柳晉冬，羅福強(qiáng)

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650000)

變電站直流系統(tǒng)接地故障分析

柳晉冬，羅福強(qiáng)

(云南電網(wǎng)公司昆明供電局，昆明 650000)

論述直流系統(tǒng)接地故障危害，重點(diǎn)分析了不平衡電橋法和漏電流法組合的絕緣檢測方法，結(jié)合實(shí)際提出直流系統(tǒng)接地故障的排查方法及變電站建設(shè)期的預(yù)防措施。

直流系統(tǒng)；接地故障；絕緣檢測；排查方法；預(yù)防措施

1 前言

變電站直流系統(tǒng)在正常情況下為監(jiān)控、繼電保護(hù)、自動裝置、斷路器操作控制回路等提供穩(wěn)定的直流電源，在交流電源消失時作為事故照明等緊急備用電源，直流電源的安全可靠運(yùn)行對變電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要作用。但由于直流系統(tǒng)饋線支路多、供電線路長、接線回路復(fù)雜，施工期環(huán)境惡劣、人為因素等，直流系統(tǒng)很容易出現(xiàn)絕緣降低、接地故障 (這是絕緣降低的一種極端情況，以下均以 “接地故障”表示)。所以必須在直流系統(tǒng)接地故障時，快速準(zhǔn)確的查找排除故障點(diǎn)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。對處于建設(shè)期的變電站，需要進(jìn)行有效的預(yù)防，避免埋下隱患。

2 直流系統(tǒng)接地故障危害

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時，一般不會立即發(fā)生嚴(yán)重的危害，直流系統(tǒng)正極一點(diǎn)接地可能發(fā)生誤動，負(fù)極一點(diǎn)接地可能發(fā)生拒動。直流系統(tǒng)接地故障危害大致可分為以下三類：

1)直流正極一點(diǎn)接地，接著發(fā)生第二點(diǎn)接地，如圖1所示，開關(guān)S處于開路，如果接地電阻R1、R2的阻值足夠小，通過繼電器K電流將達(dá)到動作值，從而發(fā)生誤動現(xiàn)象。

圖1 第一種直流接地故障

2)直流負(fù)極一點(diǎn)接地，接著發(fā)生第二點(diǎn)接地，如圖2所示，當(dāng)開關(guān)S閉合，如果接地電阻R1、R2的阻值足夠小，繼電器K將被短路，從而發(fā)生拒動現(xiàn)象。

圖2 第二種直流接地故障

3)直流中間一點(diǎn)接地，接著另一支路中間一點(diǎn)接地，如圖3所示，如果接地電阻R1、R2的阻值足夠小，當(dāng)開關(guān)S1或S2閉合，繼電器K1、K2均會動作，從而發(fā)生誤動現(xiàn)象。

圖3 第三種直流接地故障

3 直流系統(tǒng)絕緣檢測方法

直流系統(tǒng)絕緣檢測方法主要有：平衡電橋法、不平衡電橋法、低頻探測法、漏電流法等。平衡電橋法檢測速度快，但不能測出直流系統(tǒng)正、負(fù)極絕緣同等下降的情況。不平衡電橋法雖然檢測速度慢，但是可以檢測各種情況的母線絕緣降低現(xiàn)象。低頻探測法是比較新的一種檢測方法，但是它所能檢測到的接地電阻受直流系統(tǒng)對地分布電容的影響，且注入的低頻交流信號增加了直流系統(tǒng)的電壓紋波系數(shù)。漏電流法無需注入信號，不受對地分布電容的影響，能夠準(zhǔn)確判斷故障支路及接地電阻，能夠分別檢測出多條支路同時出現(xiàn)絕緣降低現(xiàn)象。

下面對不平衡電橋檢測法與漏電流檢測法組合檢測方法進(jìn)行分析，接線示意圖如圖四：不平衡電橋檢測法可以測出系統(tǒng)絕緣降低及接地電阻，但是無法確定是母線還是饋線支路發(fā)生絕緣問題；漏電流檢測法檢測各饋線支路的絕緣狀況，通過檢測漏電流傳感器輸出就可以確認(rèn)母線接地還是饋線接地及接地支路。兩者的結(jié)合可以幫助迅速準(zhǔn)確的排查接地故障。

圖4不平衡電橋及漏電流檢測接線示意圖

圖4 中，R0為正投切電阻，R1為負(fù)投切電阻，R2、R3為平衡電阻，Rx為系統(tǒng)正對地電阻，Ry為系統(tǒng)負(fù)對地電阻，R4、R5分別為模擬支路故障接地電阻。

3.1 不平衡電橋檢測法原理

直流母線分為合閘母線和控制母線，通常由電壓較高的合閘母線為沖擊負(fù)荷供電，由控制母線為經(jīng)常性負(fù)荷充電。所以需要根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)來確定直流母線的類型，一般分僅有控制母線、同時有控制母線和合閘母線兩種情況：

3.1.1 僅有控制母線情形

當(dāng)正負(fù)母線電壓超過投切電壓時，通過控制S0、S1軟開關(guān)的分合，形成不平衡電橋，進(jìn)行計算。絕緣檢測過程如下：

1)先正投切：斷開S1，合上S0，測出此時正對地電壓U0+，負(fù)對地電壓U0

-：

聯(lián)立方程 (1)、 (2)即可求解出接地電阻Rx、Ry，從而確認(rèn)接地故障。

3.1.2 有合閘母線和控制母線

因?yàn)楹祥l母線與控制母線通過降壓硅鏈連接，絕緣檢測時合閘母線和控制母線相當(dāng)于是連通的，絕緣檢測原理和僅有控制母線的情形相同。當(dāng)發(fā)生接地故障時，合閘母線和控制母線都接地，在220 V直流系統(tǒng)上試驗(yàn)結(jié)果如下：合閘母線通過降壓硅鏈降壓35 V至控制母線。以下數(shù)據(jù)取自某變電站直流系統(tǒng)投產(chǎn)前試驗(yàn)：

1)將合閘母線正極接地5 kΩ，主監(jiān)控報：合閘母線正接地、控制母線正接地、接地電阻4.9 kΩ，檢測出合母正對地電壓41.7 V，合母負(fù)對地電壓212.1 V，控母正對地電壓7.0 V，控母負(fù)對地電壓212 V。

2)將控制母線正極接地5 kΩ，主監(jiān)控報：合閘母線正接地、控制母線正接地、接地電阻4.9 kΩ，檢測出合母正對地電壓58.1 V，合母負(fù)對地電壓194.4 V，控母正對地電壓24.5 V，控母負(fù)對地電壓194.4 V。

3)將合閘/控制母線負(fù)極接地5 kΩ，主監(jiān)控報：合閘母線負(fù)接地、控制母線負(fù)接地、接地電阻5.0 kΩ，檢測出合母正對地電壓214.6 V，合母負(fù)對地電壓26.5 V，控母正對地電壓191.5 V，控母負(fù)對地電壓26.5 V。

3.2 漏電流檢測法

漏電流檢測法通過漏電流傳感器檢測饋線支

2)再負(fù)投切：斷開S0，合上S1，測出此時正對地電壓U+，負(fù)對地電壓U

-：路的正負(fù)電纜中流過的電流差而形成的漏電流來實(shí)現(xiàn)，檢測裝置通過霍爾原理檢測漏電流的大小，并將信號上送用于計算對應(yīng)的接地電阻。漏電流傳感器的安裝須盡可能靠近母線，每一支路的正、負(fù)兩根電纜均需穿過傳感器的檢測孔。根據(jù)電磁平衡原理，當(dāng)饋線支路絕緣正常時，流過傳感器的正、負(fù)極電流大小相等、方向相反，I1++I1-= 0，故合成磁場為0，傳感器輸出0；當(dāng)饋線支路存在接地故障時，I1++I1-≠0，傳感器檢測有差流，則合成磁場不為0，傳感器輸出不為0；這樣就可以通過檢測漏電流傳感器的輸出信號來判斷支路是否有接地故障，確定故障支路。再通過投入投切電阻，檢測對應(yīng)漏電流值，計算接地電阻。

1)假設(shè)某支路正接地，如圖4負(fù)載1支路，當(dāng)S1閉合，測出此時正對地電壓U1+，負(fù)對地電壓為U1-及漏電流I1，得出：

由此可求出負(fù)接地電阻R5大小。

3)當(dāng)出現(xiàn)多支路接地、正負(fù)極均接地時，同樣可以通過S0、S1的分合，分別測出電壓及漏電流，通過歐姆定律及并聯(lián)分流的關(guān)系列出的方程計算接地電阻值。

3.3 直流系統(tǒng)接地故障排查

當(dāng)出現(xiàn)直流系統(tǒng)接地故障時，通常會在變電站監(jiān)控系統(tǒng)、直流系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)上發(fā)出報警，此時切忌盲目的拉開饋線支路隨意查找故障點(diǎn)。為了人身安全，直流系統(tǒng)接地故障的查找處理過程中必須兩人進(jìn)行，戴絕緣手套，穿絕緣靴。建議按以下方法進(jìn)行故障排查：

1)查看直流系統(tǒng)主監(jiān)控屏幕上在線絕緣檢測裝置接地信息，包括母線正對地電壓U+、負(fù)對地電壓U-、接地支路、接地電阻，確認(rèn)接地回路。同時結(jié)合變電站監(jiān)控系統(tǒng)、故障錄波器等信息輔助確認(rèn)接地點(diǎn)。

2)根據(jù)直流母線正、負(fù)對地電壓，判斷接地

由此可求出正接地電阻R4大小。

2)假設(shè)某支路負(fù)接地，如圖四負(fù)載2支路，當(dāng)S0閉合，測出此時正對地電壓U2+，負(fù)對地電壓為U2-及漏電流I2，得出：性質(zhì)：

a.對地電壓越大，絕緣電阻下降越嚴(yán)重，對地電壓為直流母線電壓值，則為金屬性接地。

b.設(shè)U+，U-分別代表正極、負(fù)極電壓，Uz為報警電壓整定值，Uz＞0。當(dāng)｜U+｜＜Uz， ｜U-｜＞Uz，正極絕緣降低；當(dāng)｜U-｜＜Uz， ｜U+｜＞Uz，負(fù)極絕緣降低；當(dāng)｜U+｜＜Uz， ｜U-｜＜Uz，正、負(fù)極絕緣都降低。

3)檢查接地支路是否有人工作或設(shè)備試驗(yàn)，若有應(yīng)立即停止，拉開該支路饋線電源開關(guān)，看信號是否消除。若消除，則可以確認(rèn)是該支路存在接地故障，再對該支路采用分段排查的方法判斷接地點(diǎn)。此時應(yīng)該停止所有在二次回路上的工作。

4)系統(tǒng)外觀檢查，排除明顯接地點(diǎn)，如母線套、饋線支路絕緣層、蓄電池組絕緣等損壞，雜物、螺栓掉落造成的接地故障。

5)檢查系統(tǒng)發(fā)生接地前是否對某饋線支路進(jìn)行過操作或試驗(yàn)，并將該饋線支路斷開，查看接地故障是否消除；通過倒閘操作來判斷與母線連接的充電機(jī)、蓄電池組是否發(fā)生接地。

6)采取拉負(fù)荷方法進(jìn)行饋線支路檢查，拉負(fù)荷遵循先次要后主要，先支路后干路的原則，一般按先信號回路，再照明回路，再操作回路，最后保護(hù)回路的順序。對于一般負(fù)荷或單電源供電的負(fù)荷，采用 “瞬間停電法”查看該支路是否有接地故障。對于重要負(fù)荷及多電源供電負(fù)荷，可采用 “負(fù)荷轉(zhuǎn)移法”進(jìn)行查找，確保負(fù)荷不掉電。

7)依次斷開所有與母線相連接的表計和元器件來排除可能的接地故障點(diǎn)。

8)檢查系統(tǒng)所處的環(huán)境，排除雨雪天氣時因空氣濕度增大、母線間絕緣薄弱等因素造成等偶然接地故障。

9)檢查更換絕緣檢測裝置和支路漏電流檢測裝置，并再次對最低絕緣報警電阻值進(jìn)行校驗(yàn)。

4 變電站建設(shè)期的故障預(yù)防

1)在設(shè)備采購時應(yīng)選用經(jīng)過實(shí)踐的技術(shù)解決方案。

2)系統(tǒng)設(shè)計方案需仔細(xì)審查，避免出現(xiàn)回路缺陷。

3)設(shè)備安裝過程中仔細(xì)檢查設(shè)備的質(zhì)量，避免使用絕緣不合格設(shè)備、老化設(shè)備；注意施工工藝，避免重物砸傷絕緣層、剝線時劃破絕緣層等，避免過多的裸露導(dǎo)體；緊固螺絲，避免震動時晃落。

4)避免人為因素造成接地故障，避免使用不合格的工器具進(jìn)行操作。

5)對設(shè)備屏柜、端子箱、電纜夾層及電纜豎井的孔洞進(jìn)行及時封堵，避免小動物進(jìn)入造成短路；做好防塵措施。

6)日常需要加強(qiáng)易受潮部位的巡視及絕緣測試工作。

5 結(jié)束語

直流系統(tǒng)接地故障嚴(yán)重威脅變電站安全運(yùn)行，要保證直流系統(tǒng)的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，首先需要認(rèn)真審查、規(guī)范施工、嚴(yán)格驗(yàn)收，防范于未然，完善預(yù)防措施，盡可能的減少隱患；其次需要了解接地故障類型和危害，明白絕緣檢測方法，遇到故障保持清醒思路，選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ皶r處理。

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羅福強(qiáng)，男，云南電網(wǎng)公司昆明供電局，從事變電運(yùn)行工作。

Diagnose Analysis and Counter Measure of DC system Grounding Fault in Substation

LIU Jindong，LUO Fuqiang
(Yunnan Kunming Power Supply Bureau，Kunming 650000)

This paper discusses the harm by grounding fault of DC system，F(xiàn)ocus on the analysis of the unbalanced bridge method and the leakage current method combination of the insulation detection method.Combined with work experience the DC system grounding fault detection method and prevention measures of substation construction period.

direct current system；ground fault；insulation detection；investigation method；preventive measure

TM63

B

1006-7345(2014)04-0075-04

2014-04-04

柳晉冬 (1986)，男，助理工程師，云南電網(wǎng)公司昆明供電局，從事變電運(yùn)行工作 (e-mail)339254081＠qq.com。