；郭 亮（1982），男，陜西西安人，2012畢業(yè)于西安理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，工程師，從事繼電保護(hù)運(yùn)行和維護(hù)工作。