直流電源接地故障分級定位和隔離系統

朱凱 胡振華 王振華 戴勃文 劉忠祥

摘 ?要：直流電源系統是發電廠、變電站站用電源系統的重要組成部分，相當于發電廠、變電站的“心臟”，保障了發電廠、變電站信號、控制、繼電保護和事故照明等操作電源的供應。當變電站或發電廠的直流系統出現絕緣降低時，由絕緣監測裝置產生報警信號，并讓支路巡檢裝置啟動選線工作。對于多級開關組成的系統，或者長的線路，進一步定位接地故障是比較麻煩的事情。“拉回路法”有可能導致保護和控制回路的重大事故，在一些地區已禁止采用;便攜式直流接地故障探測儀的缺點是需要人工攜帶該裝置逐條線路進行檢測，一方面費時費力，且在電纜溝內無法逐段排查，另一方面存在帶電作業的安全隱患。此外，傳統的方式在排除接地故障之前，直流系統是“帶病”運行的。文章提出的直流電源接地故障分級定位和隔離系統，可以較好地解決上述問題。

關鍵詞：直流電源系統;絕緣監測;直流接地;分級定位;故障隔離

中圖分類號：TM46 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）19-0066-04

Abstract： DC power supply system is very important in power plants and substations， it is equivalent to the "heart" of them and ensures the power supply for signals， controls， relay protections and emergency lighting. When the insulation level declines，the insulation detector will raise an alarm and let the slave detectors start inspection for each feeder. For those complicated DC power system with several levels of circuit breakers or with long cables， it is very difficult to localize the fault position. "Feeder Switching Off Method" is not allowed in some regions as it may cause great power failure of protection and control equipment. Portable insulation detector has two defects， first， it takes a lot of time to inspect the whole cable and is impossible to do that in cable channels; second， it is not safe during inspection. In addition， the DC power supply system is operating "with disease"， before the insulation fault is eliminated. This paper proposes a kind of localization and fault isolation system for DC power insulation fault， which can solve the above problems.

Keywords： DC power system; insulation detection; DC earthing fault; hierachical localization; fault isolation

引言

發電廠、變電站直流系統為斷路器分合閘及二次回路繼保設備、故障照明等重要負載提供直流電源。直流電源采用浮地方式運行，正常情況下直流母線的正、負極對地是絕緣的，但隨著運行時間的增加，線纜絕緣老化或者破損，遇到下雨天氣則出現明顯的絕緣降低，威脅到直流系統的安全運行。當正極或負極發生一點接地時，不構成回路，不影響繼續運行。如果再發生另一點接地，就有可能造成正負極金屬短路或短接繼電器動合觸點、控制開關以及繼電保護、自動裝置的起動元件，引發電力系統的重大事故。因此在直流部分發生一點接地故障后，應立即找出接地故障點，并盡快消除。目前，大多數發電廠和變電站裝設的直流絕緣監測裝置都能診斷出直流系統發生接地故障并選線，但經常找不到接地支路（由于絕緣漏電流CT或檢測裝置精度問題，或者實際線路接地阻值較大），更不能確定接地點，直流接地具體故障點主要還是依靠人工查找來排除。

1 常用直流接地查找方法

直流系統出現接地的方式多種多樣，以往繼保人員查找接地故障的時候，都是根據個人的經驗和習慣選擇其中的一種方法一查到底，而任何一種查找方法都不可避免有不足之處。當采用該方法沒有找到故障的時候便隨機選取別的方法，結果整個查找過程盲目、雜亂無章，耗費很多時間。

當前查找各種接地的方法主要有如下幾種：

（1）經驗判斷法

根據經驗檢查容易發生接地的地方，往往能取得事半功倍的效果。一般用于天氣驟變，有新投（改造）設備等情況下，但是有很大的猜測性、盲目性，不是可靠的檢查方法。

（2）拉回路法

依次短時斷開對直流母線上不太重要的饋電分路（一般不應超過3s），若斷開某一分路時，接地信號消失，則接地故障點就在此分路范圍內。如果檢修人員在控制室外查找，需電話聯系控制室人員觀察接地信號是否消失，大大延長處理時間，而且由于電網公司對用電可靠性和安全性的要求提高，現在已經不允許拉閘停電檢查直流接地，尤其對于重要線路的控制和合閘電源，所以該方法在現在的環境下幾乎失去了它的作用。

（3）便攜式直流接地故障探測儀

該裝置的原理是在直流故障母線與地之間注入一個低頻交流信號，低頻電流從信號發生器流出，經過直流系統從接地點返回。用鉗形電源探頭逐點檢測，對低頻電流走向進行尋跡，找到接地支路并根據接地點前后低頻電流出現明顯差別來確定接地點。這樣的設備需要向專業的生產廠家購買，成本較高，攜帶也不方便，而且其現有的探測準確度不夠高，特別是非金屬性接地和多點接地時判斷不準確，排查難度大，給維護人員帶來了不小的麻煩。另外，如果原來的直流系統中用的絕緣監測儀也是交流注入法，則直流接地探測儀跟直流系統的絕緣監測儀注入的交流信號可能存在干擾，無法定位接地故障點。

2 直流接地故障分級定位方案

本文所論述的直流電源接地故障分級定位系統，由絕緣監測主機、從機和絕緣漏電流CT組成。正常工作時，絕緣監測主機實時檢測正負母線對地電壓并計算對地電阻，若電阻低于告警門限則發出母線絕緣下降報警，并通過RS485通信告知各絕緣監測從機啟動支路巡檢。各絕緣漏電流CT將感應的漏電流信號輸入到絕緣監測從機采樣電路，由從機進行放大濾波處理后得出實際值，并與絕緣監測主機配合計算出支路接地電阻。

絕緣監測主機由ARM9主處理器、觸摸屏、LCD顯示屏、RAM及FLASH存儲電路、正負母線對地電壓采集電路、通信電路等組成，圖1為絕緣監測主機的各部分功能框圖。

絕緣監測從機由STM32芯片電路、支路漏電流采樣電路、開關量檢測電路、參數存儲電路、通信電路、撥碼設置（用于多個從機掛接同一RS485總線）、報警指示、霍爾校正輸出等組成，圖2為絕緣監測從機的各部分功能框圖。

直流電源接地故障分級定位系統示意框圖如圖3，絕緣監測主機用于監測直流母線（KM+、KM-）對地絕緣狀況，絕緣監測從機用于監測直流饋線接地情況，絕緣漏電流CT用于檢測支路對地絕緣下降時的漏電流，一個從機可以接入多個CT，多個從機通過RS485總線向主機傳送數據。當主機監測到直流母線存在絕緣下降時，讓所有從機啟動選線工作，若發現負載1所在的饋線支路存在接地情況，但由于饋線比較長，需要進一步定位故障點。若絕緣從機A有報警，而絕緣從機B沒報警，則說明是在A、B之間出現了接地故障。對于很長的饋線電纜，可以分段安裝多個絕緣從機，從而根據是哪兩個相鄰的從機報警情況來判斷接地點的范圍。

3 直流接地故障隔離系統

直流接地故障隔離系統技術方案如圖4：采用互為獨立的雙直流電源向用電單元供電，其一為常用電源，負責向直流系統全部用電單元供電，另一為隔離電源，處于熱備用狀態。每個饋線支路通過兩個開關分別接到常用電源和隔離電源，若需要實現自動隔離功能，那么每個開關還要配備帶分合閘功能的電操。當絕緣監測裝置檢測到系統中一個或多個饋線支路發生故障時，可以手動或通過控制電操將故障支路從常用電源切換到隔離電源供電。切換過程中，用電單元不斷電，同一時刻只允許一條支路進行切換，避免了因故障支路帶病工作而影響到正常支路的安全運行。將故障支路隔離開來后，若原有直流電源中的絕緣故障復歸，說明已經將絕緣接地點從直流系統中隔開，然后再逐步查找具體的故障接地點，待完全排除后再把該饋線支路重新投入到原有的直流系統中，從而完成了“絕緣故障報警”、“故障隔離”、“故障定位查找和排除”、“系統恢復”的過程。

由于隔離電源只是在發生絕緣接地后作為臨時備用電源，因此選用比常用電源容量小得多的獨立直流電源即可。但不能只采用一兩個常規的整流模塊，因為存在交流停電的風險（雖然概率不大），仍然需要有蓄電池作為后備。鑒于串聯型蓄電池組至少要9節12V（對110V直流電源系統）或18節12V（對于220V直流電源系統）電池單體串聯，電池所占空間較大，且接線數量多，因此推薦采樣并聯型電源，只需用3節12V電池即可，一個12V電池搭配一個DC/DC升壓模塊，該模塊可以自動對搭配的電池進行充放電管理，如圖（圖5為電氣圖，圖6為屏柜布局圖）。

4 技術難點和應對措施

4.1 長饋線支路電纜溝內絕緣監測從機取電問題

在直流接地故障分級定位方案中，對于長的直流饋線，由于在電纜溝內無法取電（不能剝開直流電纜取電），絕緣監測從機可以考慮用內嵌的小容量電池（干電池或鋰電池）供電，平常工作時處于休眠狀態，功耗極低，只有在絕緣監測主機下發選線命令時才啟動工作，因而可以延長供電時間。

4.2 將故障支路切換到隔離電源如何做到無縫切換且不會帶來沖擊

直流接地故障隔離系統技術方案中，當絕緣監測裝置檢測到系統中某個饋線支路發生故障時，可以手動或通過控制電操將故障支路從常用電源切換到隔離電源供電。但是在切換過程中，為了保證支路負載不斷電，必須先合上隔離電源的開關，再斷開常用電源的開關，這樣兩路本來獨立的電源就存在短時并聯。以220V直流系統為例，常用電源平時的母線電壓一般為234V（電池組浮充），而備用的隔離電源電壓一般為220V，兩者之間有14V的電壓差。為了避免短時并聯造成的沖擊，可以先通過直流監控將備用隔離電源的電壓調整為直流系統（常用電源）的電壓，然后合上備用隔離電源開關，再斷開與現有直流系統的接地故障支路開關。

4.3 在現有饋線屏的開關上增加自動分合閘操作機構

直流接地故障隔離系統技術方案應用于直流系統改造，若想在饋線屏的所有開關都增加自動分合閘操作機構，由于現有饋線屏空間不足，改造工作量也大，因此實施起來比較困難。這種情況考慮挑選幾個饋線支路進行改造，或者原有饋線屏基本不動，選擇在新的備用電源屏中增加自動分合閘操作機構，并將相應的電纜連到原屏中對應的饋線支路開關。

5 結束語

本文所述的直流電源接地故障分級定位和隔離系統，能夠給實際運行的變電站直流系統帶來運維的便利。對于多級開關組成的直流系統，或者長的直流饋線支路，可以方便定位直流接地故障。不用拉回路，不用便攜式接地探測儀逐段排查，解決了維護人員最為頭疼的直流系統絕緣接地查找定位問題，安全又省事！此外還能實現直流接地故障支路的手動或自動隔離，避免了在排查接地故障的過程中整個直流系統“帶病”運行，消除了某一支路絕緣下降對其它負載的影響，提高了直流系統供電可靠性，以免造成保護設備、開關的誤動或拒動的問題。

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