火电厂电气设备常见接地故障及排查方法

杜文华，张魁

(阳泉煤业集团西上庄热电有限公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

所谓接地，就是将电气设备某一部分，通过接地线、接地网、接地极与大地相连，起到为故障电流、雷电流提供泄流通道，为设备提供零电位参考点，消除静电、电磁干扰等作用。火电厂接地系统复杂，若设计、监督、维护不到位，极易发生接地故障，如互感器二次回路多点接地、直流控制回路多点接地等，将造成保护、开关误动或拒动，给设备安全运行带来极大隐患。因此，了解各类接地作用，熟悉常见接地故障，掌握常见故障排查方法，对于电气专业人员来说尤为重要。

1 火电厂接地系统分类及用途

火电厂电气设备接地从使用功能上来说，分为工作接地、保护接地、防雷接地、防静电接地和屏蔽接地5种。

1.1 工作接地

将电力系统中某一点与大地相连，为电气系统提供一个基准电位，这个基准电位通常为零，如火电厂变压器中性点接地、发电机中性点接地。火电厂电力系统中通常采用中性点接地和中性点不接地两种系统，而中性点接地系统又分为经消弧线圈接地、经电阻接地、经电抗器接地和直接接地几种。

1.2 保护接地

将电气设备不带电金属部分接零或接地，是为了防止电气设备绝缘损坏时外露金属部分带电，通过接地降低电压，防止人身触电。针对不同接地形式的配电系统，我国保护接地常采用3种方式来限制漏电电流，即IT，TT，TN。

IT，TT均属于保护接地系统，它的保护原理是当人体接触漏电设备后，由于外壳接地电阻相对人体电阻非常小，绝大部分电流通过接地电阻，从而保证了人体的安全；TN系统属于保护接零系统，它的保护原理是当电气设备外壳漏电时，漏电电流上升为短路电流，电源开关直接保护动作跳闸，切断故障，从而保护人身安全。

1.3 防雷接地

防雷接地的作用是通过大地释放雷击电流，以保护人身、建筑物、电气设备安全。防雷装置通常由接闪器、防雷引下线、接地装置3部分组成。

1.4 防静电接地

静电是干燥环境摩擦产生的积蓄电荷，火电厂防静电接地的作用是消除静电，防止静电引燃或引爆易燃油、氢气储罐和管道等易燃易爆物体，避免电子元器件遭受静电损伤。

1.5 屏蔽接地

在电气设备屏蔽体与大地之间做永久电气连接，防止外来电磁干扰，造成电子设备误动或通信质量下降。屏蔽接地方式一般有屏蔽层单端接地和屏蔽层双端接地两种，单端接地适用于长度较短以及弱电回路消除干扰，双端接地适合强磁场环境消除干扰。

2 火电厂常见接地故障

2.1 继电保护二次回路两点接地故障

根据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的规定，电流互感器、电压互感器二次回路必须有且只有一点接地，其原因既是为了人身和二次设备的安全，又是为了保证继电保护正确动作。火电厂的电流互感器和电压互感器多分布在室外且分布范围广，因此，二次回路绝缘老化或检修时人为误操作会导致互感器二次回路形成两点甚至多点接地，造成保护误动或拒动。

2.1.1 电流互感器两点接地对保护的影响

(1)电流互感器两点接地可能造成保护拒动。

当两点接地发生在电流互感器二次线圈两侧时，两接地点经大地形成回路，可能会造成二次侧电流分流，尤其当两接地点距离较近时，将直接短路保护装置采样回路，因此对于过流保护而言，由于采集不到故障电流，故将发生保护拒动。

(2)电流互感器二次回路两点接地可能造成误动。以变压器差动保护为例，理想状态下，运行中变压器高、低压侧电流互感器二次电流基本相等，差动继电器不动作。当二次差动回路两点接地时，若接地点间存在电势差，尤其是接地点有故障接地电流时，两接地点电势差会在差动回路中产生较大的不平衡电流，造成差动保护误动。

2.1.2 电压互感器二次回路两点接地对保护的影响

电压互感器二次中性点要求一点接地，二次侧如发生两点接地，接地点接地电势不同，尤其当接地点存在一次系统接地故障时，两接地点间存在较大的电势差，互感器将产生相电压测量误差，分析如下：设中性点两接地点电势差为Uγ，则有Ua=Ua′+Uγ，Ub=Ub′+Uγ，Uc=Uc′+Uγ，此时保护采集的各相电压不再是真实相电压，电压的幅值、相位均会发生改变；同理，系统接地时互感器自产零序电压也将发生改变，3U0=Ua′+Ub′+Uc′+3Uγ：因此，对采用相电压以及零序电压作为判据的保护都将造成影响[1]。

以接地距离保护为例，接地距离保护就是利用短路时电流、电压同时变化的特征，测量电压、电流比值(该比值反映了保护至故障点的距离，即阻抗)，如果该比值小于整定值则保护跳闸，距离越近保护动作时间越短。电压互感器两点接地时测量阻抗由Zm=Ua/Ia变为Zm=(Ua+Uγ)/Ia，将造成测量阻抗存在误差。当测量阻抗比故障点真实阻抗大时，可能引起保护拒动，当测量阻抗比故障点真实阻抗小时，将造成故障测距错误。

从上述分析可知，无论电压互感器还是电流互感，二次回路一旦发生两点接地，都将引起保护误动或拒动。

2.2 热工回路屏蔽电缆两端接地故障

根据DL/T 1083—2008《火力发电厂分散控制系统技术条件》以及电力安全规程要求，电缆屏蔽层应在机柜侧单端接地。实际运行中，往往由于规程执行不到位及电缆破损等原因，致使屏蔽线双端两点或多点接地，造成热工信号测量误差，影响系统运行。

正常运行时，外部电磁干扰将会在屏蔽层产生感应电势，屏蔽层上的感应电势通过信号电缆的分布电容耦合到信号线中，干扰有用信号。对于干扰信号，可通过屏蔽层单端接地来消除感应电势，但如果屏蔽层双端接地，A，B点存在电势差，两点会通过大地形成环流，这个电流将会对信号产生干扰。

热工系统不同于电气系统，电气系统的测量回路一端在高电压的环境中，高压尤其暂态过电压带来的电磁干扰非常强，且电气测量回路一般为强电回路，地电位形成的环流已不是主要矛盾，故GB/T 14285—2016《继电保护和安全自动装置技术规程》和防止电力生产重大事故的二十五项反措第18.7.7条规定，电气屏蔽电缆必须采用双端接地来消除干扰源。对于热工系统而言，电磁干扰矛盾不突出，由于测量回路为弱电回路，因此两点接地形成的环流反而会成为主要矛盾。

2.3 电气二次回路两点接地对电度表计量的影响

电度表的准确性直接影响火电厂电能计费。电度表在电厂通常以三相三线电度表、三相四线电度表、单相电度表的形式出现。一般情况下，造成电度表计量误差的原因有：电度表本身准确度不同引起的误差；互感器变比选择、二次回路故障引起的误差；电压回路压降引起的误差；电度表接线极性错误引起的误差。本文着重对互感器二次回路故障引起的误差进行分析。

若电流互感器二次线圈两侧发生接地，两接地点间将短路电度表电流线圈，电度表电流采样单元采样不到或采样电流比实际二次电流小，会导致电度表测量电量低。

电压互感器中性线发生两点接地，若两接地点电势不同，将造成互感器二次侧中性点偏移，产生相电压测量误差，从而导致电度表测量电量出现误差。

2.4 直流控制回路接地故障

在火电厂电气系统中，断路器和部分重要辅机均采用直流电源控制，由于直流线路分布范围广，极易发生直流接地，一旦直流系统发生接地，就可能造成开关拒跳或误跳，影响火电厂安全运行。

造成直流接地的常见原因：控制回路电缆外皮破损；断路器二次插头接线开焊、断线；分、合闸线圈烧毁。火电厂直流控制系统一般采用220 V电压等级，其中正极+110 V，负极-110 V，因此直流接地也分为直流正接地和直流负接地。当直流控制回路发生一点接地时，不会对控制造成影响，但必须立即查找、处理，因为当控制回路发生第2点或多点接地时，将造成开关拒动或误动。

图1为断路器控制回路原理图。当控制回路中正极a点接地，同时c点又接地时，a，c两点通过大地形成回路，将使合闸中间继电器线圈导通，造成开关误合。若回路中a，d点同时接地，将造成跳闸线圈导通，从而导致开关误跳。

当控制回路中负极b点接地，同时d点又接地时，将短路合闸线圈，造成开关拒跳。b，c点同时接地，将短路合闸线圈，造成开关拒合，同时会造成保险FU熔断。

图1 断路器控制回路原理

因此由上述分析可知，正极两点接地可造成开关误动，负极两点接地可造成开关拒动。

2.5 防雷接地可能出现的问题

火电厂防雷系统在保证电力设备和人身安全方面有着不可替代的作用，但防雷接地存在设计不合理、施工不规范、后期维护不到位等隐患，本文统计了火电厂基建及运行期间的接地问题。

(1)防雷接地设计时，忽略道路及建筑物出入口均压带的设置。根据GB 50169—2016 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》要求，避雷针及其接地装置与道路或建筑物出入口距离小于3 m时，应采取均压措施或敷设卵石或沥青地面。当雷击发生时，接地点电势升高，采用均压带是为了降低跨步电压，防止人员通行时触电。

(2)施工时,施工人员为图方便，随意开挖敷设，致使避雷针集中接地装置与主接地网的接地点至35 kV及以下设备与主接地网接地点的距离不足15 m，不满足规范要求。GB 50169—2014 《建筑设计防火规范》条文说明中认为，避雷针遭雷击后，接地点电势向外传播15 m后，一般不会危及设备。

(3)接地网搭接焊接不符合规范要求，焊接处未进行防腐处理。如某电厂基建期敷设接地网时，水平接地网焊接部分扁钢搭接面仅有2个棱边焊接(规程要求至少3个棱边焊接)，且焊接处防腐处理时未清理焊药。焊接不良及防腐处理不到位，均会加速接地连接点腐蚀、断裂，影响接地网接地电阻。

(4)运行期维护不到位，接地网腐蚀严重甚至断裂，造成接地电阻增大。

(5)避雷器泄漏电流监测不到位，未按期进行预防性试验，未能及时发现避雷器断相或击穿，造成系统故障。

2.6 电气设备保护接地可能出现的问题

火电厂中低压配电系统保护接地通常采用TN-C系统，其中零线的作用是：在三相负荷不平衡时，保证中性点电压不偏移，维持相电压基本不变；作为保护接零系统PE线；与相线组成单相负荷电气回路。一旦零线发生断线，将给人员以及电气设备安全运行带来极大的威胁。零线断线故障分析如下。

如图2所示，正常情况下，TN-C系统零线不带电，设备外壳保护接于PEN线上，当设备外壳发生漏电时，相当于零线与相线短路，保护跳闸。

图2 TN-C系统零线断线

若在图中a点发生零线断线，a点之前零线电压仍为零，a点之后，所有单相设备组成星形负载，且零线均带电。

若在图中b点发生零线断线，b点之后的单相负荷相当于串接在B，C相之间，B，C相负荷两端电压为线电压，根据串联分压原理，阻抗大的分压大，阻抗小的分压小，将烧毁B，C相负荷或因电压太低而无法工作。

若在图中c点发生零线断线，c点之后所有的单相设备由于电气回路开断，均不能工作。另外，若设备外壳发生漏电，由于零线与中性点断线，不能形成短路电流，保护接零也会失去作用，设备外壳带电，威胁人员安全。

3 火电厂常见接地故障排查方法

3.1 互感器二次侧两点接地排查方法

3.1.1 电流互感器二次侧两点接地排查方法

正常运行时，电流互感器二次侧接地点接地电流为零，下面就电流互感器线圈两侧接地以及中性线两点接地电流情况进行分析，得出二次回路是否两点接地的检测方法。

(1)互感器线圈两侧接地分析。如图3所示，根据节点电流定律可得出：I3=I1+I2，I1=Ia+Ib1+Ic，Ib1=Ib-Ib2，Ia+Ib+Ic=0，I1=-Ib2，I3=0。

由以上公式可得出I2=Ib2，故当电流互感器发生两点接地时，中性线电流与永久接地点电流大小相等方向相反，两接地点电势差需经过互感器、负载才能形成回路，而回路电阻较大，故此时电势差影响可以忽略。

图3 电流互感器线圈两侧接地

(2)电流互感器中性线两点接地分析。如图4所示，当2，3接地点存在电势差时，定义电势差作用下形成的电流为Is，同样可以得出：I3=I1+I2，I1=Ia+Ib+Ic-Is=-Is，I3=0。

由以上公式可以得出I2=Is。I2与I1大小相等方向相反。

图4 电流互感器中性线两点接地

通过上述分析可得出结论：当电流互感器发生多点接地时，I1，I2将显著增大，且大小相等方向相反，日常运行时，通过检测永久接地点以及电流互感器中性点电流，即可判断二次回路是否发生两点接地[2]。

3.1.2 电压互感器二次侧两点接地排查方法

设备运行中，由于无法解开电压互感器二次接地线，因此一般采用电阻法查找二次回路多点接地互感器。正常情况下，由于对地未形成回路呈现高阻抗，因此接地回路中电流值非常小。当在接地点串入滑线电阻时，相对于对地的高阻抗，滑线电阻阻值非常小，因此改变滑线电阻阻值，接地电流几乎不变。当电压互感器中性线发生两点接地时，由于两接地点存在电势差，并且构成回路，在永久接地点串入滑线电阻，a点接地电流将随着阻值变化发生显著改变，此时即可判断互感器是否二次回路两点接地[3]。

3.2 直流控制系统接地排查方法

(1)通过直流绝缘监测系统判断接地支路。

(2)逐一切除直流负荷，查找接地支路上的接地点。

(3)对于直流停电可能引起误动作的设备，应将负荷倒切至备用电源后，方可停电查找接地点。

(4)直流接地查找原则：根据运行方式、操作情况、天气情况判断可能发生的接地点。接地查找应遵循先照明、后信号、再操作的顺序。

3.3 热工屏蔽回路接地故障排查方法

热工系统中，经常由于屏蔽层接地线断线或多点接地造成测量误差，影响系统运行。对于屏蔽层接地，通常按照以下方法查找。

(1)屏蔽层接地线断线排查。使用万用表测量屏蔽层对地电阻，若电阻值显著增大(大于4 Ω或无穷大)，说明屏蔽层接地线虚接或断线。

(2)屏蔽层多点接地点排查。当屏蔽层发生多点接地时，通过信号发生仪给屏蔽层加电流，电流通过接地点形成回路，利用掐流表，以加电流侧为起点，任意选择电缆一点测量屏蔽层电流，若有电流，说明故障点在测量点之后，若无电流，说明测量点在故障点之后。

3.4 电缆接地故障排查方法

电缆故障接地，目前常用的排查方法为直流电桥法。

如图5所示，若电缆单相接地，将电缆的完好芯线和故障芯线短接构成环线，电桥a1，b1分别和故障芯线、完好芯线相连，测量电流经接地点形成回路，调节可调测量臂电阻Ra，当检流计电流为零时，电桥平衡。根据惠斯通电桥原理可知，此时Rm/Ra=(2RL-RX)/RX(Rm为比例臂电阻)，而电缆的电阻跟长度和截面积有关，由于同一根电缆的电阻率和截面积不变，故RX=LXρ/s，RL=Lρ/s，因此，故障点距离LX=2LRa/(Rm+Ra)。电缆两相接地可按上述办法逐一找出接地点。电缆三相接地，需借助附近另一完好平行线路中的一根芯线作为辅助线，原理与单相接地查找相同。

图5 直流电桥测量电缆接地点原理

4 结束语

火电厂电气设备接地系统十分复杂，涉及的知识面广，加强接地系统技术管理工作是电气设备安全、稳定运行的基础。电气设备接地系统如发生故障，轻则导致计量不准确、信号异常，重则会发生保护误动、拒动，进而发生重大事故。如果防雷接地和保护接地不规范，还有可能发生人身伤害事故。因此，需要火电厂电气专业人员从基建期开始，认真学习相关的规程规范，认真落实相关的规定；在运营期要严格执行接地设备定期检查、检验的工作制度，发生接地故障要及时排查处理。