变电站直流系统复合故障处理及防范对策研究

杨 昊，罗皓文，廖 玄，张志浩，刘 炬

(国网荆门供电公司，湖北 荆门 448000)

直流系统作为电力二次系统的重要组成部分，为继电保护及自动装置、不间断电源、远动通信装置、控制及信号回路提供可靠的工作电源[1]。变电站直流系统设备多、回路复杂，常因回路设计不完善、误接线以及运行环境恶劣引起电缆及接头老化等问题，导致直流接地、交流串入直流、不同直流系统间形成寄生回路等故障[2-3]。以上任何单一故障都可能造成直流电源短路、熔断器或电源空气开关(以下称空开)断开，引起电力设备失去直流电源，致使信号装置、继电保护及自动装置的不正确动作，最终对电网的安全稳定运行构成威胁[4-5]。由以上单一故障叠加而成的直流系统复合故障因其故障特征不明显、故障查找困难，给日常故障处理带来了极大的挑战，是变电站内直流系统故障研究的热点问题。

本文以一起某220 kV变电站直流母线存在合环、串电、蓄电池漏液的复合直流故障案例为出发点，在分析直流系统故障起因的同时给出现场故障处理方案，并针对性地提出相应防范措施，对后续类似故障的处理提供参考。

1 故障概述

2019年7月5日，二次检修人员在220 kV A变电站继电保护专项巡查工作中，发现A变电站两段直流母线存在正对地电压异常、负对地电压异常及正对地绝缘降低现象，严重威胁二次系统安全稳定运行。为彻底消除该站直流系统隐患，确保二次系统可靠运行，现场人员对该站直流回路进行了全面排查。排查最终发现故障起因4处：①10 kV合闸电源合环空开、控制电源合环空开误投入；②将1号主变压器控制正电源(正确应取自直流Ⅱ段)当作公共端接入1号主变压器低压侧测控回路(错误取自直流Ⅰ段)；③1号主变压器中压侧、低压侧、本体测控装置遥信电源互相串电；④直流Ⅰ段蓄电池组漏液导致绝缘下降。本次处置的直流系统复合故障十分典型，以下将对上述4处故障发现及处理过程逐一介绍。

2 故障处理过程

直流系统绝缘监测装置可有效监测直流母线对地的电压和电阻，是变电站内监测直流系统是否存在故障的有效工具。220 kV A变电站现场绝缘监测情况如图1所示，从图中可以直观看出直流Ⅰ、Ⅱ段母线正对地电压和电阻、负对地电压和电阻均相等。正常情况下两段直流母线应是分列运行且由于所带直流负荷不相同，正负母线对地电压会在一定范围内波动，而一旦出现两段母线绝缘监测数据相同的情况，极有可能是两段母线并列运行[6-7]。此外，从绝缘监测数据中还可以看出，正对地电阻为101.9 kΩ，正常情况下此项数据应为999.9 kΩ，导致此项数据下降的原因极有可能是该站直流系统还存有其他直流故障。由此现场人员初步判定该站直流系统故障为一起复合故障。

图1 直流Ⅰ、Ⅱ段母线绝缘监测情况

2.1 直流合环处理

现场二次人员利用直流接地查找仪检测10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地情况如图2所示。可以看出接地查找仪显示的波形类似正弦波，正常情况下应为直线，由此确定直流Ⅰ段母线上“10 kV控母直流Ⅰ段”、“10 kV合母直流Ⅰ段”和直流Ⅱ段母线上“10 kV控母直流Ⅱ段”、“10 kV合母直流Ⅱ段”支路均存在泄漏电流，怀疑两段直流母线在10 kV高压室内合环。

图2 10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地查找检测情况

在对10 kV高压室开关柜逐一进行检查后，现场二次检修人员发现直流Ⅰ、Ⅱ段母线合环的主要原因：10 kV Ⅱ段207号分段隔离柜内“合闸电源合环空开”、“控制电源合环空开”误投入，如图3所示。

图3 分段隔离柜中合环电源空开误投入

断开10 kV Ⅱ段207号分段隔离“控制电源合环空开”后，直流Ⅰ、Ⅱ段母线电压并未恢复正常，反而使正负对地绝缘进一步恶化。二次检修人员怀疑存在异电源合环的可能，如某直流负载一极接直流I段，另外一极接直流II段的情况，如图4所示。

图4 直流母线异电源合环示意图

经排查，检修人员最终定位合环点位于1号主变压器低压侧测控郢411隔离开关遥信开入回路上。现场接线如图5所示，可以看出现场1号主变压器控制正电源301(正确应取自直流Ⅱ段)当作公共端接入1号主变压器低压侧测控回路(错误取自直流Ⅰ段)，导致异电源合环。此时直流I、II段母线合环原理图如图6所示。

图5 1号主变压器低压开关柜端子排合环点

图6 1号主变压器低压侧遥信开入原理图

在将1号主变压器低压侧遥信开入正电源改为1号主变压器低压侧测控正电源7301后，两段母线正式解列运行。

2.2 直流串电处理

在处理好现场两段直流母线合环缺陷后，现场检修人员发现A变电站直流Ⅱ段绝缘监测数据正常，如图7所示，其中正负母线对地电压及绝缘均恢复正常，但直流Ⅰ段绝缘监测数据仍然异常。

图7 直流Ⅱ段母线绝缘恢复

随后检修人员利用直流接地查找仪逐一检测直流Ⅰ段各分支发现1号主变压器中、低压侧及本体测控间存在互相串电现象。经检查后发现在1号主变压器保护屏(二)出厂配线时将中、低、本体遥信端子排公共端短接，造成不同支路正电源串电，其串电处如图8所示。

图8 1号主变压器保护屏(二)正电源串电

2.3 直流绝缘下降缺陷

在成功处置直流合环及串电缺陷后，现场直流Ⅰ段控母正对地电压为89.6 V，对地绝缘电阻261.3 kΩ，负对地电压为-127.8 V，对地绝缘电阻999.9 kΩ，依然存在正对地绝缘下降的现象。

现场检修人员利用接地查找仪测试所有直流Ⅰ段支路均无法定位故障点，怀疑绝缘下降有可能发生在母线所属附件或蓄电池组上。经过系统排查，发现直流Ⅰ段蓄电池组存在多个蓄电池漏液、桩头腐蚀结晶现象，部分蓄电池漏出的电解液甚至流至承载蓄电池的架子上并形成结晶。经统计，直流Ⅰ段蓄电池组共有10块蓄电池不符合要求，现场受损蓄电池如图9所示。

图9 直流Ⅰ段蓄电池组受损蓄电池示例

在申请将直流Ⅰ段蓄电池组退出运行后，直流Ⅰ段正负对地电压恢复正常，电阻均升高至999 kΩ，绝缘下降缺陷消失，如图10所示。

图10 直流Ⅰ段母线绝缘恢复

3 防范措施

直流绝缘降低是直流系统最常见的故障之一，正常情况下，当直流绝缘监测装置监测正负对地电阻小于25 kΩ时，才会触发接地告警。在本起事故中，直流绝缘监测装置仅显示正对地直流绝缘降低，既没有提示直流Ⅰ、Ⅱ段电源合环，也没有反映不同支路串电。这极易造成检修人员误判，认为事故发生原因仅仅只是电缆绝缘整体劣化所致，并未存在实际接地故障，从而错过消缺时机。针对本次复合故障的快速有效处理总结防范措施如下。

a.强化直流系统日常巡视力度。要全面系统地梳理直流运行参数，仔细记录正负极对地电压和电阻，核对直流方式开关的投退情况，检查蓄电池外观及单体电压是否正常，做到心中有数，防范于未然。

b.加强二次技改工程闭环管理。要按照《十八项反措》等规程要求，加大前期设计环节的图纸审查力度，做好屏柜出厂二次回路验收工作，涉及二次回路变更的工作一定要履行审核手续，并做好记录。二次施工完毕后，还应检查直流电源对应关系，严防异电源合环及直流串电缺陷。

c.严格执行直流系统定检工作。要按照《五通一措》的要求，每3年对直流充电机、绝缘监测装置、蓄电池组等进行全面检查和维护，确保各设备正常运行，遥信告警信息正确上送监控后台及调度，不断提升直流系统健康水平。

4 结束语

本文通过某220 kV变电站直流系统多处合环、串电、蓄电池漏液的复合直流系统故障案例，从故障现象出发逐步剖析故障起因并给出现场故障处理方案，对后续类似直流系统复合故障的处理具有一定的参考价值。此外，针对直流系统故障分析结果及暴露的问题，本文结合生产实际从日常巡视、工程管理及定检工作3方面提出相应要求，从管理上进一步规范了变电站直流系统的安全稳定运行。