控制系统直流电源接地故障分析与预防措施探讨

赵琦玮

（浙江天音管理咨询有限公司，杭州310005）

控制系统直流电源接地故障分析与预防措施探讨

赵琦玮

（浙江天音管理咨询有限公司，杭州310005）

通过直流电源接地引起机组跳闸的案例分析，讨论了直流电源一点接地后，绝缘监测装置继电器的误动原理，以及热工和电气方面引起直流系统一点接地的可能原因，提出了直流系统一点接地故障时减少其危害的措施。

直流系统；继电器；一点接地；故障分析；预防措施

直流电源是发电厂厂用电系统中的重要环节，涉及继电保护、控制、信号、事故照明、交流不间断电源（UPS）、计算机监控等，用电负荷重要性高、设备系统复杂、分支众多，故障发生时不易查找。本文通过2例故障案例的分析，讨论了直流电源一点接地的危害、因其造成继电器误动作的原因以及应对措施，供同行在机组检修维护中参考。

1 直流接地造成机组跳闸案例分析

1.1 直流接地造成2台机组同时跳闸

某发电厂7号机组于某日18∶56∶14发生1台主变压器220 kV开关跳闸、7D磨煤机跳闸，7号发电机调频调压带厂用电运行事件。19∶12∶04，7号机组因汽包水位低低而MFT；19∶23∶10，8号机组因低真空保护动作而跳闸。

专业人员检查发现：7号机组直流7A段绝缘监测装置发生接地故障（该设备已坏），正极对地绝缘为零，集控室光字牌亮。而直流系统接地的原因是7号机组调节器柜内测量励磁电流谐波分量的变送器电源回路异常，断开该变送器电源后直流系统接地现象即消失。7号机组主变压器220 kV开关跳闸以及引起7号、8号机组同时跳闸的原因分析如下：

（1）7号主变压器220 kV开关跳闸原因是直流接地。

查阅故障统计台帐，机组曾经因直流系统一点接地造成开关误跳事件，其主要原因是跳闸回路中保护柜至开关端子箱的电缆过长，对地分布电容偏大，正极金属性接地瞬间电容流过的电流过大，使得开关跳闸线圈上的电压达到动作值。根据预试报告，7号主变压器220 kV开关跳闸线圈的最低动作电压为90 V，符合预试规程中的规定。但7号机组继电器室保护柜至7号主变压器220 kV开关端子箱的距离较远，电缆长约354 m。在直流系统正极金属性接地情况下，造成220 kV开关跳闸线圈动作，磨煤机随后失电跳闸，炉内热量大幅度下降，导致了7号机组因汽包水位低低而MFT。

（2）8号机跳闸原因是循环水中断导致低真空保护动作。

7号机组MFT后，19∶12∶17，6 kV 7A和7B段及6 kV公用07A段母线，因低电压启动切换至备用电源；19∶12∶18，7A循环水处理变压器开关因母线电压低至60 V，延时3 s后动作跳闸，但高/低压侧联锁跳闸不成功（主变压器开关辅助接点接触不良），使得380 V循环水处理7A段工作电源开关未跳闸，7B段联络开关不能自投。380 V循环水处理7A段母线失电后，其下接的四期循泵房1号动力盘、1号MCC柜和热工电源柜失电。后果是循环冷却水压力变送器失电，延时10 min后循泵冷却水压力低保护动作，导致7A和8B循泵于19∶22∶05跳闸，8号机组因循环水进水压力至零，低真空保护动作，机组跳闸。

1.2 ETS直流电源接地故障引起发电机保护动作

某发电厂3号机组于某日23∶32因“主变快速压力释放”保护动作，机组跳闸。检修人员检查发现直流110 V A段、B段母线都存在接地现象。该电源除供给汽机热控直流电源配电柜外，还作为电气保护装置电源，此外直流母线上还配备了直流系统绝缘监测仪。

经进一步仔细检查发现，直流110 V A段和B段母线供电负荷中的汽机热控直流电源配电柜，即ETS的2路直流电源存在接地且有合环现象。由于二期采用直流系统绝缘监测仪，而继电保护装置均采用微机型（其外部跳闸信号与保护装置之间均采用动作功率很小的光电隔离），直流系统绝缘监测仪发出的超低频干扰信号通过电缆对地耦合电容传送到微机保护的光电隔离上，有可能造成保护装置误动。分析认为此次发电机保护误动就是由于ETS直流电源接地合环造成干扰而引起的。

为验证上述分析，专业人员查看ETS柜电源设计图（见图1），从图中可见，ETS系统设计有2路直流电源，而这2路电源分别从直流配电屏A和B引出。分析图1，ETS电源设计不存在问题，即使现场侧存在接地现象，也不会造成两段直流合环，何况直流电源系统也允许一点接地临时运行。为排除ETS柜内切换继电器触点故障造成合环的可能性，电气人员拆除切换继电器后，直接测量FU3N和FU3P母线，发现母线上有直流电压，从而判断是就地直流电压倒送至ETS柜造成合环。经进一步检查，发现就地主遮断电磁阀5YV和6YV的线圈电源电缆及其行程开关以及其它送至ETS的反馈信号使用的是同一根电缆，而该电缆因高温而绝缘受损，导致了两段直流电源合环。更换电缆后系统恢复正常。

图1 ETS电源回路

以上2例都是因直流系统接地引起的保护系统误动作案例。因此，分析直流系统接地引起故障的机理，采取相应的预控措施，是提高控制系统运行可靠性的重要环节。

2 直流系统接地故障的危害及预控措施

直流系统故障中危害最大的并不是一点接地，而是当一点接地后又发生另外一点接地，导致直流系统两点接地，这时将会大大增加继电器误动或拒动的可能，甚至由于直流回路短路而导致熔断器、熔丝熔断，使得保护装置失电，当再有其它事故发生时，保护装置将无法判断或及时动作，从而扩大事故范围。

2.1 直流系统接地对保护装置的影响

图2为某保护装置的跳闸回路和信号回路的示意图。

当直流系统发生正极接地时，保护装置误动作的可能性增大。图2中，开关的跳闸线圈接在直流系统的负极，直流系统的正极经过保护装置F32继电器的动作节点及压板（X11）和跳闸线圈相连。运行中，A点发生一点接地时，若再发生另一点接地于B点，则保护装置F32的保护动作节点将被短路，跳闸继电器Y1将动作，引起保护误动作。

图2 直流系统保护装置回路

当图2中负极C点发生一点接地时，若再发生另一点接地于B点，此时相当于跳闸线圈Y1被短路，那么在保护装置F32动作时，除跳闸线圈不会被励磁而拒动外，还将引起直流回路短路，Q2开关跳开，其下挂的负载全部失电，其后果是不但事故范围扩大，还有可能烧毁连接X11的继电器F32接点。

2.2 直流系统一点接地造成继电器动作情况分析

2.2.1 继电器线圈正极侧一点接地

运行中有可能出现继电器线圈的正极侧发生一点接地，而直流系统仍表现出直流回路负极一点接地的情况。图2中若接地点发生于D点，即位于双位置信号继电器K21线圈正电源侧，正常情况下，保护装置F31常开接点断开，保护装置判断直流系统一点接地点位于直流回路的负极。按上述分析，一般情况下直流系统负极一点接地时，只有直流系统正极再次发生一点接地才会造成保护误动，即如果在电源正侧A点发生一点接地时，F31被短路才会引起继电器K21动作，绝缘监测装置将会判断为直流系统正极接地。但继电器K21动作后常闭接点断开，隔离了接地点D，如果图2中C点再次发生一点接地，继电器K21将被短路，此时，即使保护装置动作也不会发出信号，给其保护范围内的电气设备安全运行埋下隐患，而且此时绝缘监测装置判断为负极一点接地（而不是D点），显然没有反映实际情况。

以上是建立在直流系统一点接地后对系统不构成危害的基础上进行的分析。但实际运行中会发现，有时当继电器线圈正极侧发生一点接地时（如图2中接地点D），继电器会动作，从而使接地点D被切除，绝缘监测装置无法测得接地位置。虽然此时继电器K21发出保护动作信号，但是故障类型会改变，增加了快速查明故障点的难度。

2.2.2 一点接地后的继电器误动原因

供电线路除了本身的阻抗外，还有对地容抗，虽然在正常运行时可以不予考虑，但在某些特殊情况下，如直流系统一点接地的瞬间，此容抗会成为继电器误动的主要原因。

一方面，在发电厂或变电站中，直流系统的线路往往较长，线路对地分布电容不容忽视。另一方面，继电保护装置回路的工作电源均采用直流电源，各继电保护设备在其输入回路都接入了EMI回路（即对地吸收电容回路）。其工作原理是通过EMI中的对地电容将干扰信号旁路接地，以使各设备之间能够保持兼容和正常运行。各设备对地之间的电容越大效果越好，因此直流回路的各负载设备从提高自身的EMI效果考虑，往往加大电容并联到直流回路中，其结果是进一步加大了直流系统对地的总电容。图3中C表示直流系统对地的总电容。以110 V直流系统为例，在正常运行时，直流母线负极对地电压为-55 V，此电压为电容C两端的电压。当图2中D点接地时，电容C会通过继电器线圈放电，此时继电器将有可能动作。

图3 考虑对地电容的直流系统

一般规定保护出口继电器的动作电压大于额定工作电压的50%视为正常。如果正、负极对地电阻对称，则电容C上的电压不会使继电器动作。但是，当直流系统正极对地绝缘降低时，将有可能出现负极对地电压升高至大于50%额定电压，引起继电器误动作事件。此外，如果继电器动作电压低于50%额定工作电压，当继电器线圈正极侧发生一点接地瞬间，由于直流系统负极对地电容放电（电流方向如图3所示），也会导致继电器的误动作。

3 直流系统防接地预控措施

为提高控制系统的运行可靠性，电力系统电气和热工专业人员应在日常工作中重点做好直流系统一点接地的预控措施。根据工作经验，总结以下建议供检修维护人员参考：

（1）吸取本文中7号机直流7A段绝缘监测装置故障后，因无备品无法处理且未及时与运行沟通，导致直流接地时未能及时发现而引起机组跳闸的教训，在机组运行中碰到类似问题时，应及时落实防范措施，避免出现监视漏洞。

（2）综合分析金属性接地对各设备控制回路的影响，进一步开展预防直流系统一点接地的措施研究。如选用动作电压较低的继电器时，应考虑到直流系统对地电容放电所产生的影响。发生接地引起的类似事件时，应组织技术力量深入分析和检查事件的原因，并充分利用停机机会，对与直流系统有关的设备进行检修。

（3）对与直流系统有关的热控保护信号进行全面梳理。机组检修时，应认真检查电缆走向，确保符合电缆的运行环境要求。因检修需要拆除电缆接头时要做好记录和标记，防止拆错端子线头、恢复时错接或遗留隐患。

（4）ETS的输入信号大部分都是3路，可以将3路信号分别接到不同的端子板，这样即使隔离1个端子板也不会造成保护失去。另外，在ETS的设计逻辑中将任一端子板电源失去就跳机的逻辑改为相同信号的3路端子板三取二判断逻辑，可同时提高保护系统防误动和拒动的能力。与此同时，在DCS大屏增加“ETS任一端子板失电”报警，以便及时发现和检查，防止由于端子板失电造成保护拒动。

（5）热工主遮断电磁阀以及汽机前轴承箱旁的行程开关处，环境温度较高，除应采用耐高温电缆外，就地电磁阀控制电缆和行程开关反馈电缆均应分电缆敷设。

（6）现场设备接地时不能确保信号的正常检测，有些PLC直流电源采用负电源直接接地的设计，电源分路上没有装隔离熔丝，一旦外回路发生一点接地故障，整个控制系统会受影响甚至烧损模件。所以在防范一点接地的同时，对重要保护回路应做好隔离熔丝的合理配备与完善，重要信号应分卡处理。

（7）直流系统接线复杂，发生一点接地故障的概率较大，查找时要熟悉供电环路和相应的二次回路，遵守查找原则和顺序，采取相应的安全防范措施（如短时退出相关保护的出口压板等），特别要重视连接在直流母线上的各类控制设备、监控装置和信号回路接地带来的特殊问题，减少遗漏和排查的盲目性，防止故障点的误判断、联锁保护回路的误动或拒动。

（8）机组检修时，利用高精度查找装置检测各直流回路绝缘并建立记录台帐，对绝缘变差的直流回路，在气候湿度增加时要重点监测。同时进行溯源对比，及时更换绝缘下降的电缆。

4 结语

直流系统一点接地的危害，不仅表现在发展为两点接地后导致保护装置误动或拒动，还有可能因直流系统对地电容较大、继电器动作电压过低和直流系统正/负极对地电阻不平衡等因素，通过对地电容放电造成继电器动作而导致保护误动作。因此，除了发生一点接地故障时要尽快找出故障点外，还要在平时工作中注意检查容易造成直流系统一点接地的隐患点，并及时采取相应措施。此外，对控制回路中的电缆对地电容容量应进行测量，对各保护设备连接对地电容进行管理和量化，尽量控制在满足电磁兼容的条件下，减少接入直流系统EMI回路的电容，以确认控制系统对地电容在安全范围运行，减少事故的发生。

[1]王维俭.电气设备继电保护原理及应用[M].北京：中国电力出版社，1998.

[2]张信，卢灿，直流系统接地的危害分析与处理[J].中州煤炭，2007，145（1）∶58－59.

（本文编辑：徐晗）

Analysis on Grounding Fault in DC Power of Control System and the Precautionary Measures

ZHAO Qi-wei
（Zhejiang Tianyin Business Consulting CO.，Ltd.，Hangzhou 310005，China）

Through case study on units trip-out caused by DC power grounding,the paper discusses the maloperation principle of relay of insulation monitor after the one point earth of DC power and possible reasons of one point earth in terms of thermal engineering and electrical engineering.The paper expounds the measures for reducing other hazards during one point earth.

DC system；relay；one point earth；fault analysis；precautionary measure

TM744+.4

：B

：1007－1881（2013）07－0048－04

2013-03-08

赵琦玮（1969-），男，浙江台州人，国家一级注册建造师、工程师，从事火力发电厂电气（自动化）运行维护技术及管理工作。