變電站直流系統(tǒng)典型接地故障分析與預(yù)防策略

張潤(rùn)澤

（國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司，陜西 西安 710000）

0 引 言

受變電站遺留缺陷、寄生回路、絕緣監(jiān)測(cè)裝置精度較低等因素的影響，發(fā)生直流接地故障時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行故障排查。因此，在直流系統(tǒng)未發(fā)生故障時(shí)，對(duì)變電站內(nèi)可能存在直流接地隱患的設(shè)備部位采取相應(yīng)的預(yù)防措施顯得尤為重要。

1 直流接地故障產(chǎn)生原因

1.1 環(huán)境濕度變化導(dǎo)致的故障

受氣象濕度增加的影響，直流系統(tǒng)的絕緣性能可能會(huì)下降[1]。例如，在雨雪天氣中，戶外機(jī)構(gòu)箱和端子箱容易進(jìn)水或產(chǎn)生凝露，造成直流接地故障。此外，在炎熱的天氣里，原先在戶外機(jī)構(gòu)箱、端子箱內(nèi)的積水可能會(huì)蒸發(fā)，造成箱體內(nèi)濕度增大，引發(fā)直流接地故障。

1.2 人為因素導(dǎo)致的故障

作業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)開展繼電保護(hù)工作時(shí)，誤碰、誤動(dòng)、誤接線可能會(huì)造成直流接地故障[2]。如果作業(yè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題或瞬間斷開誤碰的線纜，直流接地故障可能會(huì)短時(shí)或瞬間復(fù)歸。同時(shí)，存在因作業(yè)人員在工作中失誤損壞線纜的情況，當(dāng)時(shí)可能無明顯現(xiàn)象，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中這些故障可能會(huì)發(fā)展，最終導(dǎo)致直流接地故障。

1.3 不穩(wěn)定工況導(dǎo)致的故障

在打開或關(guān)閉保護(hù)屏、機(jī)構(gòu)箱柜門的過程中，可能會(huì)引發(fā)震動(dòng)，這種震動(dòng)可能會(huì)對(duì)線纜的絕緣產(chǎn)生不良影響，從而引發(fā)直流接地故障。此外，斷路器分合閘過程中的劇烈震動(dòng)、變壓器和電抗器長(zhǎng)期的發(fā)熱和震動(dòng)環(huán)境也可能對(duì)線纜絕緣產(chǎn)生不良影響，進(jìn)一步導(dǎo)致直流接地故障。

2 運(yùn)行中變電站直流接地故障實(shí)例

選取陜西省內(nèi)3 座交流750 kV 在運(yùn)變電站和1 座交流750 kV 新建變電站作為研究對(duì)象，分析這些變電站近3 年間發(fā)生的7 起直流接地故障案例。

2.1 在運(yùn)變電站直流接地故障與處理

2.1.1 變壓器風(fēng)冷控制柜的直流接地故障

在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的警報(bào)中，故障段直流母線電壓不平衡，同時(shí)該段直流分電屏的某柜支路發(fā)出絕緣下降的告警。直流分電屏絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)一步指出某變壓器風(fēng)冷控制柜電源支路絕緣下降的問題。

現(xiàn)場(chǎng)使用絕緣電阻表檢查該變壓器風(fēng)冷控制柜的風(fēng)冷控制回路，發(fā)現(xiàn)采集油溫負(fù)荷信號(hào)的線纜絕緣下降。為解決這一問題，更換備用線纜，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，變壓器的冷卻器也恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.1.2 變壓器本體測(cè)控端子箱的直流接地故障

在交直流一體化系統(tǒng)中，故障段直流母線出現(xiàn)電壓不平衡和電壓下降的現(xiàn)象。直流分電屏絕緣監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)一步報(bào)告某變壓器風(fēng)冷控制柜的電源支路絕緣下降。

現(xiàn)場(chǎng)使用絕緣電阻表檢查某變壓器風(fēng)冷控制柜風(fēng)冷控制回路，發(fā)現(xiàn)采集油溫負(fù)荷信號(hào)的回路線纜絕緣下降。該電纜通至某臺(tái)主變壓器某相本體測(cè)控端子箱。為解決這一問題，現(xiàn)場(chǎng)更換備用電纜，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行，變壓器的冷卻器也恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.1.3 斷路器匯控柜的直流接地故障

在后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的警報(bào)中，直流故障段母線接地，直流Ⅰ段正對(duì)地的電阻顯示為0 kΩ?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)某750 kV 斷路器匯控柜端子所接的二次線存在絕緣降低的問題。這條線是該臺(tái)斷路器B 相位置信號(hào)至第一套非全相繼電器之間的二次線。為解決這一問題，采取摘除本段二次線的故障隔離措施。摘除后，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.1.4 絕緣自行恢復(fù)的直流接地故障

通過后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)直流一體化電源電壓有偏動(dòng)作。在后臺(tái)檢查中，直流Ⅰ段絕緣監(jiān)測(cè)裝置顯示絕緣異常燈亮，并報(bào)出故障支路為某斷路器智能終端箱電源一?，F(xiàn)場(chǎng)檢查該智能終端匯控柜，未見滲水、凝露現(xiàn)象，隨后直流系統(tǒng)自行恢復(fù)正常。雖然直流系統(tǒng)的絕緣自行恢復(fù)正常，但仍需深入檢查故障支路，以確保直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 新建變電站直流接地故障與處理

2.2.1 站用交流進(jìn)線柜直流互竄故障

在Ⅰ段和Ⅱ段直流饋線支路上，都出現(xiàn)絕緣下降的總告警。同時(shí)，Ⅰ段直流母線發(fā)生互竄告警，被竄入的支路是某站用變保護(hù)測(cè)控柜的電源[3]。通過圖紙發(fā)現(xiàn)，故障點(diǎn)2 個(gè)端子接反?；謴?fù)接線后，直流電源互竄復(fù)歸。排查接地故障的端子對(duì)地絕緣為10 kΩ。核對(duì)接線圖后確定，本體油位計(jì)最高油位采集線的接線破損，導(dǎo)線金屬部分裸露，最終引起絕緣下降。在用絕緣膠帶包裹裸露的導(dǎo)線后，系統(tǒng)對(duì)地的絕緣性能恢復(fù)正常。

2.2.2 不間斷電源直流接地故障

在新建變電站調(diào)試驗(yàn)收期間，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）主機(jī)逆變器出現(xiàn)故障，事故照明主機(jī)市電出現(xiàn)故障，直流分屏某支路絕緣下降發(fā)出總告警，并且事故照明逆變器也出現(xiàn)故障。

依次拆除接線，排查至事故照明屏的遙信電纜時(shí)，母線電壓和對(duì)地絕緣恢復(fù)正常。進(jìn)一步檢查UPS 故障報(bào)警回路端子盒，發(fā)現(xiàn)緊固螺絲過長(zhǎng)，穿透塑料絕緣后將銅線與背部裝置金屬板連接，導(dǎo)致電纜頭通過金屬板發(fā)生直流接地。為了解決這一問題，拆除絕緣破損的電纜，使用絕緣膠帶包裹裸露的金屬部分。經(jīng)過處理后，系統(tǒng)對(duì)地絕緣恢復(fù)正常。

2.2.3 電容器網(wǎng)門直流接地故障

Ⅰ段直流絕緣故障，Ⅰ段直流母線電壓不平衡，某柜分屏饋線空開絕緣下降。故障點(diǎn)在某主變壓器66 kV 并聯(lián)電容器智能控制柜裝置電源回路。當(dāng)日天氣為大雨，因此判斷是控制柜內(nèi)進(jìn)水或凝露導(dǎo)致直流接地故障。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)電容器網(wǎng)門行程開關(guān)內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致絕緣性能下降。檢測(cè)網(wǎng)門行程開關(guān)信號(hào)回路總電源接線端子，正極對(duì)地電壓為75 V,負(fù)極對(duì)地電壓為-154 V。隨后逐級(jí)對(duì)該信號(hào)回路電源出線進(jìn)行拆除檢查，當(dāng)拆除到某端子排電容器網(wǎng)門電磁鎖行程開關(guān)接線端子時(shí)，異常復(fù)歸。

2.3 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與分析

在對(duì)陜西地區(qū)3 座交流750 kV 在運(yùn)變電站和1 座交流750 kV 新建變電站直流接地故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，3 年間3 座750 kV 在運(yùn)變電站共發(fā)生4 起直流接地故障，新建變電站在基建驗(yàn)收期間共發(fā)生3 起直流接地故障和1 起Ⅰ、Ⅱ段直流互竄故障。

按照設(shè)備類型，由戶外一次設(shè)備引起的直流接地故障共6 起，其中3 起由主變壓器非電量保護(hù)采集油溫、油位信號(hào)線引起，2 起由斷路器匯控柜內(nèi)接線引起，1 起由網(wǎng)門行程開關(guān)信號(hào)回路進(jìn)水引起。由二次設(shè)備引起的直流接地故障共2 起。戶外一次設(shè)備暴露在外界復(fù)雜的環(huán)境中，比室內(nèi)設(shè)備更易出現(xiàn)直流接地故障。

風(fēng)冷控制回路采集油溫負(fù)荷信號(hào)電纜和本體油位計(jì)最高油位采集信號(hào)電纜都是從變壓器本體端子箱或匯控柜引出，需要依次穿過電纜溝道、垂直放線槽盒，然后接到變壓器溫度計(jì)、變壓器油枕等部位。由于涉及的接線跨度長(zhǎng)、彎折多、路徑復(fù)雜，加上槽盒與電纜溝連接處、槽盒與變壓器本體連接處只能使用油泥或防水密封膠進(jìn)行封堵，存在年久老化的風(fēng)險(xiǎn)。在長(zhǎng)期運(yùn)行中，線纜的絕緣外皮可能因機(jī)械應(yīng)力而破損。如果封堵處發(fā)生破損并滲水，就可能導(dǎo)致直流接地故障。

斷路器匯控柜、端子箱和機(jī)構(gòu)箱內(nèi)易受天氣變化的影響。在潮濕天氣中，柜內(nèi)濕度上升，導(dǎo)致直流系統(tǒng)的絕緣性能下降，從而引發(fā)直流接地故障。而當(dāng)氣溫上升、環(huán)境濕度降低時(shí)，系統(tǒng)絕緣性能可能會(huì)恢復(fù)。這種間歇性故障給直流接地點(diǎn)的排查帶來很大的麻煩。

在變電站中，網(wǎng)門行程開關(guān)是防誤閉鎖裝置的組成部分，用于防止人員誤入運(yùn)行中的電氣設(shè)備。該防誤閉鎖裝置通常由信號(hào)控制回路、行程開關(guān)以及電磁鎖組成。在設(shè)備帶電且接地刀閘未閉合的情況下，它能夠鎖死網(wǎng)門。然而該系統(tǒng)部件長(zhǎng)期暴露在外界環(huán)境中，且缺乏防雨措施，在雨天容易浸水，導(dǎo)致直流接地故障的發(fā)生。

3 直流接地故障預(yù)防策略

3.1 加裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置

絕緣監(jiān)測(cè)裝置能夠在直流接地故障發(fā)生后第一時(shí)間發(fā)出告警，并確定故障支路[4]。即使故障支路測(cè)算不準(zhǔn)確，也能縮小排查范圍，提高故障處理效率。目前市面上主流的絕緣裝置工作原理基本分為3 類，分別是交流注入直流系統(tǒng)、支路漏電流檢測(cè)、投入可變電阻[5]。其中，交流注入直流系統(tǒng)正逐漸被淘汰[6]。

3.2 使用直流接地查找儀

在傳統(tǒng)的直流接地故障排查中，通常使用萬用表和絕緣電阻表進(jìn)行測(cè)量。使用絕緣電阻表時(shí)，直流回路必須斷電檢查，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置等重要且不可斷電設(shè)備所在的回路無法進(jìn)行檢測(cè)。而萬用表在直流接地故障查找過程中禁止使用電阻檔，只允許使用電壓檔對(duì)回路進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢查人員的技術(shù)要求較高。采用與絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理基本相同的直流接地查找儀，可以加快直流接地故障的排查速度。

3.3 工藝提升和設(shè)備改造

在直流接地故障發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)人員確定故障由某回路接線破損引起。受到故障處置時(shí)限、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際接線方式以及運(yùn)行設(shè)備的限制，通常采用更換備用線纜的方式來解決故障。在更換線纜的過程中，需要先將故障線纜兩端拆除，將線纜端部進(jìn)行絕緣包扎隔離，然后更換預(yù)先放置的備用線纜。通常專用線纜與備用線纜的放線比例為1 ∶1，但變壓器、電抗器等戶外設(shè)備的通風(fēng)控制系統(tǒng)和非電量保護(hù)裝置涉及戶外接線，尤其是涉及線纜從端子箱、機(jī)構(gòu)箱中引出接至戶外一次設(shè)備上的直流控制回路與信號(hào)回路接線，應(yīng)從基建階段就考慮增加備用線纜敷設(shè)數(shù)量。

在放線工作完成后，應(yīng)對(duì)備用線纜采取保護(hù)措施并進(jìn)行標(biāo)示。在更換備用線纜前，應(yīng)使用絕緣電阻表對(duì)回路絕緣性能進(jìn)行檢查。維修工作后，應(yīng)進(jìn)行相關(guān)標(biāo)示和說明記錄留存，防止后續(xù)故障發(fā)生時(shí)無備用線纜更換或錯(cuò)換為已經(jīng)報(bào)廢隔離的故障線纜。

針對(duì)變電站網(wǎng)門行程開關(guān)或電磁鎖內(nèi)部進(jìn)水導(dǎo)致的直流接地故障，尤其是戶外帶電設(shè)備，如站用變電器、低壓電抗器網(wǎng)門等，應(yīng)采取安裝防雨罩等臨時(shí)處置措施，并考慮更換更安全的鎖具，防止類似故障再次發(fā)生。

4 結(jié) 論

文章主要分析7 起變電站站用直流系統(tǒng)接地故障案例發(fā)生原因，并制定相應(yīng)的預(yù)防策略，可以為在運(yùn)變電站直流接地故障排查和新建變電站站用直流系統(tǒng)驗(yàn)收投運(yùn)提供技術(shù)支撐。通過采取不同的措施，可以有效減少故障排查過程中的問題，降低成本，適用于不同年限、不同類型的變電站。