水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障分析與處理

董 德 魏林邦 江 雨 劉勝利 曹鐵山

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水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)故障分析與處理

董 德 魏林邦 江 雨 劉勝利 曹鐵山

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北宜昌 443133）

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)是控制系統(tǒng)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的工作電源，是機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證。通過(guò)對(duì)直流系統(tǒng)接地檢測(cè)原理的比較，探索直流系統(tǒng)接地故障的查找分析方法，以及如何處理發(fā)電廠直流系統(tǒng)的接地故障等問(wèn)題。本文從直流系統(tǒng)接地檢測(cè)原理出發(fā)，結(jié)合具體案例探討了運(yùn)用現(xiàn)有檢測(cè)手段對(duì)直流系統(tǒng)接地故障查找的可行性，對(duì)直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

水力發(fā)電廠；直流系統(tǒng)；檢測(cè)原理；接地故障

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)主要為保護(hù)、控制、調(diào)速器、測(cè)量、勵(lì)磁、事故照明等提供操作電源。直流系統(tǒng)的可靠與否，對(duì)發(fā)電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，是發(fā)電廠正常運(yùn)行的重要保證。當(dāng)發(fā)生直流一點(diǎn)接地時(shí)，并不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)帶來(lái)重要影響，其危害主要在于此時(shí)再有一點(diǎn)接地，除會(huì)造成保護(hù)裝置、安穩(wěn)裝置、控制系統(tǒng)、操作機(jī)構(gòu)等誤動(dòng)、拒動(dòng)外，還可能造成直流回路保險(xiǎn)的熔斷，使保護(hù)及自動(dòng)裝置等的控制回路失去電源，在復(fù)雜保護(hù)回路中同極兩點(diǎn)接地，還可能將某些電器設(shè)備短接，不能動(dòng)作跳閘，致使越級(jí)跳閘，造成事故擴(kuò)大，所以直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)作為系統(tǒng)正常運(yùn)行的保證正在日益受到關(guān)注[1-2]。

1 直流系統(tǒng)接地檢測(cè)原理

1.1 母線檢測(cè)原理

1）平衡電橋檢測(cè)法

平衡電橋法在絕緣監(jiān)測(cè)儀主機(jī)內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)阻值相同的對(duì)地分壓電阻1、2，通過(guò)它們測(cè)得母線對(duì)地電壓1、2。平衡電橋檢測(cè)原理框圖如圖1 所示。

圖1 平衡電橋檢測(cè)原理圖

當(dāng)R=R=∞時(shí)，系統(tǒng)無(wú)接地。此時(shí)，1=2＝110V。

當(dāng)系統(tǒng)單端接地時(shí)，得以下方程：

通過(guò)此方程式可求得單端接地電阻R或R。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)雙端接地時(shí)，得以下方程：

此時(shí)，不能直接求解，處理方法是將R、R中較大的一個(gè)視為無(wú)窮大，按單端接地的情況求解，所求得的接地電阻值大于實(shí)際值。R、R的實(shí)際值越接近，則測(cè)量誤差越大，達(dá)到R=R時(shí)，測(cè)量誤差∞。

2）不平衡電橋檢測(cè)法

不平衡電橋檢測(cè)是由主機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)阻值相等的對(duì)地電阻通過(guò)電子開(kāi)關(guān)K1、K2按照一定的開(kāi)合順序接地。不平衡電橋檢測(cè)原理如圖2所示。

在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)，K1閉合K2斷開(kāi)，測(cè)得1、2，得方程

然后K1斷開(kāi)K2閉合，經(jīng)一定延時(shí)后再次測(cè)量1、2，得方程

（4）

解聯(lián)立式（3）和式（4），就可直接求得正負(fù)母線接地電阻R、R。

1.2 支路檢測(cè)原理

1）交流法

較早的絕緣監(jiān)測(cè)儀對(duì)支路電阻檢測(cè)基本上都采用了小信號(hào)注入法，即當(dāng)母線檢測(cè)接地異常時(shí)，將一個(gè)約5～10V，10～20Hz的低頻信號(hào)注入母線，交流CT通過(guò)鎖相技術(shù)等方式便可檢測(cè)到不平衡電流即漏電流，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)線將檢測(cè)信號(hào)送至主機(jī)做響應(yīng)處理。圖3為交流法支路檢測(cè)原理圖。

圖3 交流法支路檢測(cè)原理圖

若向直流母線注入交流信號(hào)，則容易引起設(shè)備誤動(dòng)或干擾設(shè)備，檢測(cè)精度受接地電容影響，不能識(shí)別母線接地極性，這種方法已經(jīng)逐漸被淘汰。

2）直流法

采用直流有源CT，不需注入交流信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)接地時(shí)，直流CT將直流漏電流變換為0～5V或4～20mA的電信號(hào)上傳接地監(jiān)測(cè)儀。缺點(diǎn)是成本高于交流CT，環(huán)境溫度和工作電壓的波動(dòng)影響測(cè)量精 度[3]。

2 直流系統(tǒng)接地故障處理原則

目前水電廠檢測(cè)判斷直流接地的方法及處理原則一般是：①首先分析直流回路上是否有工作或因漏水等原因造成接地故障；②檢查絕緣監(jiān)測(cè)儀是否正常，運(yùn)行中對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行復(fù)位重啟，對(duì)比復(fù)位前后的報(bào)警信號(hào)；③在檢測(cè)過(guò)程中，先檢測(cè)直流母線電壓，確認(rèn)是否系統(tǒng)接地。總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)遵循先室外后室內(nèi)、先備用機(jī)組后運(yùn)行機(jī)組、先次要負(fù)荷后重要負(fù)荷、先雙路負(fù)荷再單路負(fù)荷最后環(huán)路負(fù)荷的原則，用監(jiān)控器或絕緣監(jiān)測(cè)儀檢查是否存在支路接地及接地支路號(hào)。在需分/合負(fù)荷開(kāi)關(guān)選擇直流接地時(shí)，做好防止相關(guān)裝置誤動(dòng)的安全措施：①若支路無(wú)接地，則可判斷接地點(diǎn)在母線側(cè)，直流母線元件作重點(diǎn)檢查；②若支路有接地，則應(yīng)對(duì)接地支路作重點(diǎn)檢查，找出接地點(diǎn)（注意防止在查找接地點(diǎn)過(guò)程中發(fā)生第二點(diǎn)直流接地）；③并應(yīng)在找出接地點(diǎn)后，做好隔離措施，及時(shí)消除接地點(diǎn)。

直流系統(tǒng)接地，首先運(yùn)用固定式絕緣監(jiān)測(cè)儀（直流CT測(cè)漏電流，如原理1.2 2中所提到的）巡檢接地支路。其優(yōu)點(diǎn)是不用在直流系統(tǒng)中添加其他設(shè)備，不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)本身帶來(lái)干擾。缺點(diǎn)是檢測(cè)精度受環(huán)境和系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響，對(duì)于存在環(huán)路（電廠機(jī)組直流多條負(fù)荷支路存在二極管環(huán)路；某些機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器存在二極管環(huán)路）負(fù)荷的直流系統(tǒng)，固定式絕緣監(jiān)測(cè)儀無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出接地支路，常常會(huì)誤報(bào)出多條支路接地的現(xiàn)象。目前廠內(nèi)普遍采用的WJY3000A型微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)儀基本原理如圖4所示。

圖4 WJY3000A原理框圖

母線電壓檢測(cè)電橋可在平衡電橋和非平衡電橋之間人工選擇，母線電壓檢測(cè)采用獨(dú)立的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)速度快。WJY3000A型絕緣監(jiān)測(cè)儀所配CT與上述（1.2節(jié)中提到的支路檢測(cè)原理）的交流CT和普通的直流有源CT兩種方式已有了較明顯的變化，每個(gè)CT內(nèi)含CPU，漏電流在CT內(nèi)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由CPU通過(guò)串行口上傳至絕緣監(jiān)測(cè)儀主機(jī)。數(shù)字濾波采用256次的平均值，測(cè)量精度高，抗干擾能力強(qiáng)。CT自身保存校準(zhǔn)值，CT測(cè)量精度與主機(jī)性能無(wú)關(guān)。由于檢測(cè)的是波形相對(duì)變化量，所以電源的波動(dòng)不影響檢測(cè)精度。

當(dāng)該絕緣檢測(cè)儀在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可采用逐個(gè)斷開(kāi)負(fù)荷開(kāi)關(guān)，觀察正負(fù)母線對(duì)地電壓是否恢復(fù)正常來(lái)確定接地支路。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、明確，缺點(diǎn)是針對(duì)負(fù)荷比較重要不能停電或者停電措施很復(fù)雜的系統(tǒng)而言就不適用了，且不能確定接地點(diǎn)的具體位置。

另外，還可以采用便攜式接地儀來(lái)檢測(cè)接地支路。其優(yōu)點(diǎn)是能夠比較準(zhǔn)確地查找出接地支路甚至接地點(diǎn)的位置，缺點(diǎn)是采用注入一低頻交流電源的方式進(jìn)行檢測(cè)可能干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作。考慮到電廠安全可靠運(yùn)行的重要性，建議謹(jǐn)慎使用便攜式接地儀進(jìn)行接地支路檢測(cè)，防止發(fā)生誤跳閘[4]。

3 直流系統(tǒng)斷電危險(xiǎn)源分析與統(tǒng)計(jì)

當(dāng)前我廠每套直流系統(tǒng)均采用兩組充電機(jī)兩組蓄電池雙母線無(wú)降壓裝置結(jié)構(gòu)，兩組充電機(jī)兩組蓄電池雙母線接線。正常操作時(shí)需要注意如下事項(xiàng)： ①充電機(jī)不能單獨(dú)帶母線運(yùn)行；②兩組蓄電池不能并聯(lián)運(yùn)行。每段直流負(fù)荷有：機(jī)組保護(hù)電源、勵(lì)磁操作電源、調(diào)速器PG1柜電源、主變控制電源、純水控制電源、電氣制動(dòng)、快速門(mén)、水機(jī)后備（Ⅱ段上）、調(diào)速器PG2柜（Ⅱ段上）。電廠直流系統(tǒng)典型接線方式如圖5所示。

圖5 直流系統(tǒng)配置圖

在采用斷開(kāi)負(fù)荷開(kāi)關(guān)查找接地點(diǎn)過(guò)程中，應(yīng)始終注意相應(yīng)機(jī)組危險(xiǎn)源的分析。尤其不能造成運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)組保護(hù)及控制直流失電。現(xiàn)將直流母線短時(shí)失電危險(xiǎn)源分析如下。

1）機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)危險(xiǎn)源分析

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》要求，機(jī)組保護(hù)均為兩套保護(hù)獨(dú)立一路電源[5]。以X#機(jī)組為例：X#機(jī)組檢修期間對(duì)發(fā)變組保護(hù)盤(pán)的電源回路進(jìn)行了技改，改造后PR1盤(pán)的985GW發(fā)電機(jī)保護(hù)、985TW變壓器保護(hù)均由直流盤(pán)Q101供電。但PR1盤(pán)上20Hz定子接地信號(hào)發(fā)生器電源由直流盤(pán)上Q101、Q201兩路經(jīng)9665直流切換裝置供電，PR2盤(pán)僅由直流盤(pán)Q202供電，PR3盤(pán)由Q102、Q202經(jīng)9665供電，如圖6所示。

如果一段直流消失，就相當(dāng)于一套主保護(hù)退出，此時(shí)在進(jìn)行直流母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行操作前，應(yīng)先申請(qǐng)調(diào)度退出失電保護(hù)裝置的保護(hù)連片，待聯(lián)絡(luò)正常、觀察保護(hù)裝置無(wú)異常后，申請(qǐng)調(diào)度加用保護(hù)連片。否則，相當(dāng)于保護(hù)裝置掉電重啟，保護(hù)存在誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

2）水機(jī)后備保護(hù)誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)分析

雖然水機(jī)后備保護(hù)失電后誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)很小，但是為了防止二次回路上電回路紊亂，應(yīng)退出水機(jī)后備保護(hù)連片。

圖6 保護(hù)系統(tǒng)電源配置圖

3）調(diào)速器危險(xiǎn)源分析

調(diào)速器直流有三路，兩路到調(diào)速器電氣柜，一路到液壓系統(tǒng)控制柜。調(diào)速器電氣柜一路交流輸入為主用，兩路直流輸入為備用；液壓系統(tǒng)控制柜一路交流輸入為主用，一路直流輸入為備用，故調(diào)速器部分風(fēng)險(xiǎn)較小。

4 故障案例分析

值班期間監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警：直流系統(tǒng)故障、X#機(jī)組直流系統(tǒng)Ⅰ段直流系統(tǒng)接地、X#機(jī)組直流系統(tǒng)Ⅱ段直流系統(tǒng)接地，隨即復(fù)歸。現(xiàn)場(chǎng)檢查X#機(jī)組直流絕緣監(jiān)測(cè)儀顯示：Ⅰ段正母線對(duì)地電壓40V，負(fù)母線對(duì)地電壓-190V，正母線對(duì)地絕緣17kW，負(fù)母線對(duì)地絕緣999kW；Ⅱ段正母線對(duì)地電壓180V，負(fù)母線對(duì)地電壓-50V，正母線對(duì)地絕緣999kW，負(fù)母線對(duì)地絕緣18kW，且上述示值均呈不規(guī)律變化。Ⅰ、Ⅱ段正負(fù)母線對(duì)地絕緣值交替顯示絕緣有降低，但所有支路絕緣均未報(bào)警（初步判讀為非金屬性接地，故監(jiān)測(cè)儀未判斷到具體接地支路）。檢查該直流系統(tǒng)所帶相關(guān)機(jī)組單控室絕緣監(jiān)測(cè)儀情況與上述一致（正常時(shí)絕緣監(jiān)測(cè)儀狀態(tài)：正負(fù)控母線絕緣999K，正、負(fù)母線電壓110V。母線有接地時(shí)，絕緣及電壓數(shù)值均降低）。

現(xiàn)場(chǎng)處理故障，遵照處理原則選擇接地線時(shí)有個(gè)反復(fù)驗(yàn)證的過(guò)程，比如斷開(kāi)某開(kāi)關(guān)后，接地消失了，再合上、斷開(kāi)該開(kāi)關(guān)一次后，仍會(huì)顯示接地存在，這很可能是監(jiān)測(cè)儀自身的缺陷導(dǎo)致的，此時(shí)將絕緣監(jiān)測(cè)儀重啟，接地就會(huì)消失。發(fā)生直流系統(tǒng)接地后，出現(xiàn)接地信號(hào)在接地點(diǎn)斷開(kāi)后還不能復(fù)歸的現(xiàn)象，系因直流系統(tǒng)盤(pán)柜上的絕緣監(jiān)測(cè)裝置自身缺陷導(dǎo)致進(jìn)入報(bào)警死循環(huán)，可將絕緣監(jiān)測(cè)儀斷電重啟，即可恢復(fù)正常。因此，要通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)儀判斷是否有接地，要及時(shí)進(jìn)行重啟，以免造成誤判斷。

檢查接地故障時(shí)所做的安全措施：①監(jiān)控系統(tǒng)相應(yīng)機(jī)組保護(hù)畫(huà)面機(jī)械事故及電氣事故軟連片退出；②發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)退出；③兩路總直流開(kāi)關(guān)可以同時(shí)斷開(kāi)。運(yùn)行中的機(jī)組，斷開(kāi)關(guān)時(shí)必須要保證有一路變壓器保護(hù)和冷卻器直流電源合閘，同時(shí)要考慮機(jī)組中其他重點(diǎn)供電負(fù)荷是否存在失電風(fēng)險(xiǎn)（如以上3直流系統(tǒng)斷電危險(xiǎn)源分析所述）。具體處理流程如圖7所示。

綜合考慮上述因素，現(xiàn)場(chǎng)最先檢查出X#機(jī)組單控室直流母線絕緣較低，其他相關(guān)機(jī)組正常，由于絕緣降低需要個(gè)過(guò)程，故初步判斷故障點(diǎn)很可能就在最開(kāi)始機(jī)組直流絕緣有降低的那臺(tái)機(jī)組，即X#機(jī)組。當(dāng)時(shí)因?yàn)閮啥沃绷髂妇€的正負(fù)母線交替且不規(guī)則的均報(bào)接地，給判斷造成了一定干擾，懷疑是絕緣監(jiān)測(cè)儀本身的問(wèn)題。后來(lái)經(jīng)過(guò)重啟觀察，大部分時(shí)間是X#機(jī)組Ⅱ段負(fù)控母線絕緣降低。將絕緣監(jiān)測(cè)儀接線甩開(kāi)后單獨(dú)測(cè)量母線電壓，負(fù)控母線的電壓確有降低，約為-48V左右（正常的母線電壓應(yīng)是正、負(fù)110V）。通過(guò)單獨(dú)測(cè)量母線電壓的方法更準(zhǔn)確地驗(yàn)證接地點(diǎn)。

檢查出故障后恢復(fù)時(shí)應(yīng)注意：①轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置上電需先交流后直流，勵(lì)磁盤(pán)柜有信號(hào)需要復(fù)歸，400V BZT因直流消失會(huì)退出，應(yīng)及時(shí)恢復(fù)； ②查找接地過(guò)程中，防止保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)；③同時(shí)注意防止在查找接地點(diǎn)過(guò)程中發(fā)生第二點(diǎn)直流接地；④利用便攜式接地儀來(lái)檢測(cè)接地支路時(shí)，需防止注入的低頻交流電源干擾設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作。

5 結(jié)論

水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)運(yùn)行正常對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，發(fā)生直流接地不僅會(huì)造成保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)，甚至還會(huì)擴(kuò)大相關(guān)事故。本文結(jié)合直流系統(tǒng)接地檢測(cè)原理提出直流系統(tǒng)接地檢測(cè)的相關(guān)方法，并根據(jù)此原則及處理方法考慮在執(zhí)行過(guò)程中涉及的相關(guān)問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際工作中的直流系統(tǒng)故障的案例，論證了該原則方案的可行性。實(shí)踐證明，運(yùn)行效果良好，具備較好的工程實(shí)用價(jià)值。

[1] 張信, 盧燦燏. 直流系統(tǒng)接地的危害分析與處理[J]. 中州煤炭, 2007(1): 58-59.

[2] 趙建新. 淺析發(fā)電廠直流系統(tǒng)接地故障分析與處理[J]. 科技信息, 2008(24): 304, 316.

[3] 孫愛(ài)群, 張文勝. 直流系統(tǒng)接地故障與檢測(cè)方法[J]. 河北煤炭, 2007(2): 48-49.

[4] 王素華, 彭向陽(yáng), 韓瀟, 等. 變電站直流電源系統(tǒng)改造問(wèn)題分析[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(17): 179-182.

[5] 能源行業(yè)發(fā)電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). DL/T 5044—2014. 電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].

Direct Current System of Hydropower Plant Malfunction Analysis and Treatment

Dong De Wei Linbang Jiang Yu Liu Shengli Cao Tieshan

(China Yangtze Power Co., Ltd, Yichang, Hubei 443133)

The direct current system is a key equipment for control system，relay protection device and automatics in the power plant system, and also keep the units running safety and stable. By comparing the testing principle of the direct current system, we find the method about the earth fault, and how to handle the earth fault problem. In this thesis, the concrete analysis and particular case is used to optimization measure analysis. The results showed that, by this method the earth fault can be found quickly. There are important significance in the hydropower plant.

hydropower plant; direct current system; test principle; earth fault

董 德（1986-），男，畢業(yè)于山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，工學(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)樗娬景踩\(yùn)行與控制。