水電廠直流系統接地故障檢測技術的探索與研究

唐杰，羅謙

(1.南方電網調峰調頻發電有限公司西部檢修試驗分公司，貴州 興義 562400；2.中國南方電網超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400)

1 引言

對于直流電源系統來說，主要包括了蓄電池、監控裝置、充電裝置以及控制保護電路等，各個元器件按照特定的方式組合在一起，形成一個獨立的系統，為水力發電機組、繼電保護裝置、測量裝置、UPS電源系統等提供可靠、穩定的控制電源[1-2]。直流電源系統的正極和負極對地之間，都應當處于絕緣狀態，其中任何一點接地都不會對直流電源系統的正常運行產生影響[3]；如果出現兩點或兩點以上接地，則會引發正極與負極之間的短路，此時會導致一系列的異常情況[4]。

2 直流系統接地故障

2.1 直流系統特點

(1)分支復雜:直流電源系統的受供設備及受供回路復雜；

(2)具有明確的正極和負極；

(3)不存在真正的“地”位置，“地”近似于中性點；

(4)“正極”或“負極”與“地”之間的絕緣電阻值過小，則認定直流系統接地。

2.2 接地故障分類及特點

直流電源系統接地故障分類如圖1所示。其中，除了單點接地之外，其他類型的接地都能夠觸發故障保護動作，一旦出現單點接地故障，必須進行故障診斷，并進行處理，防止故障擴大為其他類型的接地故障[5-6]。

圖1 接地故障分類

單點接地總會存在一定阻值的接地電阻，當接地電阻小于20kΩ時，接地電阻檢測裝置會發出警報，并給出故障大致位置，如果支路為獨立支路，直接報警即可，如果支路為復雜支路則需要相關儀器進行進一步探查[7-8]。

多點接地的接地電阻值較高，由于多個并聯支路同時發生接地，會降低整個直流電源系統的對地電阻，從而檢測到接地故障發出警報。不宜采用拉開支路的方法查找，也不宜采用儀器，這樣容易引入干擾造成誤診斷。由于多發生于雨季或電纜受潮情況，可以通過絕緣檢測儀逐一確認支路狀態[9]。

直流電源系統環網運行，即兩段直流系統的“正”極或“負”極串接，引發直流系統的電壓異常，一旦觸發故障，會引起全電廠直流電源系統崩潰，后果嚴重[10]。這種運行工況一般不會觸發故障，也不便于判定。可以對兩段直流系統“正”極對“地”的電壓差進行檢測，一旦兩者的電壓差小于一定的閾值，則發出報警信號[11]。

2.3 接地故障危害分析

以圖2為例，分析接地故障危害，分兩種情況進行討論(單點接地不觸發故障，下述都為兩點接地情況)。

(一)“正”極接地情況:

對于斷路器而言，其跳閘線圈所接的電源通常都是“負”極，如果出現“正”極接地，則會引起斷路器誤動作，如圖2中所示，點A和點B同時接地等價于點A和點B直接連接，則跳閘線圈KM通電，斷路器動作點；A和點C、A和點D分析原理同上。

(二)“負”極接地情況:

如圖2所示，點B和點E同時接地等價于點B和點E直接連接，則跳閘線圈KM被短路，如果此時設備出現故障，保護機制會觸發，但是此時跳閘線圈KM由于被短路，失去保護作用，斷路器無法接收到動作命令，跳閘失敗。

圖2 接地危害分析

3 接地故障檢測方法

直流電源系統中普遍都配置有直流絕緣檢測儀，對系統的各個支路狀態進行監測。直流絕緣檢測儀的基本工作原理分為兩種，即注入信號和不注入信號[12-13]。注入信號式是指通過絕緣監測儀器向直流電源系統中注入交變的電流信號，然后通過鉗形電流互感器對這個交變信號進行檢測，從而確定具體的接地位置；不注入信號式是基于發生接地時，正極和負極的電流信號差值進行判斷，確定具體的接地位置，其實現前提是要求正極和負極相距很近，便于對信號進行捕獲[14]。

抗分布電容式直流絕緣檢測儀由便攜式信號源、手持器、鉗子組成，其基本原理是在接地母線或接地分支線于地之間注入一個低頻的交變電流信號，該交變電流信號流向接地位置，然后采用連接在手持器上的鉗子順著電流信號的流向對該電流信號進行檢測，該電流信號消失的位置就是接地點。這種設備能夠對直流電源系統的任意接地點進行探查，兩段直流電源系統的誤接并聯運行點都是可以探測到的。智能型直流絕緣檢測儀，是基于平衡電橋原理實現對接地故障的檢測，再結合支路探測器能夠快速定位接地點。

當確認直流電源系統發生接地故障的時候，第一步要先通過上級管理部門通知作業部門全面停止作業，尤其是涉及到直流電源系統的相關作業任務要保持停止作業前的狀態，便于對接地故障進行查找。進行故障查找的時候要對各個相關的作業面進行深入檢查，如果可以執行拉閘操作進行隔離檢查的，則即刻執行該操作，并進行檢查；如果無法判斷的則只能通過檢測儀器進行探查，采用萬用表探查時，要注意其正確的使用方式，不可以隨意使用歐姆檔位，避免探查的時候引發多點接地。

進行直流系統接地故障探查的基本原則是:先對故障進行判斷，確定后進行處理；先進行信號部分的操作，在進行操作部分；先進行室外探查，在進行室內探查。故障的探查主要包括了支路斷開法和儀器儀表探查法。

支路斷開法就是通過對支路進行逐一斷開操作，逐個判斷，最終確定故障位置。這種檢測方法對于普通的回路或設備簡單有效，先通過在線絕緣檢測裝置初步判斷故障支路，再通過斷開該支路或下一級支路的方式進行檢查，如果斷開其中一條支路后接地故障消失，則可以認定為該支路出現接地故障；對于重要支路或設備，必須先將負荷進行轉移，然后再執行探查操作。

在支路復雜且重要程度高的情況下，則必須通過直流絕緣檢測儀器進行探查。這種接地故障探查方式屬于在線探查。直流絕緣檢測儀的工作原理如圖3所示。

圖3 直流絕緣檢測儀

信號注入裝置的正極和負極同時接線，對直流電源系統的正極和負極同時進行測量。注入交變的電流信號與接地點形成回路，對信號注入點和接地點之間的電壓、電流進行測量，通過歐姆定律得到接地電阻的阻值。

同時還可以串入交流信號的接地故障進行探查。信號注入裝置在接入后，向直流電源注入信號，會自動計算直流電源系統是否存在接地故障，如果存在接地故障，則通過手持的CT裝置對下一級支路進行查找，直至手持CT裝置發出報警，確認對應支路接地。

直流漏電流法是基于檢測直流系統的支路對地漏電流不平衡來實現接地判斷，但是漏電流一般很小不便于檢測，故導致該方法的靈敏度和精度較低。針對這一問題出現了動態差值法。該方法是對直流漏電流的升級，通過兩次投切電阻后獲得母線漏電流和絕緣電阻實現母線絕緣監測；通過獲得支路電壓變化量與漏電流變化量的比值來實現支路絕緣檢測。該方法能夠對直流電源系統進行在線檢測，完全不影響其運行，沒有檢測盲點，不受分布電容影響，能同時對多條支路進行檢測，并且消除零點漂移帶來的影響，具有較高的檢測精度。

4 結論

本文分析了水電廠直流電源系統的特點及運行方式，描述了直流電源系統的接地故障類型及故障特點，研究了例如支路斷開法、直流絕緣檢測儀探測法、動態差值法等多種接地故障的探測方法，針對于不同的接地故障都有與其相匹配的探測手段，這些探測手段、方法能夠快速有效的對多種類型接地故障進行診斷，判斷出故障的具體發生位置，采取必要的措施對故障進行處理，抑制接地故障的擴大化，縮小其影響范圍，保證直流電源系統的工作穩定性和可靠性。