直流系統環路及絕緣故障診斷系統的探究

黃東山,周 衛,楊理才,陳 銘,徐玉鳳

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧，530001；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東廣州，511430）

直流系統環路及絕緣故障診斷系統的探究

黃東山1,周 衛1,楊理才1,陳 銘1,徐玉鳳2

（1.廣西電網公司電力科學研究院，廣西南寧，530001；2.廣州市仟順電子設備有限公司，廣東廣州，511430）

目前，在直流電源系統中常發生的故障類型主要有接地故障、交流竄入故障、兩套直流系統環路竄電故障。本文重點是研究直流系統中單極、兩極、以及交流竄入接地故障類型及其檢測方法，同極性、異極性環網故障的類型及其檢測方法，并提出了絕緣電阻、環網電阻及交流對地電壓的計算方法，有助于準確地檢測出直流電源系統的各種故障。

直流系統；環網式；直流接地

直流系統主要為保護控制設備提供工作電源，為提高供電可靠性，一般以不接地方式運行，且重要變電站和電廠均采用雙電源配置。近年來，由于直流接地故障和直流系統環路問題，導致諸多保護誤動事故。準確檢測直流接地故障與直流環路，有助于及早排除上述隱患，避免相關事故的發生，從而提高電力系統安全運行水平。本文將針對直流系統接地與環路，分析其特征，提出檢測方法，以期解決目前存在的問題。

1 電阻性單極接地故障

圖1 電阻性單極接地

直流系統正極或負極發生接地故障時，相應地正極或負極對地電壓將降低，即可通過檢測對地電壓的變化來測量對地電阻，計算公式如下：

同理，如果負極接地，亦可通過公式（2）計算出負極電阻R-。

式中R1為平衡橋電阻，用于直流電源系統接地故障檢測，及將直流系統對地電壓鉗住并穩定在50%母線電壓，有利于防止一點接地故障引起保護等控制設備誤動。

2 電阻性兩極接地故障

目前大部分絕緣裝置沒有兩極接地故障檢測功能，主要原因是用戶沒有要求，生產企業也認為不必要。但是從實際情況看，由于蓄電池在重力作用下，常發生漏液故障，造成接地，即為兩極接地故障。大家知道，判斷蓄電池是否接地，須同時拔下正負極保險，故障才消失。也反證蓄電池接地為兩極接地故障。有的兩極接地故障是人為造成的，即1套直流系統安裝多套帶有平衡橋電阻的絕緣裝置。

為檢測兩極接地故障，必須設置不平衡橋電阻R2，通過將不平衡橋電阻投入正極和負極，測量正負極對地電壓，即可計算出正負對地電阻R+、R-。

圖2 電阻性兩極接地

3 交流竄入接地故障

交流竄入直流系統可直接造成保護誤動，甚至引起大面積停電故障，是最為嚴重的直流接地故障。與兩極接地檢測一樣，幾乎所有絕緣裝置均不能分辨出交流竄入直流系統接地故障。交流竄入直流系統產生的接地故障，其特征是正負極對地電壓中，均能測量出交流電壓，如圖3所示。

圖3 交流竄入接地

交流對地電壓計算如公式（5）。

正極絕緣電阻R+，可通過公式（1）計算得出。

圖中，C1、C2分別為直流系統正負極對地電容。據有關研究,每1000米二次電纜對地電容約為0.15~0.3微法。另外，微機保護等設備還安裝有直流抗干擾電容盒，及開關電源濾波電容等，都會帶來對地電容。深圳某500kV變電站直流系統實際測量對地電容高達100微法。

假設直流系統正負極對地電容各為5微法，在工頻50Hz情況下，ZC1=ZC2≈0.636kΩ，遠遠小于平衡橋電阻R1（南方電網最新規程要求入表1）。進一步假設220V交流電壓源（即圖中VAC）通過30kΩ電阻竄入正極,可簡單求出對地交流電壓如下：

表1 平衡橋電阻建議值范圍

可見交流竄入直流系統接地故障，在早期，正負極對地電壓中交流電壓非常小，因此，檢測交流竄入直流接地故障應能具有較高的靈敏度，否則不能發現早期的交流竄入直流接地故障，也就不能有效預防交流竄入直流系統可引起大面積的停電故障。

4 同極性環網故障

直流系統環網故障，是指2套獨立運行的直流系統之間存在電氣聯系回路，其聯絡形式有同極性相連與異極性相連等。環網故障主要由施工、運行中倒負荷等原因造成，將可能產生環流引起火災、使直流空開級差配合失效、縮短蓄電池壽命及引起保護拒動等危害，也是保護誤動的原因之一。

環網故障共同特征是，兩極母線相連那一極對地電壓變化趨勢相同，即表現為同時降低或上升。因此可以通過檢測對地電壓，并根據其變化趨勢的關聯性判斷是否存在環網故障。

圖4為同極性環網故障，即I段正極與II段正極存在連接電阻R3，而I段負極與II段負極存在連接電阻R4。以II段母線檢測環網故障為例，合上開關K1，斷開開關K2，在正極投入不平衡電阻R2，測量I、II段母線對地電壓：V+11、V-11、V+21、V-21；再合上開關K1，斷開開關K2，即在負極投入不平衡電阻R2, 測量I、II段母線對地電壓：V-12、V+12、V+22、V-22。

利用上述2段母線對地電壓測量數據，可求出正、負極環網連接電阻R3、R4，如公式（6）、（7）。

圖4 同極性環網

5 異極性環網故障

圖5 異極性環網

圖5為異極性環網故障，即I段正極與II段負極存在連接電阻R3，而I段負極與II段正極存在連接電阻R4。以II段母線檢測環網故障為例，合上開關K1，斷開開關K2，在正極投入不平衡電阻R2，測量I、II段母線對地電壓：V+11、V-11、V+21、V-21；再合上開關K1，斷開開關K2，即在負極投入不平衡電阻R2, 測量I、II段母線對地電壓：V-12、V+12、V+22、V-22。

利用上述2段母線對地電壓測量數據，可求出正、負極環網連接電阻R3、R4，如公式（8）、（9）。

6 結論

通過測量直流系統對地電壓及其變化與對地交流電壓，可計算直流系統正負極對地絕緣電阻、2套直流系統電氣連接電阻和交流竄入直流系統的電壓幅值，根據其變化趨勢，可以判斷直流系統的運行狀況，及時發現直流系統在絕緣與環路等方面的缺陷，從而提高直流系統的供電可靠性，起到預防直流系統故障引起的保護誤動與拒動事故的作用。

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Study on Insulation Failure and Loop Fault in The DC System

Huang Dongshan1,Zhou Wei1,Yang Licai1,Chen Ming1,Xu Yufeng2
(1.Power Grid Corp of Guangxi Electric Power Research Institute,Guangxi,Nanning,530001; 2.Guangzhou qianshun Electronic Equipment Co.,Ltd.,Guangdong Guangzhou,511430)

At present,there are 3 kinds of fault types often occurs in DC power supply system，include Ground fault、AC into DC system fault and two sets of DC system connection failure,The emphasis of this paper is to study the fault type of DC system and its detection method。to study two sets of DC system connection failure and its detection method。and Presents the calculation method of insulation resistance, loop resistance and AC voltage,Help to accurately detect various faults of the DC power supply system.

DC System；Ring type Mode；DC grounding

黃東山（1971-），男，碩士、高級工程師，長期從事電力系統繼電保護檢修、研究、開發及技術監督與技術檢查工作；