變電站直流系統接地故障的查找及分析

王榮滔，潘中達

（溫州電力局，浙江溫州325000）

變電站直流系統接地故障的查找及分析

王榮滔，潘中達

（溫州電力局，浙江溫州325000）

通過對直流雙重化系統中發生接地故障，并引發繼電保護裝置不正確動作的案例分析，闡述雙重化直流系統中直流絕緣接地巡檢的配置和工作原理，分析直流接地檢測配置不當對繼電保護安全性產生的影響，并提出合理的解決方案。

變電站；直流系統；二次系統；接地；絕緣；檢測

變電站直流系統遍布整個二次系統，支路復雜，涉及的設備眾多，發生直流接地故障的概率也相應增大。變電站直流系統發生接地故障時，由于直流系統的重要性和不可間斷性，在處理故障時通常不會讓直流系統全部退出運行，如果對直流接地判斷及處置不當，以及直流系統本身配置不合理，都有可能對直流系統造成新的沖擊，甚至擴大故障。

本文通過對雙重化直流系統發生接地故障的案例分析，論述直流接地檢測的原理和直流系統改進的具體過程。

1 案例分析

1.1 故障現象

某220 kV變電站直流系統為2段相互獨立的直流系統，共用1套直流絕緣檢測裝置，采取分時共用模式，即以5 s為周期進行切換投用。某日，該變電站直流系統出現異常，Ⅱ段母線負極電壓為-116 V，Ⅰ段母線負極電壓在-27～-50 V的范圍內波動，運行人員判斷Ⅱ段母線直流正級接地。由于該站有2套相互獨立的直流系統，為避免保護間隔控制及保護電源中斷，運行人員通過快速查找直流接地點方法，將Ⅱ段上的直流設備（先合后拉）逐一轉移到Ⅰ段直流系統，試圖在轉移過程中發現接地信號的轉移，從而確定直流接地點所在間隔。然而，在轉移瞬間發生了該站220 kV某線路間隔線路保護出口中間繼電器誤動作的事故。

1.2 原因分析

該變電站直流絕緣監測裝置采用輪值分投工作方式，當直流絕緣檢測裝置投用在Ⅰ段直流系統時，平衡橋投用在Ⅰ段直流系統；當直流絕緣檢測裝置投用在Ⅱ段直流系統時，平衡橋就投用在Ⅱ段直流系統，在該段時間內Ⅰ段直流系統失去平衡橋（即該時段內Ⅰ段直流系統退出公共接地點，直流正、負母線對地電壓處懸浮狀態），從而導致直流系統正、負母線電壓對地循環波動。因而在正常情況下，該變電站直流系統正、負母線對地電壓也是循環往返持續波動。實測數據表明，在直流系統正常運行時，該站兩端直流母線電壓均有波動，正極電壓波動范圍為54～76 V，負極為-39～-55 V。由于波動的幅度不大，及直流系統供電的特性，在該電壓波動范圍內變電站直流系統所供二次系統能正常工作，不會發出警示信號，但直流系統供電不穩定會對二次系統的穩定運行造成一定影響，甚至會惡化某些二次系統故障。

檢修人員檢查后發現，該次直流接地實際原因為50432閘刀機構箱內二次電纜絕緣破損，造成直流Ⅱ段母線正極接地，Ⅱ段母線負極電壓達到-116 V，Ⅰ段母線負極電壓由于絕緣巡檢裝置不停切換而在-27～-50 V的范圍內波動。而該變電站220 kV線路保護出口中間繼電器支路存在較大的對地雜散電容，實測約為1μF（包括繼電器兩側對地的分布電容，如圖1所示），在接地點轉移瞬間，Ⅰ段母線負極電壓變為-116 V，而中間繼電器左側暫態電壓由于電容效應不能突變，仍在-27～-50 V的范圍內波動，導致中間繼電器兩端暫態電壓達到66～89 V，滿足中間繼電器74 V電壓下動作的條件。

圖1 直流接地故障等效電路

2 直流絕緣接地檢測原理及缺陷分析

直流系統為不接地系統，涉及所有二次系統，容易受人為、設備及自然條件的影響，如何快速判斷直流接地情況是變電站運行維護人員面對的共同課題。目前變電站多采用直流絕緣接地巡檢裝置來巡檢各直流支路絕緣情況，巡檢裝置的工作原理如圖2所示，通過檢測正、負母線對地電壓和對地電阻，并依據電流差原理對支路因接地產生的對地漏電流進行在線無接觸測量，從而實現各支路正、負對地電阻監測以及接地故障的選線定位（圖中R+，R-為各支路正、負對地監測電阻）。應用平衡橋及不平衡橋原理，對各直流支路絕緣情況進行巡檢，根據裝置預設的定值，對發生直流絕緣水平下降及是否接地做出快速判斷并發出警示信號。

圖2 直流絕緣檢測裝置結構示意

使用微機型直流絕緣接地巡檢裝置后，變電站直流系統等效電路如圖3所示，其中R1和R2是絕緣監測儀的采樣電阻，且R1=R2；E1為絕緣檢測儀的工作接地，R+和R－是直流系統正、負極對地絕緣電阻，在正常狀態下，R+和R-遠大于R1和R2，通常能達到10 MΩ以上，因此U1和U2的大小只取決于R1和R2，即∶

當R1=R2=R，Un=110 V時，可得∶U1=+55 V，U2=-55 V

圖3 直流絕緣檢測裝置工作原理

直流系統只能有1個接地點，即絕緣檢測裝置工作接地點。如果失去接地點E，則U1和U2值將會飄忽不定，因為失去了地電位參考點。在該站的雙重化直流系統中，由于直流絕緣檢測裝置為分時投用，即工作接地點也隨著投用周期產生周期性變化，其工作原理如圖4所示。

圖4 雙重化直流系統直流絕緣檢測工作原理

圖5 直流系統絕緣檢測等效回路簡圖

直流絕緣檢測裝置投用于直流系統后，其工作原理如圖5所示。在直流絕緣檢測裝置投用期間，絕緣檢測裝置投用平衡橋，平衡橋臂Kp閉合，即投入1 MΩ平衡橋，實時監測直流系統正、負母線對地電位。若監測到母線出現絕緣降低，絕緣監測裝置即根據預先設好的定值來判斷直流電壓拉偏情況，并決定是否投入100 kΩ不平衡橋；其中Kp+和Kp-為分時可控開關，由程序控制其分合，當Kp+閉合、Kp-斷開時，測量正母線對地電壓U1+；當Kp+斷開、Kp-閉合時，測量負母線對地電壓U1-；若正負母線間電壓為Um，則可得：

式中：R為不平衡橋電阻；R+，R-為正、負母線對地電阻。

投入平衡橋可以監測直流系統的整體絕緣情況。而不平衡橋只在檢測到直流系統出現絕緣故障時才投入，并通過公式（5）和公式（6）計算各直流饋出支路正、負極對地絕緣電阻。直流絕緣監測裝置通過投入不平衡橋進入直流饋出支路對地阻值檢測程序，從而實現接地故障的選線定位。

3 改進措施及效果

變電站直流系統正、負母線對地電壓循環往復持續波動，對分析及處置直流系統故障帶來困難，甚至會導致繼電保護出口繼電器誤動。該站直流絕緣監測裝置因輪值分投工作間隙退出平衡橋，導致公共接地點丟失，從而導致直流系統正、負母線對地電壓波動，是造成本次事故的重要原因。檢修人員就此情況向廠家提出了設備改進建議，要求避免平衡橋輪值分投的工作模式，廠家為此進行了裝置軟件升級，將直流絕緣檢測裝置平衡橋輪值投用工作模式改成永久投入公共接地點方式，使直流系統正常投運時正、負母線對地監測電壓保持穩定，而當直流系統出現接地情況時，可以通過不平衡橋的投切，進入直流饋出支路對地阻值檢測程序，從而實現接地故障的選線定位。改進后，從廠家檢測及現場運行情況來看，該站直流系統運行穩定，直流電壓波動情況得以解決。條件成熟時，可對直流系統進行改造，配置2套獨立的直流絕緣檢測裝置，實現真正意義上的直流系統雙重化。

4 結語

直流系統是變電站二次系統的“心臟”，其穩定運行對整個二次系統至關重要。雙重化直流系統的建立，大大提高了變電站二次系統的穩定性。在處理直流接地情況時，應對變電站直流系統有全面認識，對處理直流接地問題可能出現的危險點要認真把握，并做好相應的預控措施。對變電站直流系統存在的隱性缺陷應及早處理，避免在發生直流一點接地的情況下因配置不合理而使故障進一步惡化，甚至引發不該發生的故障或事故，確保二次系統的穩定運行。

[1]張毅，張泉，李永麗.直流系統接地檢測[J].電力系統及其自動化學報，2005，2（1）∶27-30.

（本文編輯：龔皓）

Discussion and Detection of Grounding Fault of DC System of Substation

WANG Rong-tao，PAN Zhong-da
（Wenzhou Electric Power Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

By case study of grounding fault in double DC system which results in incorrect operation of protective relay devices，the paper expounds configuration and working principle of polling of DC insulation grounding in double DC system；it analyzes hazards to safety of protective relay due to incorrect direct current earth detection configuration and proposes reasonable solutions.

substation；DC system；secondary system；grounding；insulation；detection

TM774+.4

：B

：1007-1881（2013）02-0031-03

2012-03-16

王榮滔（1976-），男，浙江平陽人，工程師，高級技師，主要從事電力系統繼電保護工作。