一起直流系統(tǒng)接線錯(cuò)誤引起的接地故障分析

陳瑞珍，謝智浩，高體攀，王曉，陳智龍

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙410004)

0 引言

變電站直流電源系統(tǒng)作為保護(hù)、信號(hào)、控制裝置的供電電源，其供電可靠性影響著繼電保護(hù)裝置的可靠動(dòng)作[1-5]。若發(fā)生直流接地而未及時(shí)排查，可能造成保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，甚至造成大范圍的停電事故[6-10]。

某換流站500 kV 1號(hào)繼電器室在進(jìn)行2號(hào)蓄電池組容量試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生直流電源母線負(fù)極金屬性接地故障，最終發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)?號(hào)蓄電池組負(fù)極接地。本文針對(duì)此次故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)直流電源系統(tǒng)的竣工驗(yàn)收、例試檢修提出了建議。

1 運(yùn)行方式與故障簡(jiǎn)述

該繼電室110 V直流系統(tǒng)采用兩電三充方式運(yùn)行，每段直流母線各接一組蓄電池與一段充電機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)兩段母線之間母聯(lián)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，母線分段運(yùn)行。備用充電機(jī)可在兩段母線切換，正常/檢修方式下備用充電機(jī)均不投入運(yùn)行，如圖1所示。2段直流系統(tǒng)接線原理如圖2所示，其中ⅡLK1、ⅡDK1開(kāi)關(guān)位于直流聯(lián)絡(luò)屏內(nèi)，ⅡCK1開(kāi)關(guān)位于充電屏內(nèi)并直接接至饋線屏母排。

故障發(fā)生時(shí)正在進(jìn)行2號(hào)蓄電池組核容試驗(yàn)，檢修時(shí)將2號(hào)充電機(jī)與2號(hào)蓄電池組退出(合上圖1中母聯(lián)開(kāi)關(guān)、斷開(kāi)圖1(放大后見(jiàn)圖2)中ⅡCK2開(kāi)關(guān)、ⅡLK1開(kāi)關(guān))。在進(jìn)行2號(hào)蓄電池組核容試驗(yàn)的過(guò)程中，放電約2 h后發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)發(fā)“直流母線負(fù)接地”告警。實(shí)測(cè)母線負(fù)極對(duì)地電壓為0，正極對(duì)地電壓為116.5 V，判斷為直流母線負(fù)極金屬性接地。為防止保護(hù)裝置誤動(dòng)作并縮小接地范圍，現(xiàn)場(chǎng)考慮盡快將兩段母線分段運(yùn)行，計(jì)劃停止蓄電池放電工作并等蓄電池充滿電后再將母線分段，但實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)將蓄電池放電儀退出后，“直流母線負(fù)接地”告警消除，實(shí)測(cè)母線負(fù)極對(duì)地電壓為-58.2 V，正極對(duì)地電壓為58.3 V，母線恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖1 500 kV 1號(hào)繼電器室110 V直流系統(tǒng)

圖2 500 kV 1號(hào)繼電器室110 V 2段直流系統(tǒng)

2 故障排查過(guò)程

根據(jù)現(xiàn)象判斷直流母線接地為2號(hào)蓄電池組相關(guān)工作引起，根據(jù)圖1與圖2分析，檢修工作的安全措施為斷開(kāi)圖2中2號(hào)充電機(jī)輸出開(kāi)關(guān)ⅡCK2、斷開(kāi)2段聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)ⅡLK1，且3號(hào)充電機(jī)輸出開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)2號(hào)蓄電池組已經(jīng)與直流母線隔離，蓄電池與直流母線之間已不存在直流的電氣聯(lián)系，相關(guān)工作不應(yīng)影響到直流母線。但故障時(shí)的現(xiàn)象表明，直流母線接地是由蓄電池核容試驗(yàn)引起，因此判斷此時(shí)蓄電池與直流母線之間在某處仍存在連接。

正常情況下，若蓄電池組與直流母線隔離，蓄電池組本身已不存在對(duì)地參考點(diǎn)，無(wú)法測(cè)量正負(fù)對(duì)地電壓[11-13]，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量2號(hào)蓄電池組負(fù)對(duì)地電壓為-58.1 V，正對(duì)地電壓為49.5 V，且結(jié)果顯示蓄電池負(fù)對(duì)地電壓與直流母線負(fù)對(duì)地電壓一致，可進(jìn)一步判斷連接點(diǎn)在直流負(fù)極產(chǎn)生。

1)沿圖2中箭頭所示路徑，從蓄電池側(cè)開(kāi)始逐步檢查。斷開(kāi)路徑中經(jīng)過(guò)的開(kāi)關(guān)，通過(guò)測(cè)量每個(gè)開(kāi)關(guān)的上下端正、負(fù)對(duì)地電壓來(lái)判斷故障位置。在測(cè)量ⅡLK1開(kāi)關(guān)(此時(shí)處于分位)上下端極對(duì)地電壓時(shí)，測(cè)量結(jié)果為上端(母線側(cè))、下端(電池側(cè))負(fù)對(duì)地電壓均為-58.1 V，正對(duì)地電壓均為0，可以判斷連接點(diǎn)在ⅡLK1開(kāi)關(guān)負(fù)極的上下兩側(cè)形成。可能有兩種原因造成此現(xiàn)象，一是ⅡLK1開(kāi)關(guān)內(nèi)部故障導(dǎo)致其負(fù)極無(wú)法形成斷開(kāi)點(diǎn)，二是ⅡLK1下端連接的接線、儀表、裝置存在問(wèn)題。

2)由于開(kāi)關(guān)內(nèi)部故障無(wú)法直觀判斷，對(duì)ⅡLK1開(kāi)關(guān)多次分、合后故障仍未消失，故先對(duì)接線、儀表、裝置進(jìn)行排查。ⅡLK1開(kāi)關(guān)上、下端接有蓄電池電流表和電壓變送器，并有3根電纜分別接至2號(hào)直流充電機(jī)、3號(hào)直流充電機(jī)、電池放電開(kāi)關(guān)。逐一拆除每根接線后再次測(cè)量ⅡLK1開(kāi)關(guān)上下端負(fù)極對(duì)地電壓，最終在拆除至ⅡCK2開(kāi)關(guān)的接線(記為接線1)后，發(fā)現(xiàn)ⅡLK1開(kāi)關(guān)下端負(fù)極對(duì)地電壓為0，而測(cè)量接線1對(duì)地電壓為-58.1 V，可以確定故障由接線1引起。在電纜溝檢查電纜走向，發(fā)現(xiàn)接線1終點(diǎn)為直流饋線屏，而非2號(hào)直流充電屏。

3)確定接線1錯(cuò)誤，而測(cè)量ⅡCK2開(kāi)關(guān)下端(此時(shí)處于分位)負(fù)對(duì)地電壓為-58.1 V(正常應(yīng)為0 V)，正對(duì)地電壓為0 V，判斷ⅡCK2開(kāi)關(guān)負(fù)極接線(記為接線2)直接與直流母線負(fù)極相連，接線也存在錯(cuò)誤。此時(shí)推測(cè)此次故障現(xiàn)象可能由該接線與接線1接反導(dǎo)致。使用鉗形表測(cè)量電流作進(jìn)一步確認(rèn)。如圖3所示，正常情況下，圖中圈出部分兩根負(fù)極電纜(接線2與接線3)共同接至直流饋線屏負(fù)極母排，兩根電纜為并聯(lián)關(guān)系。正常時(shí)，合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)后，兩根電纜流過(guò)的電流之和應(yīng)為2段母線負(fù)載電流(約為31.7 A)，且兩根電纜的電流值應(yīng)大致相等，但實(shí)測(cè)結(jié)果為接線3中電流為31.7 A，接線2中電流為0。至此，確認(rèn)接線1與接線2接線錯(cuò)誤，接線1終點(diǎn)實(shí)際為直流饋線屏，接線2終點(diǎn)實(shí)際為ⅡCK2開(kāi)關(guān)下端，接線1與接線2接反。

圖3 整改前屏內(nèi)接線

3 接線整改及驗(yàn)證

3.1 接線整改

由于直流母線一直處于運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)法停電，且屏內(nèi)正負(fù)極母排之間距離較近，整改時(shí)可能造成直流母線接地甚至短路。為將整改風(fēng)險(xiǎn)降到最低，從以下幾方面考慮并針對(duì)性地制定了整改方案。

1)減小電纜拉扯等大的機(jī)械動(dòng)作防止設(shè)備誤動(dòng)。觀察接線1與接線2，屏內(nèi)長(zhǎng)度基本一致，可利用原電纜及原接頭進(jìn)行整改，松開(kāi)螺栓接線互換后再次緊固即可。

2)減小發(fā)生直流短路時(shí)可能影響的設(shè)備范圍。將2號(hào)蓄電池充滿電后，將兩段直流母線分段運(yùn)行，然后對(duì)2段直流系統(tǒng)接線進(jìn)行整改。

3)保障2段直流系統(tǒng)供電的可靠性。圖1中，2號(hào)蓄電池組通過(guò)ⅡLK1開(kāi)關(guān)與母線相連，解開(kāi)接線必定會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成直流母線脫離蓄電池組運(yùn)行，不符合規(guī)程要求[8]。現(xiàn)場(chǎng)利用饋線屏上的大容量備用空開(kāi)，從2號(hào)蓄電池組至2段饋線屏另敷設(shè)一根臨時(shí)電纜，使2號(hào)蓄電池組通過(guò)備用空開(kāi)直接與2段直流母線相連。

4)保障人員安全。斷開(kāi)圖1中ⅡLK1開(kāi)關(guān)與ⅡDK1開(kāi)關(guān)，確保任何情況下接線1與接線2中均無(wú)電流流過(guò)。

3.2 驗(yàn)證

接線整改后，兩段直流系統(tǒng)均恢復(fù)正常運(yùn)行方式，然后對(duì)接線結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1)接線1驗(yàn)證:合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)并降低2號(hào)直流充電機(jī)輸出電壓，測(cè)量接線1中流過(guò)電流約為16 A，接線3中流過(guò)的電流約為16 A，與理論情況一致。

2)接線2驗(yàn)證:接線1驗(yàn)證合格后，調(diào)整直流系統(tǒng)運(yùn)行方式，將2號(hào)蓄電池組退出運(yùn)行并放置20 min使蓄電池自放電。然后合上ⅡCK2開(kāi)關(guān)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，測(cè)量接線2電流與2號(hào)蓄電池電流一致，并再次測(cè)量蓄電池組正負(fù)極對(duì)地電壓，此時(shí)極對(duì)地電壓無(wú)法測(cè)量，與理論情況一致。

4 故障分析

此次故障的根本原因?yàn)槭┕挝皇┕ゅe(cuò)誤導(dǎo)致接線1與接線2接反，直接原因?yàn)樾铍姵胤烹妰x絕緣狀況不良，進(jìn)而發(fā)生放電儀接地引起的直流母線接地。

正常運(yùn)行時(shí)，接線接反并不會(huì)直觀影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行，即使蓄電池處于檢修狀態(tài)，由于蓄電池組充電時(shí)可通過(guò)“接線2—饋線屏—接線3—2號(hào)蓄電池”回路進(jìn)行充電，充電功能正常，無(wú)法直觀表現(xiàn)出來(lái)。但處于檢修運(yùn)行方式時(shí)，接線接反將影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行與檢修。

1)2號(hào)蓄電池組、2號(hào)直流充電機(jī)與直流母線無(wú)法做到完全隔離，檢修人員安全存在隱患，不符合相關(guān)規(guī)程要求[9]。而且在蓄電池檢修時(shí)，若發(fā)生蓄電池負(fù)極接地會(huì)直接造成直流母線的負(fù)極接地。

2)蓄電池組檢修時(shí)，為將蓄電池組退出，應(yīng)合上直流系統(tǒng)的母聯(lián)開(kāi)關(guān)，使兩段直流系統(tǒng)中的平衡橋電阻并聯(lián)運(yùn)行。并聯(lián)后直流系統(tǒng)對(duì)地電阻減小，會(huì)導(dǎo)致兩段直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)出“母線接地”告警(此接地為平衡接地，直流正負(fù)對(duì)地電壓均衡)。此現(xiàn)象屬于蓄電池檢修時(shí)的正常告警，且一組蓄電池的檢修持續(xù)時(shí)間通常為24 h左右。因此，通常蓄電池檢修時(shí)會(huì)將直流系統(tǒng)的接地告警視為正?，F(xiàn)象。在此次檢修中，若檢修人員將接地告警視為正常，未及時(shí)進(jìn)行觀察并確認(rèn)直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，將使直流母線長(zhǎng)期處于負(fù)極金屬性接地的狀態(tài)，在檢修期間若再次發(fā)生某一點(diǎn)負(fù)極接地，將有可能造成保護(hù)裝置的誤動(dòng)。

3)接線3中流過(guò)的電流翻倍，與設(shè)計(jì)初衷不符，負(fù)載較大時(shí)可能造成該電纜過(guò)熱、加速絕緣老化。該小室110 V直流系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用兩根電纜并接作為聯(lián)絡(luò)屏內(nèi)直流母線至饋線屏的輸出電纜，接線接反造成直流母線至饋線屏之間只有一根電纜直接相連，導(dǎo)致合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)時(shí)所有負(fù)載電流只能通過(guò)接線3流過(guò)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某換流站在進(jìn)行蓄電池組檢修時(shí)發(fā)生的直流母線負(fù)極金屬性接地現(xiàn)象，逐步排查并確定問(wèn)題所在，針對(duì)直流電源系統(tǒng)的特殊性(無(wú)法停電)制定了整改措施，為此類問(wèn)題的排查與整改提供了經(jīng)驗(yàn)。

此次故障暴露出直流電源系統(tǒng)施工、驗(yàn)收及檢修時(shí)存在的一些問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出以下建議:

1)加強(qiáng)投運(yùn)前驗(yàn)收，驗(yàn)收時(shí)應(yīng)對(duì)接線進(jìn)行復(fù)核，不應(yīng)只通過(guò)現(xiàn)象、功能來(lái)判斷，盡量在設(shè)備未上電前進(jìn)行驗(yàn)收，以方便對(duì)直流系統(tǒng)接線的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2)進(jìn)行檢修工作前，應(yīng)檢查試驗(yàn)儀器絕緣是否良好，防止儀器內(nèi)部絕緣不良產(chǎn)生直流接地。

3)進(jìn)行蓄電池檢修時(shí)，若合上母聯(lián)開(kāi)關(guān)會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)產(chǎn)生接地告警，應(yīng)退出其中一套絕緣監(jiān)測(cè)裝置的平衡橋，使直流系統(tǒng)處于無(wú)告警狀態(tài)，才能引起現(xiàn)場(chǎng)人員足夠的重視，以便及時(shí)開(kāi)展故障排查。