變電站直流系統復合故障處理及防范對策研究

楊 昊，羅皓文，廖 玄，張志浩，劉 炬

(國網荊門供電公司，湖北 荊門 448000)

直流系統作為電力二次系統的重要組成部分，為繼電保護及自動裝置、不間斷電源、遠動通信裝置、控制及信號回路提供可靠的工作電源[1]。變電站直流系統設備多、回路復雜，常因回路設計不完善、誤接線以及運行環境惡劣引起電纜及接頭老化等問題，導致直流接地、交流串入直流、不同直流系統間形成寄生回路等故障[2-3]。以上任何單一故障都可能造成直流電源短路、熔斷器或電源空氣開關(以下稱空開)斷開，引起電力設備失去直流電源，致使信號裝置、繼電保護及自動裝置的不正確動作，最終對電網的安全穩定運行構成威脅[4-5]。由以上單一故障疊加而成的直流系統復合故障因其故障特征不明顯、故障查找困難，給日常故障處理帶來了極大的挑戰，是變電站內直流系統故障研究的熱點問題。

本文以一起某220 kV變電站直流母線存在合環、串電、蓄電池漏液的復合直流故障案例為出發點，在分析直流系統故障起因的同時給出現場故障處理方案，并針對性地提出相應防范措施，對后續類似故障的處理提供參考。

1 故障概述

2019年7月5日，二次檢修人員在220 kV A變電站繼電保護專項巡查工作中，發現A變電站兩段直流母線存在正對地電壓異常、負對地電壓異常及正對地絕緣降低現象，嚴重威脅二次系統安全穩定運行。為徹底消除該站直流系統隱患，確保二次系統可靠運行，現場人員對該站直流回路進行了全面排查。排查最終發現故障起因4處：①10 kV合閘電源合環空開、控制電源合環空開誤投入；②將1號主變壓器控制正電源(正確應取自直流Ⅱ段)當作公共端接入1號主變壓器低壓側測控回路(錯誤取自直流Ⅰ段)；③1號主變壓器中壓側、低壓側、本體測控裝置遙信電源互相串電；④直流Ⅰ段蓄電池組漏液導致絕緣下降。本次處置的直流系統復合故障十分典型，以下將對上述4處故障發現及處理過程逐一介紹。

2 故障處理過程

直流系統絕緣監測裝置可有效監測直流母線對地的電壓和電阻，是變電站內監測直流系統是否存在故障的有效工具。220 kV A變電站現場絕緣監測情況如圖1所示，從圖中可以直觀看出直流Ⅰ、Ⅱ段母線正對地電壓和電阻、負對地電壓和電阻均相等。正常情況下兩段直流母線應是分列運行且由于所帶直流負荷不相同，正負母線對地電壓會在一定范圍內波動，而一旦出現兩段母線絕緣監測數據相同的情況，極有可能是兩段母線并列運行[6-7]。此外，從絕緣監測數據中還可以看出，正對地電阻為101.9 kΩ，正常情況下此項數據應為999.9 kΩ，導致此項數據下降的原因極有可能是該站直流系統還存有其他直流故障。由此現場人員初步判定該站直流系統故障為一起復合故障。

圖1 直流Ⅰ、Ⅱ段母線絕緣監測情況

2.1 直流合環處理

現場二次人員利用直流接地查找儀檢測10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地情況如圖2所示。可以看出接地查找儀顯示的波形類似正弦波，正常情況下應為直線，由此確定直流Ⅰ段母線上“10 kV控母直流Ⅰ段”、“10 kV合母直流Ⅰ段”和直流Ⅱ段母線上“10 kV控母直流Ⅱ段”、“10 kV合母直流Ⅱ段”支路均存在泄漏電流，懷疑兩段直流母線在10 kV高壓室內合環。

圖2 10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地查找檢測情況

在對10 kV高壓室開關柜逐一進行檢查后，現場二次檢修人員發現直流Ⅰ、Ⅱ段母線合環的主要原因：10 kV Ⅱ段207號分段隔離柜內“合閘電源合環空開”、“控制電源合環空開”誤投入，如圖3所示。

圖3 分段隔離柜中合環電源空開誤投入

斷開10 kV Ⅱ段207號分段隔離“控制電源合環空開”后，直流Ⅰ、Ⅱ段母線電壓并未恢復正常，反而使正負對地絕緣進一步惡化。二次檢修人員懷疑存在異電源合環的可能，如某直流負載一極接直流I段，另外一極接直流II段的情況，如圖4所示。

圖4 直流母線異電源合環示意圖

經排查，檢修人員最終定位合環點位于1號主變壓器低壓側測控郢411隔離開關遙信開入回路上。現場接線如圖5所示，可以看出現場1號主變壓器控制正電源301(正確應取自直流Ⅱ段)當作公共端接入1號主變壓器低壓側測控回路(錯誤取自直流Ⅰ段)，導致異電源合環。此時直流I、II段母線合環原理圖如圖6所示。

圖5 1號主變壓器低壓開關柜端子排合環點

圖6 1號主變壓器低壓側遙信開入原理圖

在將1號主變壓器低壓側遙信開入正電源改為1號主變壓器低壓側測控正電源7301后，兩段母線正式解列運行。

2.2 直流串電處理

在處理好現場兩段直流母線合環缺陷后，現場檢修人員發現A變電站直流Ⅱ段絕緣監測數據正常，如圖7所示，其中正負母線對地電壓及絕緣均恢復正常，但直流Ⅰ段絕緣監測數據仍然異常。

圖7 直流Ⅱ段母線絕緣恢復

隨后檢修人員利用直流接地查找儀逐一檢測直流Ⅰ段各分支發現1號主變壓器中、低壓側及本體測控間存在互相串電現象。經檢查后發現在1號主變壓器保護屏(二)出廠配線時將中、低、本體遙信端子排公共端短接，造成不同支路正電源串電，其串電處如圖8所示。

圖8 1號主變壓器保護屏(二)正電源串電

2.3 直流絕緣下降缺陷

在成功處置直流合環及串電缺陷后，現場直流Ⅰ段控母正對地電壓為89.6 V，對地絕緣電阻261.3 kΩ，負對地電壓為-127.8 V，對地絕緣電阻999.9 kΩ，依然存在正對地絕緣下降的現象。

現場檢修人員利用接地查找儀測試所有直流Ⅰ段支路均無法定位故障點，懷疑絕緣下降有可能發生在母線所屬附件或蓄電池組上。經過系統排查，發現直流Ⅰ段蓄電池組存在多個蓄電池漏液、樁頭腐蝕結晶現象，部分蓄電池漏出的電解液甚至流至承載蓄電池的架子上并形成結晶。經統計，直流Ⅰ段蓄電池組共有10塊蓄電池不符合要求，現場受損蓄電池如圖9所示。

圖9 直流Ⅰ段蓄電池組受損蓄電池示例

在申請將直流Ⅰ段蓄電池組退出運行后，直流Ⅰ段正負對地電壓恢復正常，電阻均升高至999 kΩ，絕緣下降缺陷消失，如圖10所示。

圖10 直流Ⅰ段母線絕緣恢復

3 防范措施

直流絕緣降低是直流系統最常見的故障之一，正常情況下，當直流絕緣監測裝置監測正負對地電阻小于25 kΩ時，才會觸發接地告警。在本起事故中，直流絕緣監測裝置僅顯示正對地直流絕緣降低，既沒有提示直流Ⅰ、Ⅱ段電源合環，也沒有反映不同支路串電。這極易造成檢修人員誤判，認為事故發生原因僅僅只是電纜絕緣整體劣化所致，并未存在實際接地故障，從而錯過消缺時機。針對本次復合故障的快速有效處理總結防范措施如下。

a.強化直流系統日常巡視力度。要全面系統地梳理直流運行參數，仔細記錄正負極對地電壓和電阻，核對直流方式開關的投退情況，檢查蓄電池外觀及單體電壓是否正常，做到心中有數，防范于未然。

b.加強二次技改工程閉環管理。要按照《十八項反措》等規程要求，加大前期設計環節的圖紙審查力度，做好屏柜出廠二次回路驗收工作，涉及二次回路變更的工作一定要履行審核手續，并做好記錄。二次施工完畢后，還應檢查直流電源對應關系，嚴防異電源合環及直流串電缺陷。

c.嚴格執行直流系統定檢工作。要按照《五通一措》的要求，每3年對直流充電機、絕緣監測裝置、蓄電池組等進行全面檢查和維護，確保各設備正常運行，遙信告警信息正確上送監控后臺及調度，不斷提升直流系統健康水平。

4 結束語

本文通過某220 kV變電站直流系統多處合環、串電、蓄電池漏液的復合直流系統故障案例，從故障現象出發逐步剖析故障起因并給出現場故障處理方案，對后續類似直流系統復合故障的處理具有一定的參考價值。此外，針對直流系統故障分析結果及暴露的問題，本文結合生產實際從日常巡視、工程管理及定檢工作3方面提出相應要求，從管理上進一步規范了變電站直流系統的安全穩定運行。