引言

直流系統(tǒng)是變電站中為各類設(shè)備提供直流電源的電源設(shè)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(hù)、斷路器等設(shè)備提供電源:變電站外部交流電斷開時,其為站內(nèi)后備電源供電。由直流系統(tǒng)進(jìn)行供電的負(fù)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(dāng)直流系統(tǒng)的故障發(fā)生在繼電保護(hù)或開關(guān)回路中時,就有保護(hù)拒動或開關(guān)跳閘的風(fēng)險,可能造成事故甚至進(jìn)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(guān)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(jìn)行研究。

如圖1所示,K是繼電保護(hù)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(guān)的輔助接點:TQ是跳閘線圈:1FU、2FU是熔斷器或快速開關(guān)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(fù)小母線。

當(dāng)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(chǎn)生影響,但務(wù)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(yán)重影響。

當(dāng)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(gòu)成接地短路,存在短路電流,進(jìn)而造成直流系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)備誤動或拒動:甚至?xí)斐芍绷鞅ｋU熔斷,使直流系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)備失去電源。

當(dāng)直流系統(tǒng)正極接地時,由于跳閘線圈通常接在電源負(fù)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(fù)極之間,有電流經(jīng)過繼電器,就會引起保護(hù)誤動。同理,當(dāng)直流系統(tǒng)負(fù)極接地時,通常接在電源負(fù)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(dāng)直流系統(tǒng)A、B兩點接地時,A、B兩點通過大地相連導(dǎo)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(biāo)記的線路相連。繼電器KM勵磁動作,KM常開輔助開關(guān)閉合,斷路器的跳閘回路導(dǎo)通,TQ將有電流經(jīng)過,致使斷路器誤動作跳閘。同理,當(dāng)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(guān)都會被跳過,電流會經(jīng)過TQ,致使斷路器誤動作跳閘。

1.2負(fù)極接地

如圖3所示,當(dāng)直流系統(tǒng)的B、E兩點接地時,B、E兩點通過大地相連導(dǎo)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(guān)KM不會閉合,從而跳閘線圈TQ回路不導(dǎo)通,斷路器不會跳閘,產(chǎn)生拒動現(xiàn)象,使得故障范圍擴大。同理,當(dāng)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(chǎn)生拒動情況。

1.3正、負(fù)極接地

如圖4所示,當(dāng)直流系統(tǒng)的A、E兩點同時發(fā)生接地時,相當(dāng)于A、E通過大地直接相連,跳閘回路的正負(fù)極發(fā)生短路,致使熔斷器(或快速開關(guān))1FU、2FU熔斷(或快速開關(guān)跳閘),導(dǎo)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(cè)電壓會有可能超過動作電壓,造成斷路器誤動作。

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(fù)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(dāng)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一是正負(fù)母線對地的等效絕緣電阻,R1與R2是正負(fù)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一過大引起對地電壓不穩(wěn)定的情況。K1、K2為開關(guān),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(fù)電壓,進(jìn)而計算得到R+和R一。

正常情況下,開關(guān)K1、K2斷開,測量正負(fù)母線對地電壓U1和U2,得到R+、R一的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下:

此時,R+、R一即為正常情況下正負(fù)母線對地的絕緣電阻。

當(dāng)發(fā)生正或負(fù)母線電壓偏移時,先閉合開關(guān)K1,K2斷開,測量正負(fù)母線對地電壓U1、U2,得到R+、R一的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下:

再閉合開關(guān)K2,K1斷開,測量正負(fù)母線對地電壓U1、U2,得到R+、R一的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下:

通過不平衡電橋法測量正負(fù)母線對地電阻,能準(zhǔn)確檢測正或負(fù)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(jìn)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(jìn)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(fù)極電纜,在絕緣沒有發(fā)生下降時,正負(fù)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(yīng)不到電流差,不會給出支路故障信號:當(dāng)有一級絕緣發(fā)生下降時,正負(fù)極電纜上的直流電流數(shù)值不再相同,霍爾傳感器會感應(yīng)到這個電流差,當(dāng)電流差超過閾值后,會給出支路故障的信號。

3直流接地診斷步驟

當(dāng)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(zhì)。

接地性質(zhì)明確后,可進(jìn)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(yán)的刀閘機構(gòu)箱、無防雨罩的瓦斯繼電器等)、有設(shè)備缺陷記錄、有檢修工作記錄的設(shè)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(guān)的方法,將該支路負(fù)載轉(zhuǎn)到另一直流母線,觀察接地現(xiàn)象是否轉(zhuǎn)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(fù)荷開關(guān),但切斷時間不可以超過3s,如果斷開某負(fù)荷開關(guān),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(jìn)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1母絕緣壓差高,母線監(jiān)察信息顯示正極對地電壓為U+:126.9V,負(fù)極對地電壓為U一:一89.0V,發(fā)現(xiàn)是某路電源負(fù)極接地。

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(nèi)電源的原則查找直流接地。在拉開110kV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+:108.9V,負(fù)極對地電壓為U一:一107.0V,恢復(fù)正常,判定是這一條110kV線路的斷路器操作電源負(fù)極接地,立即匯報監(jiān)控并報缺陷。

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(yán)的室外設(shè)備,還是天氣潮濕引起設(shè)備絕緣性能下降,都有可能引起直流接地故障。

本次110kV線路的斷路器操作電源負(fù)極接地,就是梅雨天氣導(dǎo)致空氣濕度過大,室外端子箱內(nèi)端子排導(dǎo)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(jìn)措施

5.l1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(dǎo)致室外設(shè)備的絕緣性能降低,進(jìn)而引發(fā)接地故障:

(2)自然原因,比如設(shè)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(dǎo)線等也有可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地。

這就需要變電運維人員更加嚴(yán)謹(jǐn)仔細(xì)地巡視,認(rèn)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(jié)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(yán)重的是兩點接地。一點接地可能造成設(shè)備誤動或者拒動:而兩點接地,除了可能造成設(shè)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(fù)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(dǎo)線絕緣性能降低,從而進(jìn)一步導(dǎo)致斷路器跳閘回路直流電源負(fù)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(jìn)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。