鄭宏陽 吳佩澤

摘 要：直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，極有可能造成控制回路、繼電保護裝置、安全自動裝置、勵磁調(diào)節(jié)器電源、事故照明系統(tǒng)及DCS系統(tǒng)拒動、誤動或失去保護功能等，直接威脅電力系統(tǒng)安全?，F(xiàn)針對一起FMK開關分合閘時造成直流接地故障的情況展開分析，根據(jù)故障原因，提出了有效的整改措施。

關鍵詞：直流系統(tǒng);接地;FMK開關;整改措施

1 直流系統(tǒng)的重要性

直流系統(tǒng)廣泛應用于水電站、火電廠、變電站以及其他直流用戶，具有電源比較平穩(wěn)、波形固定等特點，若運行中設備失去直流電源，則會造成保護誤動或拒動甚至全站失控，不僅擴大了事故范圍，而且會對人身、設備安全等造成重大隱患。

直流電源是自動化設備的保護和操作電源，其穩(wěn)定運行與否直接關系到整個機組的安全。直流電源最常見的故障為直流接地故障，其主要危害如下：（1）當直流系統(tǒng)一點接地時，極有可能造成裝置對地電容出現(xiàn)放電現(xiàn)象，使得繼電保護、斷路器出現(xiàn)誤動或拒動等情況。（2）當直流系統(tǒng)出現(xiàn)兩點接地時，除了會造成繼電保護等自動化設備誤動、拒動外，還可能造成直流電源跳閘，使電氣設備失去供電電源。（3）當在復雜保護回路中出現(xiàn)同極兩點接地時，會直接造成設備內(nèi)部某些繼電器出現(xiàn)短接，使得保護發(fā)出跳閘信號，或者出現(xiàn)越級跳閘等現(xiàn)象，造成事故的進一步擴大，直接危害設備及人員生命安全。

為了防止因直流正接地而造成繼電保護誤動作，一般將跳閘線圈接入負極電源，當回路出現(xiàn)接地、絕緣不良等現(xiàn)象時，可有效避免對地電容放電產(chǎn)生的瞬時高電壓引起繼電保護誤動作的情況。

2 設備概況及故障現(xiàn)象

FMK開關在發(fā)電機并網(wǎng)前轉速達到額定轉速時合閘并為發(fā)電機提供勵磁電壓，發(fā)電機電壓達到額定電壓后即可與系統(tǒng)并列。若此時發(fā)電機勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障，輕則影響發(fā)電機的并網(wǎng)時間，重則在并網(wǎng)后突然失去勵磁電壓，導致發(fā)電機失磁[1]。

由圖1可以看出，機組FMK開關的控制回路中直流電源包括直流閃光母線、直流控制Ⅱ母，圖中FK是發(fā)變阻控制盤上FMK開關分合閘把手，此操作把手共分為“預合閘”“合閘”“預合分閘”“分閘”4組位置。在發(fā)電機建壓時需要對FMK開關進行合閘操作，此時FMK開關在“分閘后”狀態(tài)，此位置即表明開關分閘狀態(tài)與操作把手位置相一致，第一步需將操作把手FK打至“預合閘”位置，此時FK把手的“9-12”接點接通，綠燈閃爍，表明操作把手位置與開關實際位置狀態(tài)不對應。當把FK打至“合閘”位置時，此時“13-16”接通，紅燈常亮，開關處于“合閘”位置，F(xiàn)MK開關合閘正常，發(fā)電機開始建壓。

機組勵磁系統(tǒng)滅磁開關（FMK開關）在“預分合閘”位置時，機組直流系統(tǒng)報接地故障，開關合閘后直流接地現(xiàn)象即可自行消失。

3 故障原因分析

根據(jù)開關合閘、分閘前的現(xiàn)象以及圖1所示FMK開關控制回路圖的分析，直流接地是在對FMK開關進行分合閘操作過程中出現(xiàn)的，正常運行和停運后直流系統(tǒng)運行正常，無報警，并且FMK開關的操作到開關本體之間為長距離電纜。綜上，對開關的控制回路接線進行絕緣檢查，查找控制回路接線中的分合閘回路、閃光報警回路、分合閘線圈等接線或設備有無接地、絕緣損壞或絕緣下降的現(xiàn)象。對FMK開關二次回路及分合閘控制開關進行檢查，回路絕緣良好，控制開關接點可靠，故直流接地現(xiàn)象與回路絕緣無關。經(jīng)檢查，該電廠#1機發(fā)變組保護控制屏柜內(nèi)的開關控制回路和閃光報警回路所用直流電源分別來自#1機控制直流Ⅱ母和#1機控制直流Ⅰ母，兩段直流正常時分別獨立運行。根據(jù)開關操作的順序，以及對開關操作過程中直流接地現(xiàn)象的研究，結合#1機發(fā)變組保護控制屏柜內(nèi)的直流電源的接入特點分析，開關在分合閘操作過程中應該是使兩段母線合環(huán)運行才導致了兩段母線同時報直流接地故障[2]。該廠使用的直流系統(tǒng)為深圳奧特迅公司產(chǎn)品，主機型號為WJY3000AF，配置CT采集模塊以及絕緣監(jiān)測電流變送器。該主機采用電橋原理，可實時對正負直流母線的對地電壓及絕緣電阻進行監(jiān)測，當實際運行參數(shù)低于設定的報警值時，支路巡檢功能會自動啟動。實時絕緣監(jiān)測可分為母線監(jiān)測和支路巡檢兩部分。母線絕緣監(jiān)測的原理是測量母線正負極對地的絕緣電阻。由于帶電體電阻不能直接進行測量，因此母線對地絕緣電阻通常采取正負母線之間投切采樣電阻，采樣不同投切電阻和絕緣電阻形成不同的對地直流電壓，通過對不同情況下的正負母線對地電壓進行測量，進而通過計算得出絕緣電阻。FMK開關的控制原理圖如圖2所示，R+和R-分別是正負母線對地的等效絕緣電阻，224 kΩ與226 kΩ電阻分別為正負母線對地的平衡電阻，這兩個電阻在正常情況下起到平衡母線對地電壓的作用，不至于使得母線因對地絕緣電阻過大而導致對地電壓不穩(wěn)定。K1～K4投切的幾組電阻分別在不同情況下使得測量正負母線電壓不同，以便計算出對地的絕緣電阻。

所有開關斷開時，分別測量正負母線的對地電壓U1、U2，得到以下關于R+、R-的方程：

將K1開關閉合，分別測量正負母線的對地電壓U1′和U2′，得到以下關于R+、R-的方程：

式（1）和式（2）為一個關于R+和R-的二元方程組，通過求解即可算出R+和R-的值。

在實際應用中，考慮到正負母線絕緣電阻等值下降等因素，需設置多個投切開關K2、K3、K4等，以便計算不同工況下的母線對地絕緣電阻。

當正負母線的對地絕緣電阻值低于設定的告警閾值時，絕緣監(jiān)測裝置給出絕緣下降的告警。一般情況下，告警閾值和母線電壓相關，比如常見的220 V直流電源系統(tǒng)，其告警值一般設置在25 kΩ左右。

K1、K2、K3、K4相當于電子開關，開關的閉合和打開由電子脈沖控制，可以測量正常情況下直流母線的對地電阻并和參考值進行比較，開關的閉合、打開順序是可控的。

如果兩段母線合環(huán)運行，此時就有兩套微機絕緣監(jiān)測裝置在同時運行，如圖2所示，兩段母線的絕緣監(jiān)測裝置的K1、K2、K3、K4電子開關的閉合順序就成為不可控的，此時計算出的對地電阻值與程序中設定的比較值誤差比較大，甚至計算值會降低到告警值以下，則兩段母線絕緣監(jiān)測裝置同時報警。

根據(jù)FMK開關控制原理圖可以看出，正常運行或開關停運后，回路中都只有直流Ⅱ母的電源，當開關在“預分合”位置時，閃光母線接通，閃光母線使用的是直流Ⅰ母電源，導致兩條直流母線在負荷側合環(huán)運行[3]。

4 整改措施

（1）利用#1機組直流系統(tǒng)輻射狀網(wǎng)絡改造工作，對#1發(fā)變組保護控制屏內(nèi)的控制直流和閃光報警回路直流進行整改，將FMK開關控制電源由原來的直流Ⅱ母改接至直流Ⅰ母，使控制與閃光回路使用同一組電源。（2）熟練掌握發(fā)變組控制屏內(nèi)所有開關的控制回路圖，認真分析回路中可能存在的設計缺陷或施工過程中容易造成寄生回路的部分，利用檢修或開關撤運的機會制訂方案進行驗證。（3）在日常直流系統(tǒng)運行過程中，嚴禁兩條直流母線合環(huán)運行，在單條母線充電裝置退出，需要母聯(lián)開關投運時，必須提前退出一套直流絕緣監(jiān)測裝置，否則會引起直流系統(tǒng)接地告警。

5 結語

直流系統(tǒng)接地故障對發(fā)電廠的安全運行危害極大，F(xiàn)MK開關等主設備開關在機組運行中占據(jù)著非常重要的地位，決定著發(fā)電機能否順利并網(wǎng)。健康穩(wěn)定的直流操作回路是開關、機組穩(wěn)定運行的重要保障，本次直流接地故障的處理解決了機組長期以來存在的并網(wǎng)前的安全隱患，并為今后直流接地故障的查找提供了新的思路和方向。

[參考文獻]

[1] 李天波.一例直流系統(tǒng)接地故障的查找和分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（32）：128-129.

[2] 劉友強，游德華.變電站直流系統(tǒng)接地原因分析及故障查找[J].大眾用電，2019，34（8）：30-31.

[3] 曾書君.直流系統(tǒng)接地危害分析與接地點查找方法探討[J].電力安全技術，2019，21（2）：21-24.

收稿日期：2021-01-29

作者簡介：鄭宏陽（1987—），男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，研究方向：發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。