直流系統接地分析及查找方法

譚俊峰

（神華國能集團公司神頭第二發電廠，山西 朔州 036011）

1 概述

在火力發電廠中，直流系統是一個相對獨立、安全可靠的供電系統，在廠用電系統中起著至關重要的作用。就其電壓等級來講，通常分為220 V、110 V、48 V和24 V等，以實現不同電壓等級下對重要系統設備的可靠供電。它們主要作為電氣設備控制、信號、繼電保護、自動裝置的電源，以確保電氣設備二次回路的可靠運行；同時，它們也是部分重要電氣設備的供電電源，確保在事故情況下對重要設備的安全、可靠、持續供電，例如直流油泵、事故照明和UPS等。直流系統固然安全可靠，但是，在實際生產運行過程中，通常會發生直流接地故障，給直流系統本身及其他廠用設備的正常運行帶來極大的安全隱患。直流接地按其接地方式可分為一點接地和兩點接地，其中，兩點接地涵蓋了多點接地，按其接地程度可分為全接地和非全接地。在一點接地的情況下，由于直流電不會產生短路電流，所以，對設備的安全運行不會造成嚴重的影響。但是，如果再發生第二點或多點接地，可能會造成直流系統崩潰、保護、開關誤動或拒動，引發嚴重的電力生產事故。

2 直流系統的規范性要求

在發電廠中，直流系統主要由蓄電池組、充電裝置、饋電支路開關和熔斷器等組成。當發電廠交流系統電源全部中斷時，在一定的時間段內，直流系統仍可以為設備連續、可靠的供電，以保證電氣開關操作電源的可靠性。其中，220 V直流系統的配置、使用最為普遍，本文即以220 V直流系統為例進行分析和探討。

鑒于直流系統在電力系統中的特殊性和重要性，行業內對直流系統的設計、配置和使用都有嚴格的規定，主要有以下幾點：①發電廠各電壓等級的直流系統通常為單母線分段設計，由母聯開關實現互備用。每段母線分別配置1臺充電裝置和1臺蓄電池組，兩段母線共用1臺備用充電裝置，系統為浮充電運行方式。②直流系統熔斷器應分級配置，上下級熔體應滿足選擇性配合要求。直流回路中采用自動空氣斷路器時，必須選用合格的直流空氣斷路器，嚴禁采用交流空氣斷路器。③一個發電廠使用的直流熔斷器（自動空氣斷路器）應為同一廠家產品，同一支路上直流熔斷器（自動空氣斷路器）不應混合使用，尤其不能在自動空氣斷路器之前再使用熔斷器。④當220 V直流系統兩極對地電壓絕對值差超過40 V或絕緣降低至25 KΩ以下時，應視為直流接地。⑤微機型絕緣監測裝置應能監測和顯示其支路的絕緣狀態，當各支路發生接地時，應能正確顯示和報警。

3 直流接地形成的原因及危害

3.1 直流系統接地原因

在發電廠中，直流系統因分布范圍廣，應用廣泛，與戶外端子箱、操動機構等連接比較多，容易受粉塵、潮濕、腐蝕等環境因素的影響，進而導致設備絕緣下降，發生接地故障。經過分析發現，導致直流系統接地有以下幾個原因。

3.1.1 外力損壞

由于直流電纜線芯比較細、機械強度比較小，在外力作用下，極易造成損壞，形成接地，例如在直流電纜敷設、接線等工作中因方法不當造成電纜絕緣受損。同時，在二次回路中，直流元件絕緣性能低也會造成接地故障，比如斷路器操作線圈燒損等。

3.1.2 環境因素

環境因素是造成直流接地最常見的原因之一。因為直流負荷、操作機//端子箱等通常分布在鍋爐房、戶外等環境較為惡劣的地方，受粉塵、雨水、大風、酸堿腐蝕等影響，極易使直流系統絕緣下降或端子箱進水、受潮引發直流接地。

3.1.3 安裝設計

安裝系統時，未按照反措要求進行設計、安裝，出現交流、直流共用一根電纜的情況。因為交流系統為接地系統，所以極易導致交流串入直流系統形成接地，同時，對于絕緣性能較差的電纜接頭，如果處理不當，也極易引發接地故障。

3.1.4 人員操作

作業人員在二次回路工作中出現失誤，誤將直流電源與其他接地設備觸碰而造成接地。另外，因檢修質量的原因，未在室外設備上加裝防雨罩等防雨設施，直流線頭裸漏也會引發接地故障。

3.2 直流系統接地的危害

眾所周知，直流系統一點接地分為正極接地和負極接地，不管是正極接地，還是負極接地，雖然在理論上不影響系統的正常運行，但是，此時如果發生第二點接地，不論是正極還是負極，均可造成開關誤動或拒動，而如果2個接地點一個為正極，另一個為負極，在全接地的情況下，直流系統將崩潰；而在非全接地的情況下，也會造成正負極間電壓大幅下降，無法滿足對開關或繼電保護的有效控制，進而發生誤動或拒動的可能。在開關的控制回路中，開關合跳閘的觸發元件通常在正極一側，而合跳閘線圈在負極一側。當正極發生兩點接地故障時，可能會將開關的合跳閘的觸發元件短接而導通，觸發合跳閘線圈動作，造成開關誤動；當負極發生兩點接地故障時，可能會將開關的合跳閘線圈短接，在一次設備故障需要開關跳閘時，跳閘線圈因短接而無法帶電不能動作，造成開關拒動，進而引發嚴重的設備損壞事故。直流系統接地故障如圖1所示。閘線圈YT動作，斷路器跳閘；同理，A點、C點同時接地或A點、D點同時接地，均可導致斷路器跳閘線圈YT動作而跳閘。

圖1 直流系統接地故障示意圖

3.2.2 負極接地可能造成斷路器拒跳閘

當圖1中的B點、E點同時接地時，B點、E點導通，將中間繼電器ZJ1短接，此時如果系統發生事故，保護動作對于跳閘的中間繼電器ZJ1因被短接而不能帶電動作，斷路器不會跳閘，造成斷路器拒動，使事故擴大；同理，E點、C點同時接地或E點、D點同時接地均會造成斷路器拒動。

4 查找直流接地的方法

查找直流接地時，必須先確認接地極是正極還是負極，接地電壓值是多少，然后再判斷、查找。查找直流接地的方法通常有2種，即便攜儀器查找和拉路查找，這2種方法各有特點，應結合使用。通過便攜儀器查找可快速確定接地范圍、縮小查找范圍，而采取拉路法可以進一步確定接地點，從而達到消除接地故障的目的。因為直流系統一點接地不允許長時間運行，通常規定不超過2 h，所以，在發生直流系統一點接地故障后，應迅速開展查找工作，盡快找到接地點，并隔離消除，防止發生兩點接地，造成嚴重的設備事故。

發生直流接地故障后，應引起足夠的重視，并根據故障信息，包括接地極性、接地電壓、啟停操作等盡快做出初步分析、判斷，在盡可能短的時間內排除故障，恢復系統正常運行。發電廠電氣設備的直流電源通常為雙路設計，所以，使用“拉路法”是最常用的、也是行之有效的手段。拉路操作時，必須確認設備另一路直流電源可靠備用，防止同時失去兩路電源，增加安全風險。另外，應充分做好安全措施和事故預想及操作監護。拉開任意一個直流電源后，如果接地電壓無變化，應立即將該電源開關或保險合上。在此要注意，拉開直流電源的時間不得超過3 s。

3.2.1 正極接地可能造成斷路器誤跳閘

圖2 直流系統接地查找原理圖

由于斷路器跳閘線圈在負極一側，當正極一側發生兩點接地故障時，可能導致斷路器誤跳閘。如圖1所示，當A點、B點同時接地時，A點、B點通過大地導通，中間繼電器ZJ1帶電動作，其常開接點ZJ1帶電閉合，造成斷路器跳

拉路檢查時，應先根據設備類型、運行環境拉最有可能接地的回路，依次拉事故照明、防誤閉鎖裝置回路、戶外合閘回路、戶內合閘回路、6～10 kV控制回路、其他控制回路、主控制室信號回路、主控制室控制回路、整流裝置和蓄電池回路。當直流母線發生接地時，應立即詢問相關專業有無啟、停設備，如果正好有設備啟停，可通過設備切換判斷是否為啟停設備接地；如果沒有設備啟停，應立即使用儀器判斷接地范圍。使用儀器查找接地的原理是：通過信號發生器向直流系統接地極輸入接地信號電流，再通過鉗形電流表逐一對各配電柜進行接地信號電流檢測，當檢測到一柜有接地信號電流，而下一柜無接地信號電流時，即可判斷接地點在該柜內，然后在該柜內使用拉路法確認接地點，具體的工作原理如圖2所示。

如果發生直流接地故障，電氣二次回路上正好有檢修工作，則應將其作為重點懷疑對象。此時，應立即停止檢修工作，使用“拉路法”檢查是否存在接地點。利用“拉路法”停電檢查時，應按照事故照明、信號電源、充電回路、合閘回路、操作回路的順序進行。在完成上述各項檢查后仍未查出故障點，則應重點檢查蓄電池回路或直流屏。當直流母線有2點以上同極性接地時，應按照事先排好的順序逐路停止；當接地信號消失后，逐路重新送電；當送上某一路負荷，接地信號又發出時，說明此路負荷有接地，重新將其停止，再送下一路負荷。依此類推，直到找出全部接地點。

5 直流系統絕緣監測裝置

為了及時發現、排除直流系統接地故障，保證發電廠電氣系統的運行安全，發電廠大都采用、引進了直流系統絕緣監測裝置，使用它對系統各負荷支路的絕緣性能進行實時監測。當任意一條直流支路發生接地故障時，可直接監測其絕緣值，并發出報警，大大提高了接地故障的消除效率。

5.1 絕緣監測裝置的工作原理

直流絕緣監測裝置分為2部分，即信號部分和測量部分，它們都是按照直流電橋工作原理工作的。當直流系統任意一極發生接地故障時，都能及時發出報警，并顯示接地極和接地電阻值。用2個變化的分壓器正對地電壓和負對地電壓，經模數轉換、微機處理計算后，數字顯示電壓值和母線對地絕緣值。當母線電壓過高、過低或電阻值過低時，發出相應報警；當直流系統運行參數恢復正常后，可消除報警；當發出直流母線絕緣下降報警信號時，裝置將自動進入檢測各分支路絕緣的運行狀態；當各支路全部巡檢完畢后，將自動退出支路檢測狀態，返回母線檢測狀態。在直流母線接地、系統絕緣下降或支路未穿互感器的情況下，裝置直發直流系統絕緣降低信號，但不能查出接地支路。

5.2 絕緣監測裝置運行中的檢查

當設備正常運行時，應檢查絕緣監測裝置有無報警信號，絕緣電阻值顯示是否正常，裝置有無其他異常情況。如果絕緣電阻值顯示異常，應詳細檢查其檢測回路，并與實際測量值進行比較，盡快消除異常情況，保證實時檢測的準確性。

5.3 絕緣在線監測裝置常見故障及處理方法

5.3.1 無法開機

遇到無法開機的情況時，工作人員要先檢查裝置供電是否正常，確認電源系統無異常；檢查顯示屏電源是否正常，如果電源正常，可判斷顯示屏故障，更換合格的顯示屏。

5.3.2 顯示值與實測值偏差大

當發生顯示值與實測值偏差大的情況時，要調整監控裝置內部各測量值的電位器，觀察顯示值的變化情況。如果調整無效，應重新開機后再調整，直至顯示值與實測值一致。

5.3.3 裝置顯示異常

當出現裝置顯示異常的情況時，需重新啟動裝置或按復位鍵，如果故障無法消除，應進行內部檢查處理，無法修復時需更換監控裝置。

5.3.4 報警異常

遇到報警異常的情況時，應檢查傳感器電源是否正常，電源正常時檢查傳感器是否損壞，如果損壞，需更換；電源不正常時，應更換電源。同時，當測量正、負極對地電壓偏差大時，應對裝置內部各元件逐一排查，直至故障消除。

6 查找直流接地注意事項

查找直流接地的注意事項是：①查找接地故障前應根據運行設備異常情況、現場檢修情況和天氣情況等進行判斷，以縮小排查范圍。如果天氣不好，應先拉戶外負荷。②在取下運行設備的直流熔斷器時，應先拉正極后拉負極，合熔斷器時與此相反。③用“拉路法”選擇直流接地時，必須做好安全措施和監護工作，防止人身觸電，不得造成短路或另一點接地，防止兩路直流電源全部消失，引起保護及自動裝置誤動。④查找直流接地時，有環路的應先將環路解除，再進一步查找、消除。如果拉開設備直流電源后接地信號消失，應確保另一路直流電源正常供電，防止設備失去直流電源的時間過長。⑤在查找直流接地的過程中，為了防止保護誤動，必須短時將保護退出運行。在此過程中，應嚴格按照保護投退規定履行相關審批手續，并做好防范措施。檢查結束后，立即將保護投入運行。⑥在查找直流接地的過程中，應設專人監視直流母線電壓的變化情況，并與操作人保持聯系暢通。由于單極接地可能為多點接地，所以，在拉開某一直流回路時，即使直流接地信號未消失，只要電壓有所恢復，就必須對此回路做進一步檢查。

7 預防直流接地的措施

預防直流接地的措施有以下幾點：①為了防止發生兩點接地，直流系統應裝設靈敏度足夠高的絕緣監察裝置，以便及時反映直流系統的接地情況，快速消除接地故障。②在發電廠中，交流和直流回路是2個相互獨立的系統，直流回路是絕緣系統，而交流回路是接地系統，如果交流串入直流系統，勢必會造成直流系統接地故障，引發嚴重的生產事故。為了防止交流串入直流系統，生產現場交直流回路嚴禁共用一根電纜，交直流電纜嚴禁同橋敷設，交直流端子必須間隔分布且有明顯標識。③設備端子箱、機構箱內的交流端子、

直流端子應使用不同顏色加以區分，防止在接線工作時交直流端子誤碰，造成接地。④不管機組是否運行，如果發現直流接地信號發出，應引起高度重視并進行排查，防止因直流接地引發發電機非同期并列，造成重大設備損壞事故。⑤加強設備日常管理工作，定期檢查設備的防雨、防潮情況，發現異常和隱患應及時整改。雨雪天應重點檢查機構箱、端子箱，并增加檢查次數，如果發現進水或受潮的情況，應立即處理。⑥運行單位應加強對直流系統的運行監督管理，定期開展運行分析、事故預想、反事故演習、設備評估等，制訂預防事故的措施，防止引發直流系統事故或擴大事故。⑦檢修單位應嚴格控制檢修質量，做好直流電纜的絕緣測試工作，發現絕緣下降或接地電纜應及時更換。⑧做好直流電纜和直流元件的日常維護工作，把好設備質量關，及時更換不合格的電纜或元件，防止直流系統接地故障的發生。

8 結論

直流供電系統在發電廠是獨立、可靠的供電電源系統，在生產運行中起著極其重要的作用。而接地故障是直流系統中最常見、最危險的故障之一，因此，在發生直流接地故障后，如何快速、有效地消除接地，保證供電系統的可靠運行是防止事故擴大的關鍵。事實證明，通過科學的方法、合理的判斷，我們可以達到快速消除接地故障的目的，再加上嚴格的管理和先進的技術，消除直流接地故障會變得越來越簡單、越來越高效。