直流系統接地故障查找方法及其優缺點分析

中國鐵路青藏集團有限公司 李 巖 唐金勝 蘭州基時智造電源有限公司 黃智遠

直流系統是繼電保護、自動裝置、遙控電源、操作回路、信號回路、微機以及五防系統的直流供電電源，包括交流充電裝置、饋電屏、蓄電池組、電池巡檢裝置、監控單元和絕緣監測等。直流系統的故障主要是饋線屏后所帶的各支路負荷間的相互影響造成的，即饋線屏后端出現故障是導致保護拒動和誤動的根源，接地故障是最常見的故障類型。絕緣降低故障主要體現在正極或負極絕緣降低，若不及時處理有可能發展成金屬接地。交流竄入直流系統，由于直流回路是正負極對地絕緣系統，而交流回路是接地系統，若發生混線勢必會造成直流接地。

在電力二次系統構建過程中，直流系統是其結構重要的構成因素，對繼保、運行及通訊設施等安全性能和穩定性方面具有關鍵的影響作用，因此其發展情況受到了國內外相關人員的廣泛重視[1]。電網在現實運行階段，直流系統對保護設施的誤動和拒動具有一定的影響效果，對電網安全運行起到了決定性作用。

1 接地故障發生原因及危害

1.1 產生的原因

在發生接地故障中，發生較為頻發的故障主要是端子排具有污濁、不具備良好的干燥性以及絕緣發生損壞，電纜的彎曲處或通過金屬位置過程中接地故障極易發生，倘若備用的電纜芯并沒有給予絕緣處理同樣會導致接地情況發生。本文其進行了總結列舉了四個層面：線路由于長時間的運行而發生絕緣老化，此種情況會導致漏電接地現象[2]；由于周邊環境不具備良好的干燥性，端子排上灰塵等異物而導致接地現象發生；由于不同因素的干擾線路自身質量問題而發生損壞導致接地現象；由于工作人員工作中的失誤導致接線出現錯誤從而導致接地現象發生。

1.2 直流接地的危害性

在鐵路用電系統總控制室中，控制室內外都配置有微機控制保護設施，而此些設施的正常運行都需要直流電源給予提供穩定的電量，倘若直流接地故障較輕對設施的運行不會產生過大的干擾，對于二次回路而言同樣不會導致相關事故的發生[3]。可是發生兩點接地情況便會對二次回路產生較大的影響，若發生正極兩點接地情況會極易導致開關按鈕和接觸器出現短路現象，進而促使開關出現跳閘。若正負極兩點發生接地極易導致跳閘線圈發生短接現象，在系統出現故障問題過程中，跳閘線圈會發生停止運動，促使開關不能實現跳閘進而使故障不斷的擴張。倘若使正負極發生接地故障時，會導致保險被熔斷而直流設施發生斷電。因此一旦直流系統出現接地預警情，為確保設施正常運行以及防止重大事故的產生，應對根據預警對故障進行及時的排查和處理。

倘若直流正極發生接地現象，保護設備和自動設備則極易發生誤動[4]。主要是由于負極和大多數斷路器的閘線圈及繼電器線圈之間連接，倘若回路中另外一端出現接地現象，對保護設施極易發生誤觸。若直流負極發生接地現象自動裝備和保護裝備會停止運轉。由于負極接地發生后，假如回路中另外一端同樣出現接地情況，兩處的接地點相當于將斷路器中的分合閘線圈和繼電器保護線圈直接短接，促使保護設施不能正常運行。若此種情況沒有得到及時控制，會使較大的短路電流將直流電源的保險絲熔斷，最終導致每個設施的連接點被短路電流燒斷，導致直流系統不能正常運行而出現的癱瘓情況。

2 查找直流系統接地故障的方法及其優缺點

2.1 拉回路法

拉回路法是直流接地故障排查過程中常用的措施，其使用步驟為：結合回路的重點方面，將每個回路的直流電源給予關閉，將回路電進行逐個查找，并確保每次回路失電時間在三秒以內。此種方式的實質在于對接地預警有無停止進而將接地點范疇予以縮小[5]。此種方式在操作便捷并向自動化方向發展，直流系統在其發揮的效用不容小視，此種檢驗方式對其他系統運行會具有影響性。更加重要的是，由于目前需求日益提高，二次系統設計具有復雜性，對部分電場而言二次回路具有復雜、互相干擾、不易辨別等特點，部分還會發生閉環回路不同于正常回路，此種情況增加了拉回路排查接地問題的難度。

2.2 信號注入法

屬于直流系統接地故障的選線裝備，工作步驟為：將直流系統中每個支路上配置具有反饋檢查信號的電流互感設備，將傳輸收集到的反饋信號給予編號處理，其同接地檢查設備呈現的編號相互對應，使各個支路中的互感設備對電流信號進行實施檢測和反饋，并傳輸給直流地選線裝備、進而對反饋數據進行分析和判斷，若信號出現異常現象，接地檢測設備便可將相應的支路予以顯示，進而使工作人員對出現故障的支路進行快速的確定[6]。以下對兩種信號注入法進行講述。

第一種為低頻信號注入法（圖1），其排查直流接地步驟為：當直流母線電橋對接地故障檢查到后，低頻信號會由信號發生傳輸到分支回路中，如此對應的支路自身的反饋信號便可由電路互感器獲取，并對該信號變化特點給予分析，便可將接地故障具體部位進行準確判斷[7]。當電流互感器在檢測過程中每條線路和設施都會給予細致的檢查，不會發生遺漏現象，而工作者對每個支路反饋信號進行及時的收集，一旦發現回路內部中的低頻電流信號出現異常波動情況，便可對此處出現接地現象給予初步確定。此種注入法的核心是計算機反饋電流，依賴于直流系統電壓的穩定性，因此可導入一個觀念即瞬時I-R邊際替換率：

圖1 低頻信號注入法運行圖

對于瞬時邊際替換率，其臨界值體現出一定的特殊性，等同于整定值，當電壓有所差異時系統數值也存在一定差異性，m為該點斜率的絕對值，如直流系統支路并未接地，那么全部支路的瞬時邊際替換率將在m以上；如果某一支路處在接地的范圍內，此點的瞬時邊際替換率的值將在m以下，所以此方法對不同系統均具有適用性，能夠對接地支路產生明確認知[8]。

變頻信號注入法。此種方法同低頻信號注入法使用原理相似，各支路上的發射幅穩定而頻率時變的信號，對互感器收集的電流幅值給予計算，便可獲取到各條分支回路中的阻性電流。其同低頻信號注入法的區別在于變頻信號輸入法應用頻率替換變化中的低頻信號為檢查信號。通過此可看出，信號注入法可將拉回路法中存在的不足予以彌補，對故障發生電進行檢測過程中不需對每個回路進行逐個排查，確保系統運行穩定性和安全性，在將電流互感器當做檢測設備的基礎上完成了線上的實時監測，當故障發生時檢測設備便可迅速的將故障支路給予針對性的提示，從而使排查故障和處理故障的時間得到有效的降低。

但是信號注入法同時也存在一些不足，因此電力系統通常會保持在穩定的狀態下，而此種方式會貿然的向各個工作支路發送檢測信號，此種方式會對沒有發生故障運行正常的支路造成一定的影響，尤其是對工作精度要求較高的電路和設施的影響會更大[9]。信號注入法對故障查找較為迅速，但僅能具體到某條支路，對出現接地故障的準確位置還需對此支路給予細致的排查和檢測。若電容配置具有密集性的電路，注入信號以后獲得到的反饋信號通常會摻雜較多的干擾信號（圖2），此種情況的存在會導致檢測發生錯誤。

圖2 互感器反饋的原始信號

信號注入法的優勢填補了平衡電橋在線檢測的基礎上細化到各條支路上，對各條支路的詳細狀態予以掌控。但此種方法由于不具備精準的準確性能、抗干擾能力不高及電路狀況復雜等情況，其使用具備一定的制約性。

2.3 便攜式直流接地查找裝置定位法

當直流系統接地故障出現后，通常使用便捷式直流接地故障查找設備對地接位置進行排查。此中方式工作原理同信號注入法相近，最大的區別在于其方便攜帶，使現場排查具有便利性。此種設備在對故障位置進行排查過程中，不需將回路電源進行關閉，同信號注入法對比可把故障范疇極大程度給予縮小，并將故障發生位置給予準確確定，給工作人員故障排查提供了極大幫助。在電路較為復雜或設施數量過多情況下，此裝置的便捷性和故障查找的快速性尤為突出[10]。

可是在具體故障中，當直流系統出現接地現象時，有可能會通過過渡電阻的情況發生，因為電阻中限流的影響，導致發生故障的支路低頻信號電流發生降低，此種情況給故障支路查找增加了難度。在多少情況下出現的接地故障通常是由于發生絕緣異常、但是過渡電阻均通過了該些接地，在該種情況下便攜式直流系統接地故障查找裝置的局限性被凸顯出來。

3 故障查找中的注意事項

在接地故障排查階段，應確保設施和工作人員的安全性，因此在接地故障排查過程中應注意以下幾點[11]。

若直流系統出現單點接地故障的情況下，不可在二次回路上進行工作；倘若需用拉回路法，將直流電源進行停止時，首先要獲得調度工作人員允許，并確保斷電時間不能超過三秒鐘，操作要具有快速性，防止失去保護電源；為進一步降低誤判的發生幾率，在對地接故障進行判斷時，應結合信號、光字牌等多個層面給予整體的分析和判斷，確保判斷的準確性；在進行故障查找過程中應避開電負荷峰值期；在對故障進行排查過程中應避免短路和另一端接地的發生，防止跳閘情況；在進行接地故障查找時，應根據設施的接線圖紙進行正確的操作，盡量降低端子誤拆和恢復線路錯接的情況發生，在拆線過程中應將線路進行標記。

在故障排查過程中，使用的儀器表的內阻在2000Ω/V以上；排除故障過程中，需要確保兩人以上在場，不但能夠進行安全監管，同時可防止觸電事故發生，保障安全[12]；為有效規避出現保護誤操作，除必要情況外，只有排除可能出現誤操作保護后方可對順斷操作電源實施操作，操作電源恢復正常情況時可重新投入保護；嚴禁在主流系統出現接地故障之后通過燈泡照明的方式尋找接地點，以避免造成直流回路出現短路情況。