直流系統(tǒng)接地分析及查找方法

譚俊峰

（神華國能集團(tuán)公司神頭第二發(fā)電廠，山西 朔州 036011）

1 概述

在火力發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)是一個相對獨立、安全可靠的供電系統(tǒng)，在廠用電系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。就其電壓等級來講，通常分為220 V、110 V、48 V和24 V等，以實現(xiàn)不同電壓等級下對重要系統(tǒng)設(shè)備的可靠供電。它們主要作為電氣設(shè)備控制、信號、繼電保護(hù)、自動裝置的電源，以確保電氣設(shè)備二次回路的可靠運(yùn)行；同時，它們也是部分重要電氣設(shè)備的供電電源，確保在事故情況下對重要設(shè)備的安全、可靠、持續(xù)供電，例如直流油泵、事故照明和UPS等。直流系統(tǒng)固然安全可靠，但是，在實際生產(chǎn)運(yùn)行過程中，通常會發(fā)生直流接地故障，給直流系統(tǒng)本身及其他廠用設(shè)備的正常運(yùn)行帶來極大的安全隱患。直流接地按其接地方式可分為一點接地和兩點接地，其中，兩點接地涵蓋了多點接地，按其接地程度可分為全接地和非全接地。在一點接地的情況下，由于直流電不會產(chǎn)生短路電流，所以，對設(shè)備的安全運(yùn)行不會造成嚴(yán)重的影響。但是，如果再發(fā)生第二點或多點接地，可能會造成直流系統(tǒng)崩潰、保護(hù)、開關(guān)誤動或拒動，引發(fā)嚴(yán)重的電力生產(chǎn)事故。

2 直流系統(tǒng)的規(guī)范性要求

在發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)主要由蓄電池組、充電裝置、饋電支路開關(guān)和熔斷器等組成。當(dāng)發(fā)電廠交流系統(tǒng)電源全部中斷時，在一定的時間段內(nèi)，直流系統(tǒng)仍可以為設(shè)備連續(xù)、可靠的供電，以保證電氣開關(guān)操作電源的可靠性。其中，220 V直流系統(tǒng)的配置、使用最為普遍，本文即以220 V直流系統(tǒng)為例進(jìn)行分析和探討。

鑒于直流系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的特殊性和重要性，行業(yè)內(nèi)對直流系統(tǒng)的設(shè)計、配置和使用都有嚴(yán)格的規(guī)定，主要有以下幾點：①發(fā)電廠各電壓等級的直流系統(tǒng)通常為單母線分段設(shè)計，由母聯(lián)開關(guān)實現(xiàn)互備用。每段母線分別配置1臺充電裝置和1臺蓄電池組，兩段母線共用1臺備用充電裝置，系統(tǒng)為浮充電運(yùn)行方式。②直流系統(tǒng)熔斷器應(yīng)分級配置，上下級熔體應(yīng)滿足選擇性配合要求。直流回路中采用自動空氣斷路器時，必須選用合格的直流空氣斷路器，嚴(yán)禁采用交流空氣斷路器。③一個發(fā)電廠使用的直流熔斷器（自動空氣斷路器）應(yīng)為同一廠家產(chǎn)品，同一支路上直流熔斷器（自動空氣斷路器）不應(yīng)混合使用，尤其不能在自動空氣斷路器之前再使用熔斷器。④當(dāng)220 V直流系統(tǒng)兩極對地電壓絕對值差超過40 V或絕緣降低至25 KΩ以下時，應(yīng)視為直流接地。⑤微機(jī)型絕緣監(jiān)測裝置應(yīng)能監(jiān)測和顯示其支路的絕緣狀態(tài)，當(dāng)各支路發(fā)生接地時，應(yīng)能正確顯示和報警。

3 直流接地形成的原因及危害

3.1 直流系統(tǒng)接地原因

在發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)因分布范圍廣，應(yīng)用廣泛，與戶外端子箱、操動機(jī)構(gòu)等連接比較多，容易受粉塵、潮濕、腐蝕等環(huán)境因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備絕緣下降，發(fā)生接地故障。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地有以下幾個原因。

3.1.1 外力損壞

由于直流電纜線芯比較細(xì)、機(jī)械強(qiáng)度比較小，在外力作用下，極易造成損壞，形成接地，例如在直流電纜敷設(shè)、接線等工作中因方法不當(dāng)造成電纜絕緣受損。同時，在二次回路中，直流元件絕緣性能低也會造成接地故障，比如斷路器操作線圈燒損等。

3.1.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素是造成直流接地最常見的原因之一。因為直流負(fù)荷、操作機(jī)//端子箱等通常分布在鍋爐房、戶外等環(huán)境較為惡劣的地方，受粉塵、雨水、大風(fēng)、酸堿腐蝕等影響，極易使直流系統(tǒng)絕緣下降或端子箱進(jìn)水、受潮引發(fā)直流接地。

3.1.3 安裝設(shè)計

安裝系統(tǒng)時，未按照反措要求進(jìn)行設(shè)計、安裝，出現(xiàn)交流、直流共用一根電纜的情況。因為交流系統(tǒng)為接地系統(tǒng)，所以極易導(dǎo)致交流串入直流系統(tǒng)形成接地，同時，對于絕緣性能較差的電纜接頭，如果處理不當(dāng)，也極易引發(fā)接地故障。

3.1.4 人員操作

作業(yè)人員在二次回路工作中出現(xiàn)失誤，誤將直流電源與其他接地設(shè)備觸碰而造成接地。另外，因檢修質(zhì)量的原因，未在室外設(shè)備上加裝防雨罩等防雨設(shè)施，直流線頭裸漏也會引發(fā)接地故障。

3.2 直流系統(tǒng)接地的危害

眾所周知，直流系統(tǒng)一點接地分為正極接地和負(fù)極接地，不管是正極接地，還是負(fù)極接地，雖然在理論上不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但是，此時如果發(fā)生第二點接地，不論是正極還是負(fù)極，均可造成開關(guān)誤動或拒動，而如果2個接地點一個為正極，另一個為負(fù)極，在全接地的情況下，直流系統(tǒng)將崩潰；而在非全接地的情況下，也會造成正負(fù)極間電壓大幅下降，無法滿足對開關(guān)或繼電保護(hù)的有效控制，進(jìn)而發(fā)生誤動或拒動的可能。在開關(guān)的控制回路中，開關(guān)合跳閘的觸發(fā)元件通常在正極一側(cè)，而合跳閘線圈在負(fù)極一側(cè)。當(dāng)正極發(fā)生兩點接地故障時，可能會將開關(guān)的合跳閘的觸發(fā)元件短接而導(dǎo)通，觸發(fā)合跳閘線圈動作，造成開關(guān)誤動；當(dāng)負(fù)極發(fā)生兩點接地故障時，可能會將開關(guān)的合跳閘線圈短接，在一次設(shè)備故障需要開關(guān)跳閘時，跳閘線圈因短接而無法帶電不能動作，造成開關(guān)拒動，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。直流系統(tǒng)接地故障如圖1所示。閘線圈YT動作，斷路器跳閘；同理，A點、C點同時接地或A點、D點同時接地，均可導(dǎo)致斷路器跳閘線圈YT動作而跳閘。

圖1 直流系統(tǒng)接地故障示意圖

3.2.2 負(fù)極接地可能造成斷路器拒跳閘

當(dāng)圖1中的B點、E點同時接地時，B點、E點導(dǎo)通，將中間繼電器ZJ1短接，此時如果系統(tǒng)發(fā)生事故，保護(hù)動作對于跳閘的中間繼電器ZJ1因被短接而不能帶電動作，斷路器不會跳閘，造成斷路器拒動，使事故擴(kuò)大；同理，E點、C點同時接地或E點、D點同時接地均會造成斷路器拒動。

4 查找直流接地的方法

查找直流接地時，必須先確認(rèn)接地極是正極還是負(fù)極，接地電壓值是多少，然后再判斷、查找。查找直流接地的方法通常有2種，即便攜儀器查找和拉路查找，這2種方法各有特點，應(yīng)結(jié)合使用。通過便攜儀器查找可快速確定接地范圍、縮小查找范圍，而采取拉路法可以進(jìn)一步確定接地點，從而達(dá)到消除接地故障的目的。因為直流系統(tǒng)一點接地不允許長時間運(yùn)行，通常規(guī)定不超過2 h，所以，在發(fā)生直流系統(tǒng)一點接地故障后，應(yīng)迅速開展查找工作，盡快找到接地點，并隔離消除，防止發(fā)生兩點接地，造成嚴(yán)重的設(shè)備事故。

發(fā)生直流接地故障后，應(yīng)引起足夠的重視，并根據(jù)故障信息，包括接地極性、接地電壓、啟停操作等盡快做出初步分析、判斷，在盡可能短的時間內(nèi)排除故障，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。發(fā)電廠電氣設(shè)備的直流電源通常為雙路設(shè)計，所以，使用“拉路法”是最常用的、也是行之有效的手段。拉路操作時，必須確認(rèn)設(shè)備另一路直流電源可靠備用，防止同時失去兩路電源，增加安全風(fēng)險。另外，應(yīng)充分做好安全措施和事故預(yù)想及操作監(jiān)護(hù)。拉開任意一個直流電源后，如果接地電壓無變化，應(yīng)立即將該電源開關(guān)或保險合上。在此要注意，拉開直流電源的時間不得超過3 s。

3.2.1 正極接地可能造成斷路器誤跳閘

圖2 直流系統(tǒng)接地查找原理圖

由于斷路器跳閘線圈在負(fù)極一側(cè)，當(dāng)正極一側(cè)發(fā)生兩點接地故障時，可能導(dǎo)致斷路器誤跳閘。如圖1所示，當(dāng)A點、B點同時接地時，A點、B點通過大地導(dǎo)通，中間繼電器ZJ1帶電動作，其常開接點ZJ1帶電閉合，造成斷路器跳

拉路檢查時，應(yīng)先根據(jù)設(shè)備類型、運(yùn)行環(huán)境拉最有可能接地的回路，依次拉事故照明、防誤閉鎖裝置回路、戶外合閘回路、戶內(nèi)合閘回路、6～10 kV控制回路、其他控制回路、主控制室信號回路、主控制室控制回路、整流裝置和蓄電池回路。當(dāng)直流母線發(fā)生接地時，應(yīng)立即詢問相關(guān)專業(yè)有無啟、停設(shè)備，如果正好有設(shè)備啟停，可通過設(shè)備切換判斷是否為啟停設(shè)備接地；如果沒有設(shè)備啟停，應(yīng)立即使用儀器判斷接地范圍。使用儀器查找接地的原理是：通過信號發(fā)生器向直流系統(tǒng)接地極輸入接地信號電流，再通過鉗形電流表逐一對各配電柜進(jìn)行接地信號電流檢測，當(dāng)檢測到一柜有接地信號電流，而下一柜無接地信號電流時，即可判斷接地點在該柜內(nèi)，然后在該柜內(nèi)使用拉路法確認(rèn)接地點，具體的工作原理如圖2所示。

如果發(fā)生直流接地故障，電氣二次回路上正好有檢修工作，則應(yīng)將其作為重點懷疑對象。此時，應(yīng)立即停止檢修工作，使用“拉路法”檢查是否存在接地點。利用“拉路法”停電檢查時，應(yīng)按照事故照明、信號電源、充電回路、合閘回路、操作回路的順序進(jìn)行。在完成上述各項檢查后仍未查出故障點，則應(yīng)重點檢查蓄電池回路或直流屏。當(dāng)直流母線有2點以上同極性接地時，應(yīng)按照事先排好的順序逐路停止；當(dāng)接地信號消失后，逐路重新送電；當(dāng)送上某一路負(fù)荷，接地信號又發(fā)出時，說明此路負(fù)荷有接地，重新將其停止，再送下一路負(fù)荷。依此類推，直到找出全部接地點。

5 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置

為了及時發(fā)現(xiàn)、排除直流系統(tǒng)接地故障，保證發(fā)電廠電氣系統(tǒng)的運(yùn)行安全，發(fā)電廠大都采用、引進(jìn)了直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，使用它對系統(tǒng)各負(fù)荷支路的絕緣性能進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)任意一條直流支路發(fā)生接地故障時，可直接監(jiān)測其絕緣值，并發(fā)出報警，大大提高了接地故障的消除效率。

5.1 絕緣監(jiān)測裝置的工作原理

直流絕緣監(jiān)測裝置分為2部分，即信號部分和測量部分，它們都是按照直流電橋工作原理工作的。當(dāng)直流系統(tǒng)任意一極發(fā)生接地故障時，都能及時發(fā)出報警，并顯示接地極和接地電阻值。用2個變化的分壓器正對地電壓和負(fù)對地電壓，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、微機(jī)處理計算后，數(shù)字顯示電壓值和母線對地絕緣值。當(dāng)母線電壓過高、過低或電阻值過低時，發(fā)出相應(yīng)報警；當(dāng)直流系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常后，可消除報警；當(dāng)發(fā)出直流母線絕緣下降報警信號時，裝置將自動進(jìn)入檢測各分支路絕緣的運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)各支路全部巡檢完畢后，將自動退出支路檢測狀態(tài)，返回母線檢測狀態(tài)。在直流母線接地、系統(tǒng)絕緣下降或支路未穿互感器的情況下，裝置直發(fā)直流系統(tǒng)絕緣降低信號，但不能查出接地支路。

5.2 絕緣監(jiān)測裝置運(yùn)行中的檢查

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時，應(yīng)檢查絕緣監(jiān)測裝置有無報警信號，絕緣電阻值顯示是否正常，裝置有無其他異常情況。如果絕緣電阻值顯示異常，應(yīng)詳細(xì)檢查其檢測回路，并與實際測量值進(jìn)行比較，盡快消除異常情況，保證實時檢測的準(zhǔn)確性。

5.3 絕緣在線監(jiān)測裝置常見故障及處理方法

5.3.1 無法開機(jī)

遇到無法開機(jī)的情況時，工作人員要先檢查裝置供電是否正常，確認(rèn)電源系統(tǒng)無異常；檢查顯示屏電源是否正常，如果電源正常，可判斷顯示屏故障，更換合格的顯示屏。

5.3.2 顯示值與實測值偏差大

當(dāng)發(fā)生顯示值與實測值偏差大的情況時，要調(diào)整監(jiān)控裝置內(nèi)部各測量值的電位器，觀察顯示值的變化情況。如果調(diào)整無效，應(yīng)重新開機(jī)后再調(diào)整，直至顯示值與實測值一致。

5.3.3 裝置顯示異常

當(dāng)出現(xiàn)裝置顯示異常的情況時，需重新啟動裝置或按復(fù)位鍵，如果故障無法消除，應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部檢查處理，無法修復(fù)時需更換監(jiān)控裝置。

5.3.4 報警異常

遇到報警異常的情況時，應(yīng)檢查傳感器電源是否正常，電源正常時檢查傳感器是否損壞，如果損壞，需更換；電源不正常時，應(yīng)更換電源。同時，當(dāng)測量正、負(fù)極對地電壓偏差大時，應(yīng)對裝置內(nèi)部各元件逐一排查，直至故障消除。

6 查找直流接地注意事項

查找直流接地的注意事項是：①查找接地故障前應(yīng)根據(jù)運(yùn)行設(shè)備異常情況、現(xiàn)場檢修情況和天氣情況等進(jìn)行判斷，以縮小排查范圍。如果天氣不好，應(yīng)先拉戶外負(fù)荷。②在取下運(yùn)行設(shè)備的直流熔斷器時，應(yīng)先拉正極后拉負(fù)極，合熔斷器時與此相反。③用“拉路法”選擇直流接地時，必須做好安全措施和監(jiān)護(hù)工作，防止人身觸電，不得造成短路或另一點接地，防止兩路直流電源全部消失，引起保護(hù)及自動裝置誤動。④查找直流接地時，有環(huán)路的應(yīng)先將環(huán)路解除，再進(jìn)一步查找、消除。如果拉開設(shè)備直流電源后接地信號消失，應(yīng)確保另一路直流電源正常供電，防止設(shè)備失去直流電源的時間過長。⑤在查找直流接地的過程中，為了防止保護(hù)誤動，必須短時將保護(hù)退出運(yùn)行。在此過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照保護(hù)投退規(guī)定履行相關(guān)審批手續(xù)，并做好防范措施。檢查結(jié)束后，立即將保護(hù)投入運(yùn)行。⑥在查找直流接地的過程中，應(yīng)設(shè)專人監(jiān)視直流母線電壓的變化情況，并與操作人保持聯(lián)系暢通。由于單極接地可能為多點接地，所以，在拉開某一直流回路時，即使直流接地信號未消失，只要電壓有所恢復(fù)，就必須對此回路做進(jìn)一步檢查。

7 預(yù)防直流接地的措施

預(yù)防直流接地的措施有以下幾點：①為了防止發(fā)生兩點接地，直流系統(tǒng)應(yīng)裝設(shè)靈敏度足夠高的絕緣監(jiān)察裝置，以便及時反映直流系統(tǒng)的接地情況，快速消除接地故障。②在發(fā)電廠中，交流和直流回路是2個相互獨立的系統(tǒng)，直流回路是絕緣系統(tǒng)，而交流回路是接地系統(tǒng)，如果交流串入直流系統(tǒng)，勢必會造成直流系統(tǒng)接地故障，引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。為了防止交流串入直流系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場交直流回路嚴(yán)禁共用一根電纜，交直流電纜嚴(yán)禁同橋敷設(shè)，交直流端子必須間隔分布且有明顯標(biāo)識。③設(shè)備端子箱、機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的交流端子、

直流端子應(yīng)使用不同顏色加以區(qū)分，防止在接線工作時交直流端子誤碰，造成接地。④不管機(jī)組是否運(yùn)行，如果發(fā)現(xiàn)直流接地信號發(fā)出，應(yīng)引起高度重視并進(jìn)行排查，防止因直流接地引發(fā)發(fā)電機(jī)非同期并列，造成重大設(shè)備損壞事故。⑤加強(qiáng)設(shè)備日常管理工作，定期檢查設(shè)備的防雨、防潮情況，發(fā)現(xiàn)異常和隱患應(yīng)及時整改。雨雪天應(yīng)重點檢查機(jī)構(gòu)箱、端子箱，并增加檢查次數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)進(jìn)水或受潮的情況，應(yīng)立即處理。⑥運(yùn)行單位應(yīng)加強(qiáng)對直流系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)督管理，定期開展運(yùn)行分析、事故預(yù)想、反事故演習(xí)、設(shè)備評估等，制訂預(yù)防事故的措施，防止引發(fā)直流系統(tǒng)事故或擴(kuò)大事故。⑦檢修單位應(yīng)嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量，做好直流電纜的絕緣測試工作，發(fā)現(xiàn)絕緣下降或接地電纜應(yīng)及時更換。⑧做好直流電纜和直流元件的日常維護(hù)工作，把好設(shè)備質(zhì)量關(guān)，及時更換不合格的電纜或元件，防止直流系統(tǒng)接地故障的發(fā)生。

8 結(jié)論

直流供電系統(tǒng)在發(fā)電廠是獨立、可靠的供電電源系統(tǒng)，在生產(chǎn)運(yùn)行中起著極其重要的作用。而接地故障是直流系統(tǒng)中最常見、最危險的故障之一，因此，在發(fā)生直流接地故障后，如何快速、有效地消除接地，保證供電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是防止事故擴(kuò)大的關(guān)鍵。事實證明，通過科學(xué)的方法、合理的判斷，我們可以達(dá)到快速消除接地故障的目的，再加上嚴(yán)格的管理和先進(jìn)的技術(shù)，消除直流接地故障會變得越來越簡單、越來越高效。