廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置研究及應用

廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局 黃偉豪 肖 星 盧泳茵 溫云龍 邱天怡 羅海鑫 林 蔚

廠站用直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站內(nèi)二次設備的重要供電系統(tǒng)，其為站內(nèi)的繼電保護、控制、信號、計算機監(jiān)控、事故照明等直流負荷提供可靠的直流電源保障。廠站用直流電源系統(tǒng)的正常運行對電力系統(tǒng)設備安全有著重要作用，若直流電源發(fā)生故障，將可能導致變電站繼電保護裝置、安自裝置等拒動或誤動，使變電站一次設備失去可靠的保護。廠站用直流電源系統(tǒng)的常見故障包括直流系統(tǒng)接地和交流竄入等。由于交流系統(tǒng)為接地系統(tǒng)，當交流電竄入直流系統(tǒng)時也將引起直流回路接地，從而導致保護裝置、電力設備異常動作。

為更好地實現(xiàn)變電站直流電源系統(tǒng)運行情況的檢測，現(xiàn)站內(nèi)采用直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置對直流電源系統(tǒng)進行接地故障監(jiān)測。該裝置可檢測直流母線的對地電阻，在直流電源系統(tǒng)發(fā)生接地故障時發(fā)出報警信息，以便運維人員及時發(fā)現(xiàn)并進行消缺。在對廠站用直流電源系統(tǒng)檢修試驗時，為保證直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的可靠性，需對該裝置的直流系統(tǒng)接地報警功能進行校驗，確保直流母線絕緣監(jiān)察裝置功能及其信號回路完好。目前進行直流電源系統(tǒng)接地試驗的常用方法為可調(diào)電阻或直接接地方法，但該方法存在引起保護裝置誤動或拒動的風險。

1 直流電源系統(tǒng)接地試驗常用方案風險點分析

在進行廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗時，需將試驗裝置接于正母線（+KM）或負母線（-KM）與地之間，當試驗裝置電阻值小于直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置設定的告警值時，裝置即發(fā)出“直流接地”告警。針對直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測功能驗證，市面上有直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置校驗儀器，可用于測試直流電源系統(tǒng)接地告警功能。然而該校驗儀器價格昂貴、維護費用高且其攜帶不便，不利于現(xiàn)場試驗工作的開展。

目前廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗普遍采用可調(diào)電阻或直接接地方法，但若現(xiàn)場檢修人員使用可調(diào)電阻時不慎將電阻值調(diào)至過小或使用試驗接線直接接地，會造成直流電源系統(tǒng)接地。一般情況下直流電源系統(tǒng)一點接地并不會造成保護誤動或拒動，但如需檢驗的直流電源系統(tǒng)已存在一點接地，則會造成直流電源系統(tǒng)兩點接地，嚴重影響二次設備的可靠性。若直流電源系統(tǒng)的對地電容較大，繼電器、跳閘線圈等二次設備將可能與對地電容形成回路，從而造成二次設備誤動或拒動[1]。此外，采用可調(diào)電阻或直接接地方法也存在接線復雜、帶電部位外露的問題，可能導致人身觸電，對作業(yè)人員的人身安全造成一定威脅。

2 基于平衡橋探測的直流電源系統(tǒng)接地檢測原理

直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置檢測直流接地故障的原理主要為平衡電橋法[2]、不平衡電橋法[3]、直流漏電流法[4]、交流小信號注入法[5]。目前在廠站用直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測裝置主要根據(jù)平衡電橋法的原理設計。如圖1所示，V為直流電壓表，KS為電壓信號繼電器，R1、R2為直流絕緣監(jiān)測裝置內(nèi)的等值電阻，R1=R2，R3為正極接地電阻，R4為負極接地電阻。O點電壓UV推導見公式：

圖1 平衡電橋法原理圖

式中U為充電機輸出電壓，一般為110V或220V。在直流電源系統(tǒng)正常運行時，該系統(tǒng)經(jīng)高阻接地，R3、R4的值趨于無窮大，即R3=R4，此時正負母線電壓分別為充電機輸出電壓的一半。根據(jù)平衡電橋原理，等值電阻R1、R2與直流母線對地的正負母線對地電阻R3、R4形成平衡電橋，各電阻構(gòu)成的關系為R1R4=R2R3，由此可見，在直流電源系統(tǒng)正常運行時O點電壓UV=0，直流電源系統(tǒng)絕緣良好。假設站用直流電源系統(tǒng)發(fā)生一點接地，電橋平衡被破壞，R3≠R4，即R1R4≠R2R3，此時O點電壓UV≠0，電壓信號繼電器勵磁，直流絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出“直流接地”報警信號。

3 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置關鍵技術

3.1 一體化集成封裝技術

為提高廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗的安全性，保障作業(yè)人員的人身安全，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置采用一體化集成封裝，將電氣部分封裝于絕緣外殼內(nèi)，安全便攜（圖2）。該裝置采用一體化設計，外觀簡潔直觀、體積小、重量輕。與目前常使用的可調(diào)電阻接地試驗方法相比，作業(yè)人員不需攜帶4個可調(diào)電阻即可完成廠站DC220V/110V兩種電壓等級的直流電源系統(tǒng)對地絕緣檢測試驗，且裝置可放置于工具箱/包或儀表盒內(nèi)，攜帶方便、易于保管。

圖2 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置實物圖

此外，裝置使用絕緣外殼將接線插孔、試驗按鈕、電壓等級選擇開關、接地電阻值選擇開關和四個不同阻值的試驗電阻等帶電部位集成封裝，試驗接線采用帶絕緣封包的鱷魚夾，可有效防范試驗人員接觸帶電部位防止人身觸電事故發(fā)生，確保試驗操作安全可靠。

3.2 電壓等級檔位可選擇技術

目前廠站用直流電源系統(tǒng)額定電壓等級主要有220V和110V兩種電壓等級，為提高裝置的應用范圍，本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置配置了電壓等級選擇開關，適用于廠站不同電壓等級的直流電源系統(tǒng)對地絕緣檢測試驗，在進行對地絕緣檢測試驗時，根據(jù)直流電源系統(tǒng)的電壓等級在裝置操作面板上將電壓等級選擇開關切換至對應電壓檔位，即可開展相應電壓等級的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測試驗。

圖3為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置原理圖，在進行對地絕緣檢測試驗時根據(jù)直流電源系統(tǒng)的電壓等級在裝置操作面板上將電壓等級選擇開關SA1切換至對應電壓檔位，即可開展相應電壓等級的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測試驗。將SA1切換至110V時，接點9-10接通，可進行110V直流電源系統(tǒng)接地試驗；將電壓等級選擇開關SA1切換至220V時，接點9-11接通，可進行220V直流電源系統(tǒng)接地試驗。

圖3 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置原理圖

3.3 試驗電阻值檔位可選擇技術

本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置配置了接地電阻值選擇開關SA2，由圖3可知，SA2有4對接點，將開關切換至0.95倍選項，接點①-②、⑤-⑥導通，分別接通110V、220V的0.95倍直流電源系統(tǒng)對地絕緣測試回路；將SA2切換至0.95倍選項，接點③-④、⑦-⑧導通，分別接通110V、220V的1.05倍直流電源系統(tǒng)對地絕緣測試回路，此時根據(jù)電壓等級選擇開關SA1的檔位選擇即可進行相應電壓等級的接地試驗。在進行對地絕緣檢測試驗時將接地電阻值選擇開關SA2切換至對應0.95倍或1.05倍對地絕緣告警電阻定值的接地電阻，即可開展相應的直流電源系統(tǒng)絕緣檢測試驗項目。

在試驗回路中，裝置集成應用了四個電阻R1、R2、R3、R4，其中，R1、R2分別對應0.95倍、1.05倍的110V直流電源系統(tǒng)對地絕緣告警電阻定值，R3、R4分別對應0.95倍、1.05倍的220V直流電源系統(tǒng)對地絕緣告警電阻定值。R1、R2、R3、R4的阻值設置可根據(jù)具體的規(guī)范要求和定值設定。上述四個電阻值的選擇，可有效檢驗對應電壓等級直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的對地絕緣可靠告警和可靠不告警功能，保證“直流絕緣異常”異常信號能可靠發(fā)出同時不造成保護誤動或拒動。

3.4 一鍵啟停試驗按鈕

為保證廠站用直流電源系統(tǒng)對地絕緣檢測試驗可靠安全進行，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗選用了自鎖試驗按鈕SB，按下后即可保持試驗狀態(tài)，用于啟停試驗，可一鍵啟停對地絕緣檢測試驗。根據(jù)廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置原理，當試驗回路處于斷開狀態(tài)時按下自鎖試驗按鈕SB，該試驗按鈕SB保持導通，試驗回路接通；再按下自鎖試驗按鈕SB，試驗按鈕SB斷開，試驗回路斷開。

進行試驗時，可先根據(jù)電壓等級將電壓等級選擇開關SA1選至相應電壓檔位，再選擇對應0.95倍或1.05倍對地絕緣告警電阻定值的接地電阻，最后按下自鎖試驗按鈕SB即可接通試驗回路，開始對地絕緣檢測試驗，試驗結(jié)束后再次按下試驗按鈕SB即可斷開試驗回路，結(jié)束試驗，整體試驗操作簡單快捷。

4 現(xiàn)場應用情況分析

根據(jù)中國南方電網(wǎng)公司發(fā)布的《變電站直流電源系統(tǒng)技術規(guī)范》，110V、220V直流電源系統(tǒng)接地電阻告警值分別為15kΩ、25kΩ。基于此，對于南網(wǎng)標準的廠站用直流電源系統(tǒng)，廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置電阻R1、R2、R3、R4分別為14.25kΩ、15.75kΩ、23.75kΩ及26.25kΩ，表1為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置電阻值配置及對應的接地試驗結(jié)果表。

表1 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置電阻值配置

以進行廠站用110V直流電源系統(tǒng)正母線0.95倍對地絕緣檢測試驗為例，進行接地試驗時，需將廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置使用鱷魚夾接于直流正母線與地之間，先將電壓等級選擇開關SA1選至110V，再將接地電阻值選擇開關SA2選至0.95倍對地絕緣告警電阻定值的接地電阻，最后按下自鎖試驗按鈕SB接通試驗回路，此時R1電阻回路接通，可檢驗直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的對地絕緣可靠告警功能；試驗結(jié)束后再次按下試驗按鈕SB即可斷開試驗回路、結(jié)束試驗。圖4為廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置應用示意圖，圖中KM為正母線，KN為負母線，V為直流電壓表，KS為電壓信號繼電器，R1、R2為等值電阻，R3為負極接地電阻、R4為正極接地電阻。

圖4 廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置應用示意圖

綜上，本文提出的廠站用直流電源系統(tǒng)接地試驗裝置適用于廠站用直流電源系統(tǒng)對地絕緣檢測試驗的工作需求，已于2019年8月開始應用于中山供電局123座變電站共246套直流電源系統(tǒng)的對地絕緣檢測試驗，至今應用情況良好。表明該裝置可確保不會引起保護誤動或拒動情況發(fā)生，具有適用性廣、操作簡捷、攜帶方便、安全可靠等特點，提高了設備檢修運維水平，為保障電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定提供了有力支持。