變電站直流系統接地故障分析

摘要：隨著電力系統二次回路的豐富和完善、直流系統的規模不斷擴大，接地故障發生的頻率也隨之增加。文章介紹了直流系統接地故障產生的原因和危害，研究了直流系統兩點接地可能引發斷路器誤動、拒動和熔斷器熔斷的隱患，論述了由直流電橋和差動元件構成的微機絕緣監察裝置的工作原理及為克服其自身的局限性而采用的接地檢測裝置原理。

關鍵詞：變電站；直流系統；接地故障；微機絕緣監察裝置；接地檢測裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM862 文章編號：1009-2374（2016）07-0126-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.064

直流電源是電力系統重要的組成部分。它是變電站一次設備的控制電源和信號電源，是保證UPS不間斷供電的重要電源，沒有它，整個變電站的電力設備將失去保護，因此保證直流系統的正常運行對電力系統的安全穩定至關重要。直流系統發生頻率最高的故障是接地故障。直流系統一點接地時，不會產生短路電流，但是必須盡快消除故障點，否則當直流系統的另一點出現接地時，兩個接地點通過大地導通，繼而可能引起斷路器的錯誤動作或造成直流系統電源短路，使整個變電站失去直流電源，嚴重威脅到電力系統的安全運行。因此，《電力安全規程》中規定決不允許直流系統在一點接地的情況下長時間運行，必須迅速排除接地故障，從而避免更大惡性事故的發生。

1 直流系統接地故障的類型

直流系統接地故障多種多樣，依照不同的劃分標準可以將其歸納為不同的種類，以便于故障的分析和處理。

按照接地的電源極性可以分為正極接地和負極接地。

按照接地電阻的大小可以分為完全接地（直接接地）和不完全接地（間接接地）。

按照接地持續的時間長短可以分為非永久性接地和永久性接地。

按照接地點的個數可以分為單點接地和多點接地等。

由于變電站內環境的復雜性，直流接地多是幾個種類的混合。例如，在連續的陰雨天里，容易發生一兩處直接接地和多處間接接地，其中有些接地點接地不穩定，時有時無，這就會給故障處理造成很大難度。

2 直流系統接地故障的常見原因

（1）二次回路及設備嚴重污穢、受潮和腐蝕。遇到雷雨天氣，室外端子箱或機構箱內極易潮濕積水，導致直流回路對地絕緣嚴重下降，嚴重者可能到零，從而形成接地。（2）外來物觸碰直流回路。例如老鼠將電纜絕緣層咬傷后，導致電纜芯與屏蔽層或端子箱觸碰接地。而螞蟻喜歡聚集在接線頭的裸露部分，若聚集的數量足夠大，則直流電經其身體與另一端的金屬接地體相接造成接地。（3）回路元件燒毀以致觸碰外殼或地。（4）施工工藝不嚴格，造成直流電纜線芯分叉接觸到柜體金屬外殼或施工時不謹慎造成電纜絕緣皮劃傷、磨損等。

3 直流系統接地故障的危害

直流系統發生接地故障最顯著的變化是接地回路的電壓大幅下降，直流正負極電壓出現嚴重不均衡，輕則造成分合閘繼電器動作緩慢，重則發生斷路器誤動、拒動，嚴重威脅電力系統的穩定運行。如果接地同時發生在直流正負極電源端，則瞬間產生的巨大短路電流會燒斷熔斷器熔絲，造成全站直流電源消失，所有斷路器將失去操作控制電源，處于無保護的狀態。

下面分別舉例說明直流接地造成的斷路器誤動、拒動和熔斷器熔絲熔斷故障。

3.1 斷路器誤動

當跳閘回路中的接點兩側發生接地，可能導致跳閘繼電器誤動。

如圖1所示，當A、B兩點同時接地時，A、B兩點通過大地連通，將接點1KA、2KA短接，繼而KC繼電器動作，KC接點閉合，跳閘回路導通，LT繼電器流過電流動作于跳閘。另外，當A、C兩點接地時KC接點被短接，也造成跳閘回路導通動作跳閘。在A、D兩點，D、F兩點發生接地同樣能造成斷路器誤跳閘。

3.2 斷路器拒動

當跳閘回路中的繼電器兩側發生接地，可能導致跳閘繼電器拒動。如圖1所示，在B、E兩點同時接地時，將中間繼電器KC短接，如果系統發生事故，1KA或2KA的接點閉合，由于中間斷電器KC被短接不能動作，因而斷路器不會跳閘，使事故越級擴大。同樣D、E兩點或C、E兩點同時接地，將LT短接，也會發生斷路器拒動。

3.3 直流電源兩極接地引起熔絲熔斷

如圖1所示，當接地點發生在A、E兩點，直流電源的正負極通過地網短接，產生巨大的短路電流，引起熔絲熔斷。在B、E兩點和C、E兩點接地時，當保護裝置動作，也會發生直流正負極短路故障。

4 直流接地故障的處理

處理直流接地故障時，應本著既能保證人身安全，又能最大限度地減少對運行中設備的影響的原則進行。隨著科技的發展，查找直流接地點的方法也更加先進，由傳統的拉路法到現在的電子檢測裝置，查找的效率越來越高，對系統正常運行的影響越來越小。然而，現實中多數直流接地故障并不穩定，接地電阻和接地點的個數隨著時間的變化而變化，再加上接地的種類千差萬別，查找的方法不一而足，因此現場查找直流接地可能會采取多種方法：

4.1 拉路法

這是查找直流系統接地故障的一個傳統辦法。“拉路”就是拉開各直流回路的空開，切斷電源的時間應小于3秒，不論接地故障是否消失均應合上電源。憑經驗而論，拉路應從最容易發生故障的回路拉起，先拉信號回路、照明回路，再到操作回路、保護回路；先室外部分后室內部分。若拉到某一路直流接地故障消失，則繼續逐一拉開下一級空開，如此這般，從源頭到末端，逐步縮小查找的范圍，最終找出接地點。如果拉路法無效，應嘗試切換整流裝置和蓄電池組或者切換直流母線的方法查找，檢查是否是整流裝置、蓄電池組或直流母線發生接地。由于二次系統越來越復雜，“拉回路”可能導致控制回路和保護回路誤動而發生跳閘事故。如今已發明了更安全便捷的直流接地檢測裝置后，拉路法現在只作為一種不得已情況下才使用的方法。

4.2 直流接地選線裝置監測法

如圖2所示，這是一種在線監測直流系統對地絕緣情況的裝置。它結合了平衡電橋與不平衡電橋原理并利用負載回路的直流互感器測出的差流來判別接地回路。R1與R2是平衡電橋的兩個電阻，R1=R2。R3是切換電阻，由S1的開斷實現平衡電橋與不平衡電橋的轉換。當S1斷開時，若發生單極接地故障或雙極接地電阻差別較大的故障，直流互感器可以檢測出差流，進而觸發裝置報警；當S1閉合時發生雙極接地而接地電阻相差不大的情況則直流互感器仍能檢測出差流。因而裝置最顯著的優點是克服了繼電器型絕緣監察裝置不能正確反映正、負極絕緣同時降低的動作死區問題。除此之外，它的在線監測功能能夠全天候監測直流系統的接地電阻，并詳細顯示出絕緣降低回路的編號，方便了接地點的查找。但是它的缺點是當平衡電橋與不平衡電橋相互轉換時正負極母線對地電壓波動較大，可能誘發繼電器誤動，而且該裝置只能定位到接地的回路，但對回路上具體的接地點卻無法確定。因此，這種選線裝置只能用于在線監測系統對地絕緣，并發出告警信號，對查找直流接地點起輔助作用。

4.3 手持式低頻信號直流接地檢測儀故障定位法

手持式低頻信號直流接地檢測儀在電力系統中使用非常廣泛。由于它的便攜性，使用起來非常輕便。如圖3所示，它的主要原理是利用低頻信號發生器向直流系統注入一個低頻的交流信號，然后由專用的鉗形低頻電流表檢測各支路中低頻交流信號電流，以判斷該回路是否接地。另外如果將信號輸出設置為兩個相位差為180°的低頻信號，則不僅可以檢測直流接地故障還可以檢測電源兩極間的短路故障。手持式低頻信號直流接地檢測儀的主要優點是在檢測接地點時不會影響到直流系統的正常運行。但是要注意所加低頻信號的幅值不能太大，否則會增大直流電壓的紋波系數，對系統的穩定造成不良影響。此外，當直流系統對地電容較大時會分走較多信號電流從而會影響接地點的查找。由于電容的容抗是1/wc，因而信號的頻率越低，系統對地電容的容抗越大，從而影響就越小，但是頻率的選擇還要結合直流電壓的頻譜狀況，要躲開直流電壓較大的低頻分量才能更準確地查找出接地點。

5 查找接地故障時的注意事項

直流系統發生接地故障時，不僅對電力設備不利，而且對整個電力系統的安全構成威脅。此時，應終止正在進行的工作，立刻查找直流接地點；查找和處理故障時必須由兩人同時進行，注意處理時不得造成直流正負極短路或另一點接地；用儀表檢查時所用的儀表的內阻不應低于2000Ω/V，禁止使用燈泡尋找的方法。拉路前應采取必要防范措施，以避免直流電源失電可能引起的繼電保護自動裝置誤動。

6 結語

杜絕直流接地故障應以預防為主，嚴格設備施工工藝，對室外端子箱、機構箱等加強密封，加裝防潮除濕設備或材料，對絕緣老化、不能滿足對地絕緣電阻要求的設備及時更換。建立定期巡視的故障制度，加強對直流系統的認識和管控，對直流系統容易接地的部位重點檢查，做到防患于未然，如此方能最大限度地降低直流系統發生接地的故障概率，保證電力系統的穩定運行。

參考文獻

[1] 向小民，胡翔勇，曾維魯，等.直流系統絕緣監察裝置[J].中國電力，1999，32（8）.

[2] 趙兵，胡玉嵐.直流系統微機型絕緣監察裝置問題的探討[J].廣東電力，2009，22（4）.

作者簡介：劉德言（1989-），男，河南人，廣州供電局有限公司變電管理三所助理工程師，研究方向：電力系統。

（責任編輯：小 燕）