变电站直流系统接地故障分析

柳晋冬，罗福强

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650000)

变电站直流系统接地故障分析

柳晋冬，罗福强

(云南电网公司昆明供电局，昆明 650000)

论述直流系统接地故障危害，重点分析了不平衡电桥法和漏电流法组合的绝缘检测方法，结合实际提出直流系统接地故障的排查方法及变电站建设期的预防措施。

直流系统；接地故障；绝缘检测；排查方法；预防措施

1 前言

变电站直流系统在正常情况下为监控、继电保护、自动装置、断路器操作控制回路等提供稳定的直流电源，在交流电源消失时作为事故照明等紧急备用电源，直流电源的安全可靠运行对变电站的安全运行起着至关重要作用。但由于直流系统馈线支路多、供电线路长、接线回路复杂，施工期环境恶劣、人为因素等，直流系统很容易出现绝缘降低、接地故障 (这是绝缘降低的一种极端情况，以下均以 “接地故障”表示)。所以必须在直流系统接地故障时，快速准确的查找排除故障点，保证系统安全运行。对处于建设期的变电站，需要进行有效的预防，避免埋下隐患。

2 直流系统接地故障危害

当直流系统发生一点接地时，一般不会立即发生严重的危害，直流系统正极一点接地可能发生误动，负极一点接地可能发生拒动。直流系统接地故障危害大致可分为以下三类：

1)直流正极一点接地，接着发生第二点接地，如图1所示，开关S处于开路，如果接地电阻R1、R2的阻值足够小，通过继电器K电流将达到动作值，从而发生误动现象。

图1 第一种直流接地故障

2)直流负极一点接地，接着发生第二点接地，如图2所示，当开关S闭合，如果接地电阻R1、R2的阻值足够小，继电器K将被短路，从而发生拒动现象。

图2 第二种直流接地故障

3)直流中间一点接地，接着另一支路中间一点接地，如图3所示，如果接地电阻R1、R2的阻值足够小，当开关S1或S2闭合，继电器K1、K2均会动作，从而发生误动现象。

图3 第三种直流接地故障

3 直流系统绝缘检测方法

直流系统绝缘检测方法主要有：平衡电桥法、不平衡电桥法、低频探测法、漏电流法等。平衡电桥法检测速度快，但不能测出直流系统正、负极绝缘同等下降的情况。不平衡电桥法虽然检测速度慢，但是可以检测各种情况的母线绝缘降低现象。低频探测法是比较新的一种检测方法，但是它所能检测到的接地电阻受直流系统对地分布电容的影响，且注入的低频交流信号增加了直流系统的电压纹波系数。漏电流法无需注入信号，不受对地分布电容的影响，能够准确判断故障支路及接地电阻，能够分别检测出多条支路同时出现绝缘降低现象。

下面对不平衡电桥检测法与漏电流检测法组合检测方法进行分析，接线示意图如图四：不平衡电桥检测法可以测出系统绝缘降低及接地电阻，但是无法确定是母线还是馈线支路发生绝缘问题；漏电流检测法检测各馈线支路的绝缘状况，通过检测漏电流传感器输出就可以确认母线接地还是馈线接地及接地支路。两者的结合可以帮助迅速准确的排查接地故障。

图4不平衡电桥及漏电流检测接线示意图

图4 中，R0为正投切电阻，R1为负投切电阻，R2、R3为平衡电阻，Rx为系统正对地电阻，Ry为系统负对地电阻，R4、R5分别为模拟支路故障接地电阻。

3.1 不平衡电桥检测法原理

直流母线分为合闸母线和控制母线，通常由电压较高的合闸母线为冲击负荷供电，由控制母线为经常性负荷充电。所以需要根据负荷的性质来确定直流母线的类型，一般分仅有控制母线、同时有控制母线和合闸母线两种情况：

3.1.1 仅有控制母线情形

当正负母线电压超过投切电压时，通过控制S0、S1软开关的分合，形成不平衡电桥，进行计算。绝缘检测过程如下：

1)先正投切：断开S1，合上S0，测出此时正对地电压U0+，负对地电压U0

-：

联立方程 (1)、 (2)即可求解出接地电阻Rx、Ry，从而确认接地故障。

3.1.2 有合闸母线和控制母线

因为合闸母线与控制母线通过降压硅链连接，绝缘检测时合闸母线和控制母线相当于是连通的，绝缘检测原理和仅有控制母线的情形相同。当发生接地故障时，合闸母线和控制母线都接地，在220 V直流系统上试验结果如下：合闸母线通过降压硅链降压35 V至控制母线。以下数据取自某变电站直流系统投产前试验：

1)将合闸母线正极接地5 kΩ，主监控报：合闸母线正接地、控制母线正接地、接地电阻4.9 kΩ，检测出合母正对地电压41.7 V，合母负对地电压212.1 V，控母正对地电压7.0 V，控母负对地电压212 V。

2)将控制母线正极接地5 kΩ，主监控报：合闸母线正接地、控制母线正接地、接地电阻4.9 kΩ，检测出合母正对地电压58.1 V，合母负对地电压194.4 V，控母正对地电压24.5 V，控母负对地电压194.4 V。

3)将合闸/控制母线负极接地5 kΩ，主监控报：合闸母线负接地、控制母线负接地、接地电阻5.0 kΩ，检测出合母正对地电压214.6 V，合母负对地电压26.5 V，控母正对地电压191.5 V，控母负对地电压26.5 V。

3.2 漏电流检测法

漏电流检测法通过漏电流传感器检测馈线支

2)再负投切：断开S0，合上S1，测出此时正对地电压U+，负对地电压U

-：路的正负电缆中流过的电流差而形成的漏电流来实现，检测装置通过霍尔原理检测漏电流的大小，并将信号上送用于计算对应的接地电阻。漏电流传感器的安装须尽可能靠近母线，每一支路的正、负两根电缆均需穿过传感器的检测孔。根据电磁平衡原理，当馈线支路绝缘正常时，流过传感器的正、负极电流大小相等、方向相反，I1++I1-= 0，故合成磁场为0，传感器输出0；当馈线支路存在接地故障时，I1++I1-≠0，传感器检测有差流，则合成磁场不为0，传感器输出不为0；这样就可以通过检测漏电流传感器的输出信号来判断支路是否有接地故障，确定故障支路。再通过投入投切电阻，检测对应漏电流值，计算接地电阻。

1)假设某支路正接地，如图4负载1支路，当S1闭合，测出此时正对地电压U1+，负对地电压为U1-及漏电流I1，得出：

由此可求出负接地电阻R5大小。

3)当出现多支路接地、正负极均接地时，同样可以通过S0、S1的分合，分别测出电压及漏电流，通过欧姆定律及并联分流的关系列出的方程计算接地电阻值。

3.3 直流系统接地故障排查

当出现直流系统接地故障时，通常会在变电站监控系统、直流系统监控系统上发出报警，此时切忌盲目的拉开馈线支路随意查找故障点。为了人身安全，直流系统接地故障的查找处理过程中必须两人进行，戴绝缘手套，穿绝缘靴。建议按以下方法进行故障排查：

1)查看直流系统主监控屏幕上在线绝缘检测装置接地信息，包括母线正对地电压U+、负对地电压U-、接地支路、接地电阻，确认接地回路。同时结合变电站监控系统、故障录波器等信息辅助确认接地点。

2)根据直流母线正、负对地电压，判断接地

由此可求出正接地电阻R4大小。

2)假设某支路负接地，如图四负载2支路，当S0闭合，测出此时正对地电压U2+，负对地电压为U2-及漏电流I2，得出：性质：

a.对地电压越大，绝缘电阻下降越严重，对地电压为直流母线电压值，则为金属性接地。

b.设U+，U-分别代表正极、负极电压，Uz为报警电压整定值，Uz＞0。当｜U+｜＜Uz， ｜U-｜＞Uz，正极绝缘降低；当｜U-｜＜Uz， ｜U+｜＞Uz，负极绝缘降低；当｜U+｜＜Uz， ｜U-｜＜Uz，正、负极绝缘都降低。

3)检查接地支路是否有人工作或设备试验，若有应立即停止，拉开该支路馈线电源开关，看信号是否消除。若消除，则可以确认是该支路存在接地故障，再对该支路采用分段排查的方法判断接地点。此时应该停止所有在二次回路上的工作。

4)系统外观检查，排除明显接地点，如母线套、馈线支路绝缘层、蓄电池组绝缘等损坏，杂物、螺栓掉落造成的接地故障。

5)检查系统发生接地前是否对某馈线支路进行过操作或试验，并将该馈线支路断开，查看接地故障是否消除；通过倒闸操作来判断与母线连接的充电机、蓄电池组是否发生接地。

6)采取拉负荷方法进行馈线支路检查，拉负荷遵循先次要后主要，先支路后干路的原则，一般按先信号回路，再照明回路，再操作回路，最后保护回路的顺序。对于一般负荷或单电源供电的负荷，采用 “瞬间停电法”查看该支路是否有接地故障。对于重要负荷及多电源供电负荷，可采用 “负荷转移法”进行查找，确保负荷不掉电。

7)依次断开所有与母线相连接的表计和元器件来排除可能的接地故障点。

8)检查系统所处的环境，排除雨雪天气时因空气湿度增大、母线间绝缘薄弱等因素造成等偶然接地故障。

9)检查更换绝缘检测装置和支路漏电流检测装置，并再次对最低绝缘报警电阻值进行校验。

4 变电站建设期的故障预防

1)在设备采购时应选用经过实践的技术解决方案。

2)系统设计方案需仔细审查，避免出现回路缺陷。

3)设备安装过程中仔细检查设备的质量，避免使用绝缘不合格设备、老化设备；注意施工工艺，避免重物砸伤绝缘层、剥线时划破绝缘层等，避免过多的裸露导体；紧固螺丝，避免震动时晃落。

4)避免人为因素造成接地故障，避免使用不合格的工器具进行操作。

5)对设备屏柜、端子箱、电缆夹层及电缆竖井的孔洞进行及时封堵，避免小动物进入造成短路；做好防尘措施。

6)日常需要加强易受潮部位的巡视及绝缘测试工作。

5 结束语

直流系统接地故障严重威胁变电站安全运行，要保证直流系统的长期安全稳定运行，首先需要认真审查、规范施工、严格验收，防范于未然，完善预防措施，尽可能的减少隐患；其次需要了解接地故障类型和危害，明白绝缘检测方法，遇到故障保持清醒思路，选择恰当的处理方法，及时处理。

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罗福强，男，云南电网公司昆明供电局，从事变电运行工作。

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，Focus 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

柳晋冬 (1986)，男，助理工程师，云南电网公司昆明供电局，从事变电运行工作 (e-mail)339254081＠qq.com。