繆藝昕 王雨薇 胡 娟

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

直流系統(tǒng)[1-2]是變電站中為各類設備提供直流電源的電源設備，該系統(tǒng)獨立運行，變電站正常運行時，其為信號、繼電保護、斷路器等設備提供電源；變電站外部交流電斷開時，其為站內后備電源供電。由直流系統(tǒng)進行供電的負荷在變電站中特別重要，對于電源的可靠性有極高的要求，因此，直流系統(tǒng)供電的可靠性決定了整個變電站能否正常運行。

當直流系統(tǒng)的故障發(fā)生在繼電保護或開關回路中時，就有保護拒動或開關跳閘的風險，可能造成事故甚至進一步擴大事故。而在直流系統(tǒng)的所有故障種類中，接地故障[3]是最常見的故障之一。

1 變電站直流系統(tǒng)接地故障簡述

變電站直流系統(tǒng)運行方式一般采用的是兩電兩充，短時并列接線，即配置兩臺高頻開關充電、浮充電裝置，兩組蓄電池組，本文也以此運行方式為例進行研究。

如圖1所示，K是繼電保護出口繼電器的常開接點；RKM是回路電阻；KM是跳閘中間繼電器；A、B、C、D、E是跳閘回路的各個接地點；SA是操作開關的輔助接點；TQ是跳閘線圈；1FU、2FU是熔斷器或快速開關刀口；QF是輔助接點，斷路器在合位時閉合；+WC、-WC是控制回路直流正、負小母線。

圖1 簡化的斷路器跳閘回路

當直流系統(tǒng)中發(fā)生一點接地故障時，對直流系統(tǒng)的運行不會產生影響，但務必要盡快消除故障，否則如果再發(fā)生一點接地，則會造成直流系統(tǒng)兩點甚至多點接地，會直接對電力系統(tǒng)的運行造成嚴重影響。

當直流系統(tǒng)中發(fā)生兩點接地故障時，直流系統(tǒng)就有可能構成接地短路，存在短路電流，進而造成直流系統(tǒng)的負荷設備誤動或拒動；甚至會造成直流保險熔斷，使直流系統(tǒng)的負荷設備失去電源。

當直流系統(tǒng)正極接地時，由于跳閘線圈通常接在電源負極，如果直流系統(tǒng)中再發(fā)生接地或絕緣不良，跳閘線圈會接在正負極之間，有電流經(jīng)過繼電器，就會引起保護誤動。同理，當直流系統(tǒng)負極接地時，通常接在電源負極的跳閘線圈直接被短路，存在斷路器拒動的可能。

1.1 正極接地

如圖2所示，當直流系統(tǒng)A、B兩點接地時，A、B兩點通過大地相連導通，則A、B兩點可以跳過常開節(jié)點K直接相連，在圖2中，通過粗線標記的線路相連。繼電器KM勵磁動作，KM常開輔助開關閉合，斷路器的跳閘回路導通，TQ將有電流經(jīng)過，致使斷路器誤動作跳閘。同理，當圖2中的A、C同時發(fā)生接地或者A、D同時發(fā)生接地時，KM輔助開關都會被跳過，電流會經(jīng)過TQ，致使斷路器誤動作跳閘。

圖2 斷路器跳閘回路正極接地

1.2 負極接地

如圖3所示，當直流系統(tǒng)的B、E兩點接地時，B、E兩點通過大地相連導通，則跳過繼電器KM直接相連。此時，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，由于繼電器KM被短接，KM不會勵磁動作，輔助開關KM不會閉合，從而跳閘線圈TQ回路不導通，斷路器不會跳閘，產生拒動現(xiàn)象，使得故障范圍擴大。同理，當C、E同時接地或者D、E同時接地時，TQ被短接，斷路器無法跳閘，發(fā)生故障后，產生拒動情況。

圖3 斷路器跳閘回路負極接地

1.3 正、負極接地

如圖4所示，當直流系統(tǒng)的A、E兩點同時發(fā)生接地時，相當于A、E通過大地直接相連，跳閘回路的正負極發(fā)生短路，致使熔斷器（或快速開關）1FU、2FU熔斷（或快速開關跳閘），導致控制回路直流電源消失。由于TQ的動作電壓較低，如果直流系統(tǒng)的對地電容較大，TQ前的回路發(fā)生一點接地，TQ兩側電壓會有可能超過動作電壓，造成斷路器誤動作。

圖4 斷路器跳閘回路正、負極接地

2 直流絕緣監(jiān)察裝置

2.1 直流絕緣監(jiān)察裝置工作原理

直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察由直流母線絕緣監(jiān)察和負載支路絕緣監(jiān)察組成，在工作現(xiàn)場，母線監(jiān)察和支路監(jiān)察一般使用不同的工作原理。

通常情況下，母線監(jiān)察保持在線狀態(tài)，通過母線節(jié)點電壓偏移值或者母線對地絕緣電阻下降值來觸發(fā)支路監(jiān)察。

通常情況下，支路監(jiān)察保持待機狀態(tài)，當母線絕緣發(fā)生異常時，支路監(jiān)察巡視檢查，定位發(fā)生故障的絕緣支路。

2.2 直流母線的絕緣監(jiān)察原理

如圖5所示，R+和R-是正負母線對地的等效絕緣電阻，R1與R2是正負母線對地的平衡電阻，R1與R2用于平衡母線的對地電壓，避免出現(xiàn)R+和R-過大引起對地電壓不穩(wěn)定的情況。K1、K2為開關，用于投切電阻R1與電阻R2，K1、K2不同的投切情況得到不同的母線正負電壓，進而計算得到R+和R-。

圖5 直流母線的絕緣監(jiān)察等效電阻

正常情況下，開關K1、K2斷開，測量正負母線對地電壓U1和U2，得到R+、R-的數(shù)學關系式如下：

此時，R+、R-即為正常情況下正負母線對地的絕緣電阻。

當發(fā)生正或負母線電壓偏移時，先閉合開關K1，K2斷開，測量正負母線對地電壓U1、U2，得到R+、R-的數(shù)學關系式如下：

再閉合開關K2，K1斷開，測量正負母線對地電壓U1、U2，得到R+、R-的數(shù)學關系式如下：通過不平衡電橋法測量正負母線對地電阻，能準確檢測正或負母線接地電阻。

2.3 直流支路的絕緣監(jiān)察原理

對直流電源系統(tǒng)的支路輸出進行漏電流檢測，可以定位直流系統(tǒng)絕緣下降的故障點，根據(jù)漏電流值判斷絕緣電阻值，進而得到支路絕緣故障的信息。

如圖6所示，漏電流霍爾傳感器同時監(jiān)測平衡電阻的正負極電纜，在絕緣沒有發(fā)生下降時，正負極電纜上的直流電流數(shù)值相同、方向相反，霍爾傳感器感應不到電流差，不會給出支路故障信號；當有一級絕緣發(fā)生下降時，正負極電纜上的直流電流數(shù)值不再相同，霍爾傳感器會感應到這個電流差，當電流差超過閾值后，會給出支路故障的信號。

圖6 直流支路的絕緣監(jiān)察霍爾傳感器

3 直流接地診斷步驟

當直流系統(tǒng)發(fā)生接地時，首先根據(jù)現(xiàn)場絕緣監(jiān)察裝置配備情況，利用變電站主監(jiān)控絕緣報警系統(tǒng)、直流接地測試儀、接地光字牌等監(jiān)察手段，并通過萬用表測量直流屏處的直流對地電壓，判斷直流接地故障的性質。

接地性質明確后，可進行如下操作：檢查絕緣性能差（例如室外端子箱、接線箱、密封不嚴的刀閘機構箱、無防雨罩的瓦斯繼電器等）、有設備缺陷記錄、有檢修工作記錄的設備和線路是否存在接地情況。

若絕緣監(jiān)察裝置能監(jiān)察出接地的具體支路，該支路為雙回路配置的，可以用合、拉空氣開關的方法，將該支路負載轉到另一直流母線，觀察接地現(xiàn)象是否轉到另一直流母線上。

若以上絕緣監(jiān)察裝置等無法檢測出具體接地支路，在堅持查找直流接地故障的原則的前提下，依次切斷直流屏上各負荷開關，但切斷時間不可以超過3 s，如果斷開某負荷開關，直流接地情況消失，則可以確定該段母線存在接地點，然后依次斷開該段母線上的配出回路直流電源，進而判斷確切的接地回路，并消除接地故障。

4 案例分析

2021年某日下午，變電運維人員在巡視某變電站時發(fā)現(xiàn)直流饋線屏上的智能直流絕緣監(jiān)察裝置報警燈紅燈亮，立即查看屏幕上的報警信息。如圖7所示，報警信息顯示Ⅰ母絕緣壓差高，母線監(jiān)察信息顯示正極對地電壓為U+：126.9 V，負極對地電壓為U-：-89.0 V，發(fā)現(xiàn)是某路電源負極接地。

圖7 直流系統(tǒng)負極接地告警信息

變電運維人員立即匯報監(jiān)控，然后遵循先拉開信號電源后拉開控制電源、先拉開室外電源后拉開室內電源的原則查找直流接地。在拉開110 kV某一線路的測控遙信電源空開后，直流饋線屏上的智能直流絕緣監(jiān)察裝置報警燈紅燈滅，如圖8所示，母線監(jiān)察信息顯示正極對地電壓為U+：108.9 V，負極對地電壓為U-：-107.0 V，恢復正常，判定是這一條110 kV線路的斷路器操作電源負極接地，立即匯報監(jiān)控并報缺陷。

圖8 直流系統(tǒng)正常狀態(tài)下電壓信息

天氣原因是引起直流接地故障的常見原因之一，無論是雨水滲入密封不嚴的室外設備，還是天氣潮濕引起設備絕緣性能下降，都有可能引起直流接地故障。

本次110 kV線路的斷路器操作電源負極接地，就是梅雨天氣導致空氣濕度過大，室外端子箱內端子排導線的絕緣外殼有所破損，從而使得絕緣性能大幅度下降。

5 改進措施

5.1 采用顯示接地支路的絕緣監(jiān)察裝置

目前，新投運的變電站大多都采用可以顯示接地支路的絕緣監(jiān)察裝置，可以更加直觀地看到接地時間、接地極、支路號和絕緣電阻等信息，該裝置相比于以往的絕緣監(jiān)察裝置，好處在于可以及時知道接地支路的位置，減少變電運維人員對于具體故障點的排查時間，避免事故范圍擴大。

5.2 加強變電站直流系統(tǒng)的巡視

造成變電站直流系統(tǒng)接地的原因有很多種，包括：

（1）氣候原因，比如氣候潮濕導致室外設備的絕緣性能降低，進而引發(fā)接地故障；

（2）自然原因，比如設備自身的振動、絕緣老化等都可能成為直流系統(tǒng)接地的隱患；

（3）人為原因，比如廠家漏接或錯接導線等也有可能導致直流系統(tǒng)接地。

這就需要變電運維人員更加嚴謹仔細地巡視，認真地檢查直流屏上的電壓、信號是否正常，是否有異常報警信號等，加強對變電站直流系統(tǒng)的檢查和巡視。

6 結語

對于變電站直流系統(tǒng)來說，直流接地常見故障中后果最嚴重的是兩點接地。一點接地可能造成設備誤動或者拒動；而兩點接地，除了可能造成設備誤動或者拒動以外，還可能造成直流系統(tǒng)的熔斷器熔斷，使直流系統(tǒng)的負荷失去供電。

本文中故障案例是梅雨天氣、空氣潮濕致使端子排導線絕緣性能降低，從而進一步導致斷路器跳閘回路直流電源負極接地，變電運維人員在第一時間查找并隔離故障點，避免了事故進一步擴大，保障了安全穩(wěn)定供電。

本文所述方法為變電運維人員的變電站直流系統(tǒng)接地故障診斷提供了一種思路及經(jīng)驗參考。