董 德 魏林邦 江 雨 劉勝利 曹鐵山

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水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障分析與處理

董 德 魏林邦 江 雨 劉勝利 曹鐵山

（中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌 443133）

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)是控制系統(tǒng)、繼電保護及自動裝置的工作電源，是機組安全穩(wěn)定運行的重要保證。通過對直流系統(tǒng)接地檢測原理的比較，探索直流系統(tǒng)接地故障的查找分析方法，以及如何處理發(fā)電廠直流系統(tǒng)的接地故障等問題。本文從直流系統(tǒng)接地檢測原理出發(fā)，結(jié)合具體案例探討了運用現(xiàn)有檢測手段對直流系統(tǒng)接地故障查找的可行性，對直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

水力發(fā)電廠；直流系統(tǒng)；檢測原理；接地故障

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)主要為保護、控制、調(diào)速器、測量、勵磁、事故照明等提供操作電源。直流系統(tǒng)的可靠與否，對發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，是發(fā)電廠正常運行的重要保證。當(dāng)發(fā)生直流一點接地時，并不會對直流系統(tǒng)帶來重要影響，其危害主要在于此時再有一點接地，除會造成保護裝置、安穩(wěn)裝置、控制系統(tǒng)、操作機構(gòu)等誤動、拒動外，還可能造成直流回路保險的熔斷，使保護及自動裝置等的控制回路失去電源，在復(fù)雜保護回路中同極兩點接地，還可能將某些電器設(shè)備短接，不能動作跳閘，致使越級跳閘，造成事故擴大，所以直流系統(tǒng)接地故障檢測作為系統(tǒng)正常運行的保證正在日益受到關(guān)注[1-2]。

1 直流系統(tǒng)接地檢測原理

1.1 母線檢測原理

1）平衡電橋檢測法

平衡電橋法在絕緣監(jiān)測儀主機內(nèi)部設(shè)置兩個阻值相同的對地分壓電阻1、2，通過它們測得母線對地電壓1、2。平衡電橋檢測原理框圖如圖1 所示。

圖1 平衡電橋檢測原理圖

當(dāng)R=R=∞時，系統(tǒng)無接地。此時，1=2＝110V。

當(dāng)系統(tǒng)單端接地時，得以下方程：

通過此方程式可求得單端接地電阻R或R。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雙端接地時，得以下方程：

此時，不能直接求解，處理方法是將R、R中較大的一個視為無窮大，按單端接地的情況求解，所求得的接地電阻值大于實際值。R、R的實際值越接近，則測量誤差越大，達到R=R時，測量誤差∞。

2）不平衡電橋檢測法

不平衡電橋檢測是由主機內(nèi)部兩個阻值相等的對地電阻通過電子開關(guān)K1、K2按照一定的開合順序接地。不平衡電橋檢測原理如圖2所示。

在一個檢測周期內(nèi)，K1閉合K2斷開，測得1、2，得方程

然后K1斷開K2閉合，經(jīng)一定延時后再次測量1、2，得方程

（4）

解聯(lián)立式（3）和式（4），就可直接求得正負母線接地電阻R、R。

1.2 支路檢測原理

1）交流法

較早的絕緣監(jiān)測儀對支路電阻檢測基本上都采用了小信號注入法，即當(dāng)母線檢測接地異常時，將一個約5～10V，10～20Hz的低頻信號注入母線，交流CT通過鎖相技術(shù)等方式便可檢測到不平衡電流即漏電流，然后再通過數(shù)據(jù)線將檢測信號送至主機做響應(yīng)處理。圖3為交流法支路檢測原理圖。

圖3 交流法支路檢測原理圖

若向直流母線注入交流信號，則容易引起設(shè)備誤動或干擾設(shè)備，檢測精度受接地電容影響，不能識別母線接地極性，這種方法已經(jīng)逐漸被淘汰。

2）直流法

采用直流有源CT，不需注入交流信號。當(dāng)出現(xiàn)接地時，直流CT將直流漏電流變換為0～5V或4～20mA的電信號上傳接地監(jiān)測儀。缺點是成本高于交流CT，環(huán)境溫度和工作電壓的波動影響測量精 度[3]。

2 直流系統(tǒng)接地故障處理原則

目前水電廠檢測判斷直流接地的方法及處理原則一般是：①首先分析直流回路上是否有工作或因漏水等原因造成接地故障；②檢查絕緣監(jiān)測儀是否正常，運行中對絕緣監(jiān)測儀進行復(fù)位重啟，對比復(fù)位前后的報警信號；③在檢測過程中，先檢測直流母線電壓，確認是否系統(tǒng)接地?？偟膩碚f，應(yīng)遵循先室外后室內(nèi)、先備用機組后運行機組、先次要負荷后重要負荷、先雙路負荷再單路負荷最后環(huán)路負荷的原則，用監(jiān)控器或絕緣監(jiān)測儀檢查是否存在支路接地及接地支路號。在需分/合負荷開關(guān)選擇直流接地時，做好防止相關(guān)裝置誤動的安全措施：①若支路無接地，則可判斷接地點在母線側(cè)，直流母線元件作重點檢查；②若支路有接地，則應(yīng)對接地支路作重點檢查，找出接地點（注意防止在查找接地點過程中發(fā)生第二點直流接地）；③并應(yīng)在找出接地點后，做好隔離措施，及時消除接地點。

直流系統(tǒng)接地，首先運用固定式絕緣監(jiān)測儀（直流CT測漏電流，如原理1.2 2中所提到的）巡檢接地支路。其優(yōu)點是不用在直流系統(tǒng)中添加其他設(shè)備，不會對直流系統(tǒng)本身帶來干擾。缺點是檢測精度受環(huán)境和系統(tǒng)電壓波動的影響，對于存在環(huán)路（電廠機組直流多條負荷支路存在二極管環(huán)路；某些機組勵磁調(diào)節(jié)器存在二極管環(huán)路）負荷的直流系統(tǒng)，固定式絕緣監(jiān)測儀無法準確測量出接地支路，常常會誤報出多條支路接地的現(xiàn)象。目前廠內(nèi)普遍采用的WJY3000A型微機絕緣監(jiān)測儀基本原理如圖4所示。

圖4 WJY3000A原理框圖

母線電壓檢測電橋可在平衡電橋和非平衡電橋之間人工選擇，母線電壓檢測采用獨立的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，檢測速度快。WJY3000A型絕緣監(jiān)測儀所配CT與上述（1.2節(jié)中提到的支路檢測原理）的交流CT和普通的直流有源CT兩種方式已有了較明顯的變化，每個CT內(nèi)含CPU，漏電流在CT內(nèi)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由CPU通過串行口上傳至絕緣監(jiān)測儀主機。數(shù)字濾波采用256次的平均值，測量精度高，抗干擾能力強。CT自身保存校準值，CT測量精度與主機性能無關(guān)。由于檢測的是波形相對變化量，所以電源的波動不影響檢測精度。

當(dāng)該絕緣檢測儀在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)問題時，可采用逐個斷開負荷開關(guān)，觀察正負母線對地電壓是否恢復(fù)正常來確定接地支路。其優(yōu)點是簡單、明確，缺點是針對負荷比較重要不能停電或者停電措施很復(fù)雜的系統(tǒng)而言就不適用了，且不能確定接地點的具體位置。

另外，還可以采用便攜式接地儀來檢測接地支路。其優(yōu)點是能夠比較準確地查找出接地支路甚至接地點的位置，缺點是采用注入一低頻交流電源的方式進行檢測可能干擾設(shè)備的正常運行，導(dǎo)致設(shè)備誤動作。考慮到電廠安全可靠運行的重要性，建議謹慎使用便攜式接地儀進行接地支路檢測，防止發(fā)生誤跳閘[4]。

3 直流系統(tǒng)斷電危險源分析與統(tǒng)計

當(dāng)前我廠每套直流系統(tǒng)均采用兩組充電機兩組蓄電池雙母線無降壓裝置結(jié)構(gòu)，兩組充電機兩組蓄電池雙母線接線。正常操作時需要注意如下事項： ①充電機不能單獨帶母線運行；②兩組蓄電池不能并聯(lián)運行。每段直流負荷有：機組保護電源、勵磁操作電源、調(diào)速器PG1柜電源、主變控制電源、純水控制電源、電氣制動、快速門、水機后備（Ⅱ段上）、調(diào)速器PG2柜（Ⅱ段上）。電廠直流系統(tǒng)典型接線方式如圖5所示。

圖5 直流系統(tǒng)配置圖

在采用斷開負荷開關(guān)查找接地點過程中，應(yīng)始終注意相應(yīng)機組危險源的分析。尤其不能造成運行過程中的機組保護及控制直流失電?，F(xiàn)將直流母線短時失電危險源分析如下。

1）機組保護誤動危險源分析

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》要求，機組保護均為兩套保護獨立一路電源[5]。以X#機組為例：X#機組檢修期間對發(fā)變組保護盤的電源回路進行了技改，改造后PR1盤的985GW發(fā)電機保護、985TW變壓器保護均由直流盤Q101供電。但PR1盤上20Hz定子接地信號發(fā)生器電源由直流盤上Q101、Q201兩路經(jīng)9665直流切換裝置供電，PR2盤僅由直流盤Q202供電，PR3盤由Q102、Q202經(jīng)9665供電，如圖6所示。

如果一段直流消失，就相當(dāng)于一套主保護退出，此時在進行直流母線聯(lián)絡(luò)運行操作前，應(yīng)先申請調(diào)度退出失電保護裝置的保護連片，待聯(lián)絡(luò)正常、觀察保護裝置無異常后，申請調(diào)度加用保護連片。否則，相當(dāng)于保護裝置掉電重啟，保護存在誤動作的風(fēng)險。

2）水機后備保護誤動作風(fēng)險分析

雖然水機后備保護失電后誤動作風(fēng)險很小，但是為了防止二次回路上電回路紊亂，應(yīng)退出水機后備保護連片。

圖6 保護系統(tǒng)電源配置圖

3）調(diào)速器危險源分析

調(diào)速器直流有三路，兩路到調(diào)速器電氣柜，一路到液壓系統(tǒng)控制柜。調(diào)速器電氣柜一路交流輸入為主用，兩路直流輸入為備用；液壓系統(tǒng)控制柜一路交流輸入為主用，一路直流輸入為備用，故調(diào)速器部分風(fēng)險較小。

4 故障案例分析

值班期間監(jiān)控系統(tǒng)報警：直流系統(tǒng)故障、X#機組直流系統(tǒng)Ⅰ段直流系統(tǒng)接地、X#機組直流系統(tǒng)Ⅱ段直流系統(tǒng)接地，隨即復(fù)歸。現(xiàn)場檢查X#機組直流絕緣監(jiān)測儀顯示：Ⅰ段正母線對地電壓40V，負母線對地電壓-190V，正母線對地絕緣17kW，負母線對地絕緣999kW；Ⅱ段正母線對地電壓180V，負母線對地電壓-50V，正母線對地絕緣999kW，負母線對地絕緣18kW，且上述示值均呈不規(guī)律變化。Ⅰ、Ⅱ段正負母線對地絕緣值交替顯示絕緣有降低，但所有支路絕緣均未報警（初步判讀為非金屬性接地，故監(jiān)測儀未判斷到具體接地支路）。檢查該直流系統(tǒng)所帶相關(guān)機組單控室絕緣監(jiān)測儀情況與上述一致（正常時絕緣監(jiān)測儀狀態(tài)：正負控母線絕緣999K，正、負母線電壓110V。母線有接地時，絕緣及電壓數(shù)值均降低）。

現(xiàn)場處理故障，遵照處理原則選擇接地線時有個反復(fù)驗證的過程，比如斷開某開關(guān)后，接地消失了，再合上、斷開該開關(guān)一次后，仍會顯示接地存在，這很可能是監(jiān)測儀自身的缺陷導(dǎo)致的，此時將絕緣監(jiān)測儀重啟，接地就會消失。發(fā)生直流系統(tǒng)接地后，出現(xiàn)接地信號在接地點斷開后還不能復(fù)歸的現(xiàn)象，系因直流系統(tǒng)盤柜上的絕緣監(jiān)測裝置自身缺陷導(dǎo)致進入報警死循環(huán)，可將絕緣監(jiān)測儀斷電重啟，即可恢復(fù)正常。因此，要通過絕緣監(jiān)測儀判斷是否有接地，要及時進行重啟，以免造成誤判斷。

檢查接地故障時所做的安全措施：①監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)機組保護畫面機械事故及電氣事故軟連片退出；②發(fā)電機出口開關(guān)失靈保護退出；③兩路總直流開關(guān)可以同時斷開。運行中的機組，斷開關(guān)時必須要保證有一路變壓器保護和冷卻器直流電源合閘，同時要考慮機組中其他重點供電負荷是否存在失電風(fēng)險（如以上3直流系統(tǒng)斷電危險源分析所述）。具體處理流程如圖7所示。

綜合考慮上述因素，現(xiàn)場最先檢查出X#機組單控室直流母線絕緣較低，其他相關(guān)機組正常，由于絕緣降低需要個過程，故初步判斷故障點很可能就在最開始機組直流絕緣有降低的那臺機組，即X#機組。當(dāng)時因為兩段直流母線的正負母線交替且不規(guī)則的均報接地，給判斷造成了一定干擾，懷疑是絕緣監(jiān)測儀本身的問題。后來經(jīng)過重啟觀察，大部分時間是X#機組Ⅱ段負控母線絕緣降低。將絕緣監(jiān)測儀接線甩開后單獨測量母線電壓，負控母線的電壓確有降低，約為-48V左右（正常的母線電壓應(yīng)是正、負110V）。通過單獨測量母線電壓的方法更準確地驗證接地點。

檢查出故障后恢復(fù)時應(yīng)注意：①轉(zhuǎn)子接地保護裝置上電需先交流后直流，勵磁盤柜有信號需要復(fù)歸，400V BZT因直流消失會退出，應(yīng)及時恢復(fù)； ②查找接地過程中，防止保護設(shè)備誤動；③同時注意防止在查找接地點過程中發(fā)生第二點直流接地；④利用便攜式接地儀來檢測接地支路時，需防止注入的低頻交流電源干擾設(shè)備的正常運行，導(dǎo)致設(shè)備誤動作。

5 結(jié)論

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)運行正常對機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，發(fā)生直流接地不僅會造成保護裝置誤動、拒動，甚至還會擴大相關(guān)事故。本文結(jié)合直流系統(tǒng)接地檢測原理提出直流系統(tǒng)接地檢測的相關(guān)方法，并根據(jù)此原則及處理方法考慮在執(zhí)行過程中涉及的相關(guān)問題，結(jié)合實際工作中的直流系統(tǒng)故障的案例，論證了該原則方案的可行性。實踐證明，運行效果良好，具備較好的工程實用價值。

[1] 張信, 盧燦燏. 直流系統(tǒng)接地的危害分析與處理[J]. 中州煤炭, 2007(1): 58-59.

[2] 趙建新. 淺析發(fā)電廠直流系統(tǒng)接地故障分析與處理[J]. 科技信息, 2008(24): 304, 316.

[3] 孫愛群, 張文勝. 直流系統(tǒng)接地故障與檢測方法[J]. 河北煤炭, 2007(2): 48-49.

[4] 王素華, 彭向陽, 韓瀟, 等. 變電站直流電源系統(tǒng)改造問題分析[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(17): 179-182.

[5] 能源行業(yè)發(fā)電設(shè)計標準化技術(shù)委員會. DL/T 5044—2014. 電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

Direct Current System of Hydropower Plant Malfunction Analysis and Treatment

Dong De Wei Linbang Jiang Yu Liu Shengli Cao Tieshan

(China Yangtze Power Co., Ltd, Yichang, Hubei 443133)

The direct current system is a key equipment for control system，relay protection device and automatics in the power plant system, and also keep the units running safety and stable. By comparing the testing principle of the direct current system, we find the method about the earth fault, and how to handle the earth fault problem. In this thesis, the concrete analysis and particular case is used to optimization measure analysis. The results showed that, by this method the earth fault can be found quickly. There are important significance in the hydropower plant.

hydropower plant; direct current system; test principle; earth fault

董 德（1986-），男，畢業(yè)于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，工學(xué)碩士，工程師，研究方向為水電站安全運行與控制。