基于可靠性和缺陷性分析的變電站直流系統接地處置對策研究

劉清泉，馬慧卓，張飛飛

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021；2. 國網河北省電力公司，石家莊　050021)

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基于可靠性和缺陷性分析的變電站直流系統接地處置對策研究

劉清泉1，馬慧卓1，張飛飛2

(1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021；2. 國網河北省電力公司，石家莊050021)

摘要：介紹變電站直流系統組成、作用以及危險點源，從調控業務需求出發，對變電站直流系統可靠性以及缺陷性進行分析，通過對變電站直流系統供電模式，充電機和蓄電池組接線模式以及二次直流電源接線方式和對直流系統接地的危害進行分析，并從電網運行人員角度，提出直流接地的處置對策，并進行了案例分析。

關鍵詞：變電站；直流系統；可靠性；調度

0引言

直流系統在變電站中為控制、信號、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的直流電源。為電網操作提供可靠的電源。直流系統的可靠與否，對變電站的安全運行起著至關重要的作用，是變電站能否安全運行的保證[1]。

保障電網安全穩定運行是電網調控運行人員主要責任之一，因此需要調控員對變電站一次二次設備運行方式及缺陷處置方案能熟練掌握。但多數調控員將主要注意力集中在一次設備上，而對二次設備，尤其是變電站直流系統，往往了解得不夠深入，為電網安全運行留下隱患。比如，當變電站某臺充電機出現故障或者某線路主保護之一失去電源、直流系統出現直流接地時，若調控員對相關設備不了解，將不能制定正確有效的處置方案，威脅電網安全運行。目前，關于變電站直流系統方面的研究大部分集中在直流接地方法[2-4]，關于變電站直流系統供電模式的可靠性以及直流接地危害方面的探討卻很少。該文從調控業務需求出發，基于直流系統可靠性和缺陷型分析，提出直流接地處置對策，以供調控員及其他電網運行人員參考。

1變電站直流系統

1.1系統組成

直流系統由蓄電池、充電機、直流回路、直流負載以及不間斷電源組成[5-6]。

蓄電池較常采用閥控密封鉛蓄電池，充電機一般采用高頻開關電源模塊。還配置有電池巡檢儀、微機絕緣監測儀等設備。

1.2系統作用

直流系統為站內的控制、信號、繼電保護及自動裝置、事故照明提供可靠的電源，同時還為斷路器的操動機構、“五防”鎖具提供電源。直流電源的質量直接關系到上述裝置能否可靠運行。假設變電站失去直流系統，則站內全部的控制、信號、保護及自動裝置全部失靈，變電站將處于失控狀態。

1.3系統危險點源

a. 充電機。當所有充電機因故退出運行時，全站直流負荷將由蓄電池組提供電源。若蓄電池組供電時間過長，直流系統電壓下降較多，可能引起保護誤動或開關拒動。

b. 蓄電池。當變電站蓄電池組都不能正常運行時，可能會引起保護誤動或開關拒動。

c. 直流小母線。直流小母線發生金屬性短路時，將引起上級熔斷絲熔斷，該直流屏上所有直流負荷將失去電源，可能會引起保護誤動或開關拒動。

d. 線路主保護直流電源。當線路一套保護退出運行，另外一套保護失去直流電源時，如該線路發生故障，開關將拒動，無法正常切除故障點。

e. 500 kV開關失靈保護直流電源。每個500 kV開關僅配一套斷路器失靈保護，如失靈保護失去直流電源，若線路故障且相關開關拒動，失靈保護因失去電源不動作，故障只能由其它線路對側Ⅱ段或主變后備保護來切除，擴大事故范圍。

2變電站直流系統可靠性分析

2.1充電機和蓄電池組接線模式

正常運行方式，QK1、QK2、QK0、QZ1、QZ2、1Q1、1Q2、2Q1、2Q2在合位，1號交流帶1號充電機為1號蓄電池充電，2號交流帶2號充電機為2號蓄電池充電(1號交流與2號交流分別來自兩路不同交流電源)，0號充電機熱備用。正常運行時，2段母線間的聯絡開關打開，整個直流系統分成兩個沒有電氣聯系的部分，每段母線分別由一套充電機和蓄電池組供電，兩組蓄電池共用1臺備用充電裝置，兩段母線的電源互為備用，當其中一路交流電源出現故障時，可切換至另一路交流電源。充電機和蓄電池組接線圖如圖1所示。

當充電機或蓄電池故障時，運行方式將切換至相應情況：

圖1　充電機和蓄電池組接線示意

a. 當1號充電機故障時，拉開QZ1、拉開QK1；合上QZ0-1；

b. 當2號充電機故障時，拉開QZ2，拉開QK2；合上QZ0-2；

c. 當一組蓄電池故障時，拉開1Q2，合上3Q1，拉開1Q1；

d. 當二組蓄電池故障時，拉開2Q2，合上3Q1，拉開2Q1。

上述每項操作消除后，恢復正常方式的操作步驟與上述步驟相反。

2.2二次直流電源接線方式

正常運行時，兩段母線分段運行，采用主、分屏供電方案。直流屏室為主屏，全站直流負荷均由Ⅰ、Ⅱ段直流母線分別供電至各直流分屏；分屏設Ⅰ、Ⅱ段直流母線，正常運行時兩段母線分段運行，供各饋線直流電源。

根據需要，由直流母線引出多條線至各直流饋線(如圖1所示)。各直流饋線再分電至各直流分電屏(如圖2為某一分電屏)，為保護、控制、測量、信號等回路提供電源。下面以保護電源回路接線方式為例，對500 kV直流供電回路進行介紹。500 kV變電站設備(線路、主變壓器等)都配有兩套主保護(保護1、保護2)，開關都配有兩套跳閘回路(回路1、回路2)，兩套主保護與2個跳閘線圈分別相連(如保護1與回路1相連，保護2與回路2相連)，其中兩套保護和兩套跳閘回路分別由兩套直流電源供電，如圖2所示，直流饋線1為線路保護1提供電源，直流饋線2為線路保護2提供電源，正常運行時兩套直流電源獨立運行，互不影響但互為備用，當一路電源出現故障時，能自動將失電直流饋線切換至另一回路供電，這樣兩條獨立供電的跳閘回路能保證可靠切除故障。

圖2　保護電源接線示意

3變電站直流系統缺陷性分析

變電站直流系統可能出現的故障很多，但總體上可以分為2類：直流系統各組成元件的故障和直流系統二次回路故障。

3.1直流系統各組成元件的故障

直流系統各組成部件的故障主要包括：充電模塊故障、監控系統故障、絕緣監察裝置故障、蓄電池故障、交流電源消失等5個方面[7-8]。

a. 充電模塊故障。充電模塊故障后，直流監控裝置會發出“模塊故障”的告警，監控后臺“充電模塊故障”、“直流系統故障”光字牌亮。故障模塊“故障”指示燈亮，“輸入”或“輸出”指示燈滅。充電模塊故障主要包括：充電模塊通訊中斷、充電模塊保護動作、充電模塊不均流(連接到同一母線上的模塊不均分負載)和充電模塊設備故障等幾種類型。

b. 監控系統故障。作為整個直流系統的控制、管理核心，當直流監控裝置發生故障時，一方面，系統中各功能單元的各種運行參數和狀態的測量數據出現異常時將無法及時控制處理，進而影響站內一、二次設備的安全運行；另一方面異常數據無法上傳到變電站監控主機，影響對設備的監控運行。直流監控裝置故障一般表現為：裝置面板上的“運行”指示燈不亮或變為紅色，液晶顯示器無法正常顯示，或顯示“系統自檢中”，面板選擇按鍵失靈，系統會向變電站監控后臺發送告警信號，監控后臺“直流系統故障”、“直流系統異常”光字牌亮。

c. 絕緣監察裝置故障。絕緣監察裝置故障時與直流監控裝置故障的現象大同小異，裝置面板“告警”指示紅燈亮，液晶顯示失靈，后臺顯示“直流系統故障”、“直流系統異常”等光字牌。

d. 蓄電池故障。當蓄電池存在故障時，最直接的表現就是電池電壓降低，主要通過蓄電池巡檢儀發現，在實際運行中蓄電池故障主要體現為：電池極板的腐蝕、蓄電池內水損失、負極板硫化、蓄電池熱失控、蓄電池過充電和單體浮充電壓不平衡等幾種類型。

e. 交流電源消失。正常情況下，直流母線為充電裝置逆變電源供電，蓄電池為浮充狀態，當站用變全停時，直流系統轉為蓄電池供電模式。直流系統交流電源消失時有兩點需要特別注意，一是蓄電池容量有限，交流消失后直流系統能夠持續運行的時間不長，因此必須盡快恢復交流供電；二是必須立即切斷直流系統不重要負荷，只保留必須運行的負荷，盡可能延長電池供電時間。

3.2直流系統二次回路故障

直流系統二次回路故障主要包括兩種：一是交直流信號干擾；二是直流系統接地故障。

a. 交直流信號干擾。變電站一次二次設備眾多，許多設備同時需要交、直流供電，導致直流供電網絡與交流網絡、通信網絡及各類電氣設備交叉在一起，同時受到各類交直流信號的干擾，這類干擾分為直流系統電容電流干擾、交流串擾、直流串擾三方面。

b. 直流系統接地故障。直流系統是一個復雜的供電網絡，現場一次二次設備的保護、控制、信號等電源經過復雜的二次回路連接至直流母線，因而發生直流接地的可能性較大。直流系統發生一點接地后，通常接地極母線電壓降低，非接地極母線電壓升高，母線間電壓差不變。由于無短路電流(無法構成回路)，直流系統開關設備(空開或熔斷器)一般不會動作。如果之后又發生了另外一點接地，則可能導致保護的誤動或據動。220 V直流系統兩極對地電壓絕對值差超過40 V或絕緣降低到25 kΩ以下時，可判定直流系統接地。

3.3河北省南部電網500 kV變電站直流系統缺陷統計分析

2013年1月1日至2015年9月20日，河北省南部電網500 kV變電站直流系統缺陷共計250項。其中，危急缺陷6項，嚴重缺陷114項，一般缺陷130項。缺陷設備類型包括絕緣監察設備、蓄電池(組)、直流充電設備和其他裝置等。缺陷設備類型所占比例如圖3所示。

圖3　直流系統缺陷設備類型

經統計，由直流系統接地或裝置絕緣降低導致的缺陷共計101項。其中，危急缺陷4項，占全部危急缺陷66.67%；嚴重缺陷83項，占全部嚴重缺陷72.81%；一般缺陷14項，占全部一般缺陷10.77%。

由統計結果可知，直流系統接地缺陷較為常見且嚴重。因此，了解直流系統接地故障的產生原因及檢測方法尤為重要。

4直流系統接地處置對策及案例分析

4.1直流接地的處置對策

由以上分析可見，當直流系統發生一點接地時，必須及時消除缺陷，避免發生事故。

在國家電網“三集五大”與“調控一體化”的大背景下，變電站已經實現無人值守，由調控中心監控員對變電站進行集中監控。當監控員發現直流接地信號時，必須引起足夠重視，并及時通知變電站運維人員赴站進行接地查找、消除工作。具體查找方法如下。

圖4所示為直流饋線柜，其每一條饋線輸出到圖5所示的直流分電柜，再由直流分電柜分成眾多支路供給站內的直流負荷。圖中圓形黑色元件為電流互感器，每一個電流互感器由一條進線與一條出線穿過，系統無接地故障時，進線與出線電流相等，電流互感器感應不到電流，但當系統某處發生接地故障時，相應的電流互感器即可感應到不平衡電流，并上傳至“絕緣監測儀”，確定故障支路數、接地極性。

實際運行中，分電柜每條出線可能帶多路直流回路，當系統某處發生接地故障時，只能定位接地的大致范圍，為此需要進行“拉路”查找接地點。“拉路”查找接地點時的注意事項：

圖4　直流饋線柜

圖5　直流分電柜

a. 拉路時應注意直流電源的拉合順序，即“遙信-控制-保護”電源。拉開的支路無論是否存在接地都應將拉開的的支路立即合上，拉開和合上開關時間不得大于3 s。

b. 拉合控制電源時，應先征得調度同意，由運維人員按各支路斷開控制電源Ⅰ或Ⅱ，不允許同時拉開控制電源Ⅰ、Ⅱ，也不允許同時拉開多個設備的控制電源。

c. 拉合保護電源時，應先征得調度同意，運維人員退出保護出口壓板后，才允許拉合保護電源開關。帶有縱聯保護時，必須按調度令，兩端停運縱聯保護。完成一保護支路查找后可以再進行下一保護支路操作。查找保護支路后，必須測量保護出口壓板電位正常后，方可投入保護出口壓板。

4.2案例分析

電力系統常見的直流接地為一點接地，雖然一點接地對系統安全運行暫時無影響，但有極大的安全風險，如果此時再有另外接地點，兩接地點可能把某段回路或某個開關短接，造成保護誤動或拒動，控制回路失靈等。現結合某開關控制回路故障點分析(如圖6所示)對發生接地故障后斷路器及熔斷器的反應情況來幫助運行人員進行故障判斷。

圖6　某開關控制回路故障點分析

a. 兩點接地可造成直流熔絲熔斷。當接地點發生在A、D兩點或者A、E兩點，將直接短接直流正負母線，引起熔斷器熔斷。熔斷器熔斷后，該開關控制回路失去電源，開關成為死開關，如線路出現故障，開關失靈拒跳，將擴大事故范圍。

b. 兩點接地可造成斷路器拒動。當接地點發生在B、E或E、F兩點時，斷路器跳閘線圈(TQ)回路被短接，此時若一次系統發生故障，保護動作，不能使跳閘線圈勵磁，將造成斷路器拒動。

c. 兩點接地可造成斷路器誤動。當接地點發生在A、B兩點時，斷路器輔助觸點DL、跳閘保持線圈TBJ以及跳閘信號TJ觸點將被短接，跳閘線圈TQ得電，開關跳閘。但此時一次系統并無故障，所以稱為斷路器誤跳。

綜上所述，在直流一點接地的情況下，若是直流正極接地，發生兩點接地時很大概率會造成保護誤動；若是直流負極接地，發生兩點接地時很大概率會造成保護拒動。因此，可以根據保護動作情況來判斷故障類型及故障定位。

5結束語

在電力系統，變電站直流系統與一次運行設備有著同等重要作用，必須引起工作人員足夠重視。該文結合調控業務需求，對變電站直流系統相關知識進行分析介紹，為電網運行人員提供參考，但仍需電網運行人員在工作中不斷積累經驗，及時發現直流回路所存在的隱患并及時消除，才是避免事故發生的必要手段，才能保證電力系統的穩定運行。

參考文獻：

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本文責任編輯：羅曉曉

Dispostion Research About DC System of Substation GroundFault Based on Reliability and Defect

Liu Qingquan1，Ma Huizhuo1，Zhang Feifei2

(1.State Grid Hebei Electric Power Resesrch Institute,Shijiazhuang 050021,China2. State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Substation DC system provides guarantee to the safe operation of primary equipment of power grid. If the DC system maintenance is undeserved, it will directly threat to the safe operation of power grid. Embarking from the power grid dispatch and monitoring work demand, this article discusses the reliability and defect of DC system in substation. The constitution, function and hazards of DC system are analyzed. Power supply mode of DC system are discussed, including the charger-battery connection mode and secondary dc power connection mode; The dangers of dc system faults are analyzed, and DC ground countermeasures are put forward from the view of power grid operation personnel.

Key words:substation;DC system;dispatch

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：劉清泉(1988-)，男，工程師，主要從事電網二次系統及繼電保護專業。

中圖分類號：TM862

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9898(2016)03-0023-05