變電站直流系統(tǒng)的故障分析及策略探討

祁晗

國網遼寧電力有限公司檢修分公司 遼寧 遼陽 111000

引言

現階段，在變電站中因直流電源系統(tǒng)的設計不科學、設備選型存在誤差，從而引發(fā)經常性的電力系統(tǒng)設施損壞、系統(tǒng)故障頻發(fā)、更甚者導致人員的傷亡等重大安全事故。假使變電站直流系統(tǒng)遇到突發(fā)故障時，相關的運行、檢修人員未能及時有效地發(fā)現問題，不能排除故障，甚至擴大了事故發(fā)生的范圍，如此一來，就會給電力系統(tǒng)和國家財產造成巨大的、不可挽回的經濟損失。故而當直流系統(tǒng)出現異常時，及時有效、科學合理地發(fā)現故障點并將其排除，是當下電力系統(tǒng)應該最先考慮并解決的問題。

1 直流系統(tǒng)主要的故障種類及危害

1.1 變電站直流系統(tǒng)接地的概念

通常情況下，在變電站內，直流系統(tǒng)大多采取浮充電的方式。屆時，直流電源的正、負母線分別對地絕緣，如何判定該直流系統(tǒng)是否存在接地故障時，應看其任一支路或母線的絕緣電阻是否能夠降低到某一整定值。如果答案肯定，則存在接地故障，反之，則不存在接地故障。一般情況下，直流系統(tǒng)內只發(fā)生一點接地故障并不會對正常運行帶來絲毫影響。但當該系統(tǒng)故障點變?yōu)閮牲c甚至是多點接地時，則會使變電站設備保護產生錯誤判斷，產生假象的異常情況，開關也會繼續(xù)誤判，自動誤跳閘或拒跳閘，從而造成運行過程中不可預知的嚴重后果。

1.2 變電站直流系統(tǒng)接地的危害

接地點對變電站直流系統(tǒng)造成危害的情況是指兩點或兩點以上，如果只有一點接地，那么對變電站直流系統(tǒng)不會造成直接的影響，但也應引起重視，及時找出故障點并消除故障[1]。如果掉以輕心，抱有僥幸心理，一旦變電站直流系統(tǒng)中新增一點接地，兩點接地聯合，那時對整個系統(tǒng)造成危害程度則是十分嚴重的。在變電站直流系統(tǒng)中發(fā)生斷路器的誤動現象時，可以斷定系統(tǒng)是在用正極接地，因為通常情況下跳閘線圈都是接在負極電源上。這里面所指的跳閘線圈包括出口中間的繼電器線圈、跳合閘線圈等。變電站直流系統(tǒng)回路中，存在系統(tǒng)接地異?；蚪^緣不良時，跳閘線圈就會出現問題，自主接在正、負兩極之間，此時如有電流通過繼電器的話，就會發(fā)生錯誤的自動保護現象。反過來，當變電站直流系統(tǒng)出現跳閘線圈短路的現象，同樣可以判定系統(tǒng)是在用負極接地，這時，會使斷路器產生拒動現象。綜上所述，針對變電站直流系統(tǒng)兩點接地的情況，基于問題所造成的危害，便需要在系統(tǒng)中設置對地絕緣檢測裝置，如此一來，當變電站直流系統(tǒng)一旦出現一點接地或對地絕緣嚴重降低的情況，對地絕緣檢測裝置便會立刻發(fā)出警示信號。與此同時，相關運行人員應把接地點盡快找出來，進行立即消除或隔離處理。

1.3 變電站直流環(huán)網的危害

變電站直流環(huán)網的運行異常，也是引起系統(tǒng)故障的因素之一。那么，何為變電站直流環(huán)網，大意是因為某種或某些原因，兩套完全獨立的直流系統(tǒng)意外出現了電氣連接的現象，造成變電站直流系統(tǒng)發(fā)生了異常的運行情況。因此，必須杜絕此現象的發(fā)生，并加以重視。

1.4 交流竄入直流的危害

一般情況下，變電站的直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)是兩個相互獨立的且互不干擾的系統(tǒng)。直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的區(qū)別就在于是否接地，直流系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，反之交流系統(tǒng)則為接地系統(tǒng)。所謂交流竄直流的概念就是說兩個系統(tǒng)發(fā)生了異常連接，即電氣連接。致使交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)誤連在一起，交流系統(tǒng)竄入直流系統(tǒng)，使本不該接地的直流系統(tǒng)產生了接地現象。這種現象一旦發(fā)生，便會造成系統(tǒng)的開關直接跳閘。舉個例子，若直流系統(tǒng)從負電源側竄入交流系統(tǒng)，因交流分量為零，當其通過直流路徑進入絕緣監(jiān)測裝置時，絕緣監(jiān)測裝置的檢測結果為“正、負兩極同時接地”的狀態(tài)。另一方面，交流電流可以自主通過電纜對地電容形成回路，造成斷路器直接跳閘的現象，即“無故障跳閘”。若直流系統(tǒng)從正電源側竄入交流，電纜對地電容和充電裝置濾波電容二者的相疊加，絕緣監(jiān)測裝置的檢測結果同樣會出現“正、負兩極同時接地”的狀態(tài)。相比之下，對于直流系統(tǒng)而言，負極電源竄入的容抗值要更大一些，故交流從負電源側竄入比從正電源側竄入造成“無故障跳閘”的風險要更高一些。

2 造成故障的原因

眾所周知，變電站直流系統(tǒng)本身有涉及面廣泛的特點，遇上復雜的系統(tǒng)便會出現問題，不能確保時時、處處都是正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)。然而，無論先進與否，任何系統(tǒng)的運行都會出現或多或少的故障問題，理想中的完美運行狀態(tài)是不符合實際情況的。所以說，變電站直流系統(tǒng)難免也會產生不同原因、不同程度的直流接地故障。而對變電站故障產生影響的因素大致可以分為環(huán)境因素和人為因素，這兩種因素會直接致使系統(tǒng)的防御能力降低。而且往往會因為一些很小的細節(jié)帶來不可逆的影響。

2.1 設備因素

設備本身必須有質量保證，技術水平過硬。如因出廠時檢測不達標，技術上有缺陷或者因長期使用造成損耗未及時更換，如變電站二次設備破損、絕緣老化等情況。再舉個例子，設備在采購時期未按照新標準進行，依照舊標準采購的設備在長期使用中會產生如絕緣性能下降的情況，這里只舉其一個故障隱患說明，任何情況也都可能發(fā)生。

2.2 外界因素

變電站的運行環(huán)境不可控，難免會遇到在各種環(huán)境下運行的情況?；谖覈鞯鼐唧w環(huán)境的不同，對于設備自身使用上也是一種考驗。而往往在設備設計之初，有些看似微小的問題未給出充分考慮，在系統(tǒng)實際運行中，便會出現故障問題。如特定情況下，在電力設備中會進入部分導電物質，這樣就會導致接地故障的發(fā)生。

2.3 人為操作因素

在變電站運行過程中，一旦操作人員沒有嚴格按照規(guī)章制度操作，長此以往，錯誤的操作習慣便會帶來隱患，從而造成故障的發(fā)生。例如，在電廠設備運行過程中，在沒有任何防護措施的前提下，備用芯隨意裸露的放置在鐵桿上，這都將成為接地故障的隱患。持續(xù)下去就會將小隱患變成大故障。

3 變電站直流系統(tǒng)故障的處理方法及策略

3.1 如何避免直流環(huán)網及處理方法

通常情況下，變電站直流電壓系統(tǒng)的兩組蓄電池都是相互獨立的。直流環(huán)網的特征如下：

①絕緣監(jiān)察裝置（兩套）發(fā)出的均為直流接地信號。②兩組直流系統(tǒng)分別為正極絕緣能力降低和負極絕緣能力降低，二者的對地電壓絕對值相接近，通常均不為零。③當找到接地支路，隨意拉開任一組直流開關后，二者的直流系統(tǒng)接地現象會同步消失。

3.2 如何避免交流竄入直流

根據多年的經驗，國網公司總結出十八項反事故措施，減少交流竄入直流最有效的方法便是嚴格遵守其事故措施中的設計要求及規(guī)定。

變電站直流系統(tǒng)的饋出網絡嚴格禁止采用環(huán)狀的供電方式，而應采用輻射狀的供電方式。對于直流系統(tǒng)而言，其電纜應采用阻燃電纜，兩組蓄電池的電纜盡量避免與交流電纜并排鋪設，應各自獨立的鋪設在通道內。與此同時，兩組蓄電池電纜應加穿金屬套管，防止在穿越電纜豎井時發(fā)生斷裂的問題。并且控制電纜在交、直流回路中不允許共同使用一根電纜。現場交、直流的端子箱不能混裝，機構箱內的交、直流接線需在同一段路徑或串端子排上。

如有新建或改造的變電所，必須裝有直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，并且具備交流竄直流故障的測記和報警等功能。如此，才能及時監(jiān)測到交流竄入直流的情況，并第一時間進行處理。

3.3 直流系統(tǒng)故障的策略

當變電站直流系統(tǒng)被絕緣監(jiān)測裝置給出告警信號時，應及時到繼保室查明情況，對直流系統(tǒng)的+KM（正控母）、-KM（負控母）、對地電阻、電壓重點關注[2]。并以此判定故障類別，如直流接地類故障、蓄電池過壓、欠壓類故障又或是充電機故障等。如果絕緣監(jiān)測裝置面板出現了電壓、電阻降低等信息，即可知是直流系統(tǒng)出現了接地故障。此判斷僅做初判，因為電壓、電阻降低還有可能是其他問題導致的，如傳感器故障、保險熔斷、節(jié)點松動抑或是絕緣監(jiān)測儀故障等。所以，當裝置面板上出現母線對地電阻、電壓降低等情況時，還需要進行更深入的判斷。通常選用的方法是利用萬用表直接測量變電站直流系統(tǒng)主接線母線與另外一、兩條饋線支路的電壓。如果測得的結果仍然是電壓降低，則可準確判定該站存在絕緣接地故障。反之，就可能是信號節(jié)點或絕緣監(jiān)測裝置的問題。

一旦對變電站的故障問題得出判定后，如變電站確實存在直流系統(tǒng)接地故障，應立刻找出接地故障點，力求用最短的時間將故障盡快排除。就目前的情況來看，變電站相關工作人員應采取以下策略[3]：第一，利用絕緣監(jiān)測裝置的“支路查找”功能測查饋線支路的故障點。在得出故障支路的號碼后，找出支路號碼所對應的下級設備，進行深入查找；第二，如遇見饋線支路故障的下級負荷較少的情況時，則可用萬用表法，將其有序的斷開一些可能性的節(jié)點（戶外設備的機構箱、直流電纜），進而確定故障點；第三，如上述第一點無法分析出支路故障，則需相關人員立即到變電站現場進行查找。天氣條件如果允許的情況下，變電站相關人員應到戶外檢查刀閘機構箱等進水的設備，核實故障點；第四，繼保人員抵達現場后，首先應對變電站直流系統(tǒng)的圖紙進行核對，了解系統(tǒng)的整體情況。這其中的關鍵點在于直流負荷是否參與環(huán)網供電，或者有無寄生回路等問題；第五，上述操作確定故障點后，接下來的工作就是對故障點進行消缺。舉個例子，如機構進水，則對其進行排水并加熱風干，更換該機構箱的防水膠圈；如果是直流電纜破損，則需更換電纜。第六，當故障點清除后，需重新查看絕緣監(jiān)測裝置的母線對地電壓、電阻是否已經控制在合格的范圍內。如果恢復正常值，說明故障已消除。如果仍未恢復，則說明還存在其他故障點，進而需要重復上述環(huán)節(jié)，直到變電站直流系統(tǒng)母線電壓恢復到合格范圍內為止。

4 結束語

雖然科技不斷發(fā)展，變電站設備的更新換代、絕緣監(jiān)測裝置的優(yōu)化升級，直流系統(tǒng)故障仍然頻頻發(fā)生，眾所周知，變電站直流系統(tǒng)故障對整個系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行有著極大的危害。這就需要運維人員具備足夠的經驗，過硬的專業(yè)技術水平和及時排除故障的能力，遇事不亂，有條不紊，熟練掌握變電站直流系統(tǒng)的結構原理，同時企業(yè)應加強運維人員對系統(tǒng)故障的分析與應對水平,如此一來，才能更有效地提高變電站直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，保障電網的安全穩(wěn)定運行。