電廠直流系統接地故障分析

陳華

摘 要：直流系統為電廠的繼電保護裝置、監控及事故照明等提供電源；給出了電廠直流系統模型及其等效電路；總結了直流系統接地故障的類型，分析了電廠直流系統一點接地故障和兩點接地故障時的影響；深入研究了當前國內外直流系統故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點；針對直流系統故障提出了相應的防范和處理措施。

關鍵詞：電廠 直流系統 接地

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（a）-0111-02

發電廠和變電站均有直流輔助系統，直流系統作為不間斷電源，為整個系統的保護、監控以及大合閘電流的電磁操動機構等提供電源。直流系統的安全穩定運行對整個電力系統有安全性和可靠性至關重要。直流系統是一個獨立的電源系統，與電廠的運行方式的運行無關。直流系統具有支路多、涉及面廣且工作環境惡劣等特點。直流系統發生故障時可能造成保護裝置誤動和拒動，嚴重時可能造成大面積停電嚴重后果。本文首先給出電廠直流系統的模型及其等效電路，在此基礎上分析直流系統故障類型，以及各類故障的影響，分析當前種類直流系統故障檢測方法，總結實際運行中的一些注意事項。本文的研究內容可為今后電廠直流系統運行與維護提供理論支持。

1 電廠直流系統模型及等效電路

畜電池故障總是先從個別電池中發生，整組畜電池發生故障的機率較小，因此，與其他電源相比，畜電池組的安全性和可靠性具有無可比擬的優勢，發電廠的直流系統的電源部分包括畜電池組和充電裝置構成。目前充電裝置主要是高頻開關型充電裝置，高頻開關型充電裝置具有質量體積較小，效率高等優點。發電廠直流系統結構圖如圖1所示，主要還包括供電網絡、保護設備及負載等幾部分。

直流系統構成有以下基本原則：選擇的設備應該具有先進、可靠、經濟合理的特點；在保證可靠性的條件下，使接線盡可能簡單。直流系統的保護設備主要有用于過電流保護保險絲和空氣開關以及接地告警裝置。直流系統的等電路如圖2所示。

2 直流系統故障分析

直流電源是有極性的，與交流系統不同的是，直流電源的地是相對于中性點而言的，并不一定會和交流系統中的大地相連，當直流電源系統的某一極相對于中性點的絕緣電阻低于某一定值時即認為直流系統發生了接地故障。直流系統本身接線復雜，工作環境惡劣，接地故障時有發生。直流系統發生接地故障的原因大致有以下幾種：（1）直流線路和設備受潮、接地盒進水。（2）設備金屬外殼生銹。（3）直流回路因質量問題或老化及某些外力損傷還引起的絕緣性能下降。直流系統故障類型分為電阻性接地故障、有源接地故障及多分支接地故障三類，其中電阻性接地故障又分為單點接地故障和多點接地故障。

當直流系統發生一點故障時，故障電流并沒有形成回路，因而對系統影響不大，但若不及時排除，很容易誘發多點接地故障而對系統形成致命的影響。一般中間繼電器線圈和跳閘線圈都與直流電源負極相連，因此正極接地故障時可能造成保護誤動；負極接地時可能造成跳閘回路或合閘回路短路而使保護拒動，而使停電范圍擴大（越級跳閘）。因此當直流系統發生一點故障時必須及時發現排除。如圖3所示，當A、B兩點發生接地故障時，KA1、KA2被短接，從而導致KM誤跳閘。同理，AC、AD及DF發生兩點接地故障時都會引發誤動作，而DE、BE及CE發生兩點接地故障時則會引起開關拒動。

3 直流系統接地故障檢測

直流系統的安全穩定運行是電廠安全穩定運行的基礎，如何快速的檢測并排除直流系統的接地故障顯的獨尤為重要，實際運行中使用故障檢測儀來檢測直流系統故障，各個生產商生產的故障檢測原理不盡相同，各有優缺點，主要有直流母線電橋法、信號注入法、差流檢測法幾種，下文將分析這幾種檢測方法的原理及其特點，為實際運行提供理論依據。

3.1 直流母線電橋法

電橋法在直流系統絕緣監測中應用較多，通過在直流母線之中入電阻，形成平衡電橋來檢測直流系統是否發生短路故障，原理如圖4所示。

當直流系統沒有發生接地故障時，電橋平衡，繼電器C中沒有電流流過；當直流系統發生接地故障時，電橋不平衡，繼電器C中線圈會有電流，且接地故障極可以通過該電流的方向確實。若直流母線電壓為U，繼電器線圈電阻為，則可以計算出繼電器C上的電壓為：

若時，繼電器線圈電流為：

當時，；

當，即正極接地故障時有：；

當，即負極接地故障時有：

實際運行中會給繼電器C設定一個門檻值，當流過的電流大于門檻值時即判定直流系統發生了接地故障。直流母線電橋法有如下特點：（1）設備簡單、經濟性較強；（2）由于在實際運行中，監測裝置中橋臂電阻很難相等，因此會造成一些誤差；（3）繼電器C的線圈電阻應該足夠大，如此才能降低其動作電流，以免引起系統其他繼電誤動；（4）若直流系統正負極均出現相同程度的絕緣下降電橋仍平衡，無法檢測。

3.2 信號注入法

信號注入法是在直流系統發生接地故障時，向故障母線和地之間注入低頻信號，通過鉗型電流檢測儀檢測[5]各條饋線中是否含有低頻信號，因為注入的低頻信號會從故障饋線流出，該原理如圖5所示。鉗型電流檢測儀可以識別出饋線電流中的阻性電流分量，經過處理可以得出饋線的絕緣電阻，從而找到接地點。該方法可以實現不停電檢測直流接地故障，便仍有不足之處，如鉗型電流檢測儀檢測的靈敏度受直流系統分布電容影響較大、注入的低頻率信號會增大直流系統電壓的紋波系統等。

為了克服分布電流的影響到，可以注入變頻信號，設注入的兩種交替低頻信號頻率分別為和，測量點后的分布電容為C，接地電阻為，則電流分別為：

根據以上兩式可以得出鉗型電流檢測儀測得的阻性電流為：

其中。

3.3 差流檢測法endprint

差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負極電壓，I+、I-分別為饋線正負極電流。假設、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當直流系統正常運行未發生接地故障時，，正極電流與負極電流大小相等，方向相反。（2）正極發生短路故障時有：。（3）負極發生短路故障時有：。

單饋線發生接地故障時，可計算出故障饋線的對地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負極電壓差的絕對值。根據故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動檢測法可以對接地饋線進行定位，且可以確定故障極的極性，對不同饋線正負極絕緣程度等同下降判斷時也可以作出判斷，但對同一支路正負極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統運行接地故障防范與處理

對于首次投入的直流系統設備，應該進行以下試驗：（1）絕緣監測及信號報警試驗；（2）耐壓及絕緣試驗。在實際運行和管理中應該注意以下幾點：（1）規范直流系統設備運行維護人員的職責管理權限，禁止運行人員隨意操作；（2）定期對直流電流系統設備進行狀態評估，找出直流系統中存在的缺陷，并進行改造和檢修，防范于未然；（3）對于具有兩組或以上畜電池組的直流系統應該采用分段母線運行方式，提高系統可靠性；（4）盡量改善直流電源系統的運行環境。定期做好衛生清理、防潮等工作。

5 結語

直流系統為發電廠監測、保護等二次設備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當于電廠的“神經”。直流系統的發生接地故障時必須盡量的找出排除，確定一次系統的安全可靠運行。本文給出了電廠直流系統模型及其等效電路；總結了直流系統接地故障的類型，分析了電廠直流系統一點接地故障和兩點接地故障時的影響；深入研究了當前國內外直流系統故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點；針對直流系統故障提出了相應的防范和處理措施。為電廠直流系統運行人員提供理論支持。

參考文獻

[1] 白忠敏.電力工程直流系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1991.

[2] 徐玉鳳.直流系統接地故障檢測[M].廣州電仟順電子設備有限公司，2010.

[3] Jose Marrero. Understand Ground Fault Detection&Isolation in DC Systems[J]. IEEE， 2000， 1707-1711.

[4] 王金鳳.直流系統接地故障檢測方法的研究[D].天津大學碩士學位論文，2005.

[5] 林慧文.變電站直流系統的運行維護與接地處理[J].廣東科技，2010，2：18-23.

[6] 杜中良，張嘩，胡振江，等.直流系統絕緣監察儀的原理及方案分析[J].電站系統工程，2005，21（l）：63-63.endprint

差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負極電壓，I+、I-分別為饋線正負極電流。假設、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當直流系統正常運行未發生接地故障時，，正極電流與負極電流大小相等，方向相反。（2）正極發生短路故障時有：。（3）負極發生短路故障時有：。

單饋線發生接地故障時，可計算出故障饋線的對地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負極電壓差的絕對值。根據故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動檢測法可以對接地饋線進行定位，且可以確定故障極的極性，對不同饋線正負極絕緣程度等同下降判斷時也可以作出判斷，但對同一支路正負極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統運行接地故障防范與處理

對于首次投入的直流系統設備，應該進行以下試驗：（1）絕緣監測及信號報警試驗；（2）耐壓及絕緣試驗。在實際運行和管理中應該注意以下幾點：（1）規范直流系統設備運行維護人員的職責管理權限，禁止運行人員隨意操作；（2）定期對直流電流系統設備進行狀態評估，找出直流系統中存在的缺陷，并進行改造和檢修，防范于未然；（3）對于具有兩組或以上畜電池組的直流系統應該采用分段母線運行方式，提高系統可靠性；（4）盡量改善直流電源系統的運行環境。定期做好衛生清理、防潮等工作。

5 結語

直流系統為發電廠監測、保護等二次設備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當于電廠的“神經”。直流系統的發生接地故障時必須盡量的找出排除，確定一次系統的安全可靠運行。本文給出了電廠直流系統模型及其等效電路；總結了直流系統接地故障的類型，分析了電廠直流系統一點接地故障和兩點接地故障時的影響；深入研究了當前國內外直流系統故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點；針對直流系統故障提出了相應的防范和處理措施。為電廠直流系統運行人員提供理論支持。

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差流檢測法的原理圖如圖6所示，U+、U-分別為直流母線正負極電壓，I+、I-分別為饋線正負極電流。假設、分別為接地電阻和接地電流，因此：（1）當直流系統正常運行未發生接地故障時，，正極電流與負極電流大小相等，方向相反。（2）正極發生短路故障時有：。（3）負極發生短路故障時有：。

單饋線發生接地故障時，可計算出故障饋線的對地絕緣電阻為：

式中U為直流母線正負極電壓差的絕對值。根據故障電流的方向即可確定故障極的極性。

差動檢測法可以對接地饋線進行定位，且可以確定故障極的極性，對不同饋線正負極絕緣程度等同下降判斷時也可以作出判斷，但對同一支路正負極絕緣程度等同下降無法判斷。

4 直流系統運行接地故障防范與處理

對于首次投入的直流系統設備，應該進行以下試驗：（1）絕緣監測及信號報警試驗；（2）耐壓及絕緣試驗。在實際運行和管理中應該注意以下幾點：（1）規范直流系統設備運行維護人員的職責管理權限，禁止運行人員隨意操作；（2）定期對直流電流系統設備進行狀態評估，找出直流系統中存在的缺陷，并進行改造和檢修，防范于未然；（3）對于具有兩組或以上畜電池組的直流系統應該采用分段母線運行方式，提高系統可靠性；（4）盡量改善直流電源系統的運行環境。定期做好衛生清理、防潮等工作。

5 結語

直流系統為發電廠監測、保護等二次設備提供電源，并作為電廠事故保安電源，相當于電廠的“神經”。直流系統的發生接地故障時必須盡量的找出排除，確定一次系統的安全可靠運行。本文給出了電廠直流系統模型及其等效電路；總結了直流系統接地故障的類型，分析了電廠直流系統一點接地故障和兩點接地故障時的影響；深入研究了當前國內外直流系統故障檢測方法原理，分析各方法原理的特點；針對直流系統故障提出了相應的防范和處理措施。為電廠直流系統運行人員提供理論支持。

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