变电站直流系统接地故障的监察与诊断

2022-12-23缪艺昕王雨薇

机电信息 2022年24期

缪艺昕王雨薇胡娟

（国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏南京 210000）

0 引言

直流系统[1-2]是变电站中为各类设备提供直流电源的电源设备，该系统独立运行，变电站正常运行时，其为信号、继电保护、断路器等设备提供电源；变电站外部交流电断开时，其为站内后备电源供电。由直流系统进行供电的负荷在变电站中特别重要，对于电源的可靠性有极高的要求，因此，直流系统供电的可靠性决定了整个变电站能否正常运行。

当直流系统的故障发生在继电保护或开关回路中时，就有保护拒动或开关跳闸的风险，可能造成事故甚至进一步扩大事故。而在直流系统的所有故障种类中，接地故障[3]是最常见的故障之一。

1 变电站直流系统接地故障简述

变电站直流系统运行方式一般采用的是两电两充，短时并列接线，即配置两台高频开关充电、浮充电装置，两组蓄电池组，本文也以此运行方式为例进行研究。

如图1所示，K是继电保护出口继电器的常开接点；RKM是回路电阻；KM是跳闸中间继电器；A、B、C、D、E是跳闸回路的各个接地点；SA是操作开关的辅助接点；TQ是跳闸线圈；1FU、2FU是熔断器或快速开关刀口；QF是辅助接点，断路器在合位时闭合；+WC、-WC是控制回路直流正、负小母线。

图1 简化的断路器跳闸回路

当直流系统中发生一点接地故障时，对直流系统的运行不会产生影响，但务必要尽快消除故障，否则如果再发生一点接地，则会造成直流系统两点甚至多点接地，会直接对电力系统的运行造成严重影响。

当直流系统中发生两点接地故障时，直流系统就有可能构成接地短路，存在短路电流，进而造成直流系统的负荷设备误动或拒动；甚至会造成直流保险熔断，使直流系统的负荷设备失去电源。

当直流系统正极接地时，由于跳闸线圈通常接在电源负极，如果直流系统中再发生接地或绝缘不良，跳闸线圈会接在正负极之间，有电流经过继电器，就会引起保护误动。同理，当直流系统负极接地时，通常接在电源负极的跳闸线圈直接被短路，存在断路器拒动的可能。

1.1 正极接地

如图2所示，当直流系统A、B两点接地时，A、B两点通过大地相连导通，则A、B两点可以跳过常开节点K直接相连，在图2中，通过粗线标记的线路相连。继电器KM励磁动作，KM常开辅助开关闭合，断路器的跳闸回路导通，TQ将有电流经过，致使断路器误动作跳闸。同理，当图2中的A、C同时发生接地或者A、D同时发生接地时，KM辅助开关都会被跳过，电流会经过TQ，致使断路器误动作跳闸。

图2 断路器跳闸回路正极接地

1.2 负极接地

如图3所示，当直流系统的B、E两点接地时，B、E两点通过大地相连导通，则跳过继电器KM直接相连。此时，如果系统发生故障，由于继电器KM被短接，KM不会励磁动作，辅助开关KM不会闭合，从而跳闸线圈TQ回路不导通，断路器不会跳闸，产生拒动现象，使得故障范围扩大。同理，当C、E同时接地或者D、E同时接地时，TQ被短接，断路器无法跳闸，发生故障后，产生拒动情况。

图3 断路器跳闸回路负极接地

1.3 正、负极接地

如图4所示，当直流系统的A、E两点同时发生接地时，相当于A、E通过大地直接相连，跳闸回路的正负极发生短路，致使熔断器（或快速开关）1FU、2FU熔断（或快速开关跳闸），导致控制回路直流电源消失。由于TQ的动作电压较低，如果直流系统的对地电容较大，TQ前的回路发生一点接地，TQ两侧电压会有可能超过动作电压，造成断路器误动作。

图4 断路器跳闸回路正、负极接地

2 直流绝缘监察装置

2.1 直流绝缘监察装置工作原理

直流电源系统的绝缘监察由直流母线绝缘监察和负载支路绝缘监察组成，在工作现场，母线监察和支路监察一般使用不同的工作原理。

通常情况下，母线监察保持在线状态，通过母线节点电压偏移值或者母线对地绝缘电阻下降值来触发支路监察。

通常情况下，支路监察保持待机状态，当母线绝缘发生异常时，支路监察巡视检查，定位发生故障的绝缘支路。

2.2 直流母线的绝缘监察原理

如图5所示，R+和R-是正负母线对地的等效绝缘电阻，R1与R2是正负母线对地的平衡电阻，R1与R2用于平衡母线的对地电压，避免出现R+和R-过大引起对地电压不稳定的情况。K1、K2为开关，用于投切电阻R1与电阻R2，K1、K2不同的投切情况得到不同的母线正负电压，进而计算得到R+和R-。

图5 直流母线的绝缘监察等效电阻

正常情况下，开关K1、K2断开，测量正负母线对地电压U1和U2，得到R+、R-的数学关系式如下：

此时，R+、R-即为正常情况下正负母线对地的绝缘电阻。

当发生正或负母线电压偏移时，先闭合开关K1，K2断开，测量正负母线对地电压U1、U2，得到R+、R-的数学关系式如下：

再闭合开关K2，K1断开，测量正负母线对地电压U1、U2，得到R+、R-的数学关系式如下：通过不平衡电桥法测量正负母线对地电阻，能准确检测正或负母线接地电阻。

2.3 直流支路的绝缘监察原理

对直流电源系统的支路输出进行漏电流检测，可以定位直流系统绝缘下降的故障点，根据漏电流值判断绝缘电阻值，进而得到支路绝缘故障的信息。

如图6所示，漏电流霍尔传感器同时监测平衡电阻的正负极电缆，在绝缘没有发生下降时，正负极电缆上的直流电流数值相同、方向相反，霍尔传感器感应不到电流差，不会给出支路故障信号；当有一级绝缘发生下降时，正负极电缆上的直流电流数值不再相同，霍尔传感器会感应到这个电流差，当电流差超过阈值后，会给出支路故障的信号。

图6 直流支路的绝缘监察霍尔传感器

3 直流接地诊断步骤

当直流系统发生接地时，首先根据现场绝缘监察装置配备情况，利用变电站主监控绝缘报警系统、直流接地测试仪、接地光字牌等监察手段，并通过万用表测量直流屏处的直流对地电压，判断直流接地故障的性质。

接地性质明确后，可进行如下操作：检查绝缘性能差（例如室外端子箱、接线箱、密封不严的刀闸机构箱、无防雨罩的瓦斯继电器等）、有设备缺陷记录、有检修工作记录的设备和线路是否存在接地情况。

若绝缘监察装置能监察出接地的具体支路，该支路为双回路配置的，可以用合、拉空气开关的方法，将该支路负载转到另一直流母线，观察接地现象是否转到另一直流母线上。

若以上绝缘监察装置等无法检测出具体接地支路，在坚持查找直流接地故障的原则的前提下，依次切断直流屏上各负荷开关，但切断时间不可以超过3 s，如果断开某负荷开关，直流接地情况消失，则可以确定该段母线存在接地点，然后依次断开该段母线上的配出回路直流电源，进而判断确切的接地回路，并消除接地故障。

4 案例分析

2021年某日下午，变电运维人员在巡视某变电站时发现直流馈线屏上的智能直流绝缘监察装置报警灯红灯亮，立即查看屏幕上的报警信息。如图7所示，报警信息显示Ⅰ母绝缘压差高，母线监察信息显示正极对地电压为U+：126.9 V，负极对地电压为U-：-89.0 V，发现是某路电源负极接地。

图7 直流系统负极接地告警信息

变电运维人员立即汇报监控，然后遵循先拉开信号电源后拉开控制电源、先拉开室外电源后拉开室内电源的原则查找直流接地。在拉开110 kV某一线路的测控遥信电源空开后，直流馈线屏上的智能直流绝缘监察装置报警灯红灯灭，如图8所示，母线监察信息显示正极对地电压为U+：108.9 V，负极对地电压为U-：-107.0 V，恢复正常，判定是这一条110 kV线路的断路器操作电源负极接地，立即汇报监控并报缺陷。