變電站直流系統接故障分析與查找策略

高 林，邱世超，李 萌

（國網德州供電公司，山東 德州 253000）

變電站直流系統包括蓄電池、母線、充電模塊、直流監控裝置、絕緣監控裝置等，主要為遙信回路、保護裝置、安全自動裝置等二次設備供電，是二次設備的“心臟”，為二次系統提供源源不斷的“血液”，保障直流系統的可靠運行對變電站安全穩定運行十分關鍵。直流系統發生故障時可能造成保護或安全自動裝置拒動或誤動，給電網的穩定運行帶來極大的威脅。在直流系統各類故障中，接地故障是最常見的也是最難排查的故障之一，認真分析直流系統接地故障的原因和處理方法，并提出改進措施，以便快速定位故障點消除缺陷，對電力系統正常安全穩定運行有重要意義。

1 直流系統接地故障原因

變電站直流系統的負荷線路長、分布廣、各級各類負荷多，還可能存在環網和寄生回路，有承擔直流大負荷的主干支路，還有像人體中的毛細血管一樣的小負荷遍布變電站的各個角落。因此導致直流接地故障的因素是多種形式的，總體上可以分為人為因素、設備因素、環境因素三類。

（1）人為因素。一是設計、基建驗收等前期工作失誤，主要包括設計錯誤導致寄生回路產生，施工工藝不良造成交直流系統串接等其他接線錯誤。如220 kV間隔保護兩套控制回路共用同一壓力繼電器接點造成誤并列；電纜二次接線未進行校線，二次接線一端接入直流電源系統另一端當作備用芯，并且沒有進行保護處理，一旦備用芯線的裸露金屬部分碰觸到設備金屬外殼，容易引起接地故障，這種缺陷不宜被發現。二是檢修工作疏忽造成的故障。如二次回路檢修時帶電線芯誤碰其他設備外殼，施工后遺留二次電纜線頭零部件造成直流接地，兩套電源并列運行未退出一套接地報警裝置導致人工兩點接地等。

（2）設備因素。一是二次設備本身就存在一些缺陷，比如某些廠家直流絕緣監控裝置的平衡橋電阻值較低導致的接地。二是設備功能失效引起接地，比如說防雷元件被擊穿或因質量問題絕緣降低造成接地。三是蓄電池制造工藝不良，如蓄電纜材料不合格、絕緣降低，老化嚴重、損傷，或蓄電池長期運行導致漏液引起接地等情況。

（3）環境因素。一是如雨天、高溫天氣等氣象因素。比如太陽暴曬、冰雪凍裂等會造成電纜老化網裂，連續大雨、大雪的潮濕天氣等惡劣氣候會引起二次設備進水，如端子箱、電纜溝、匯控柜等。如果正好端子箱、匯控柜的密封性不好，端子排覆蓋較多塵土，混合較大濕度水汽會具有一定的導電能力，這些因素會導致直流系統對地絕緣的嚴重下降，進而引發直流接地。隨著投運時間延長，發生直流接地的概率越大。二是小動物外力干擾引起的接地。比如鳥類在瓦斯或壓力釋放閥接線盒里筑巢，筑巢材料濕潤或含有金屬導線使得接線端子和防雨罩導通，造成直流接地故障；電纜的絕緣層可能會被老鼠等一些小動物咬破時，引起直流接地。

2 直流接地故障的分類

（1）金屬性接地和非金屬接地。直流系統接地故障按照故障性質共分為兩大類，金屬性接地和非金屬性接地。金屬性接地又稱小電阻直接接地，這種方式的接地電阻小，一般都小于幾十歐姆。非金屬性接地的接地電阻較大，接地特征呈現非線性變化，比如通過半導體材料發生的接地故障、二次接線帶電裸露銅線接觸金屬外殼漆面、天氣變化導致直流系統的絕緣電阻值往復波動，絕緣監控裝置較難正確選出支路，對于這種接地的查找比金屬接地要困難。

（2）電源互串接地。電源互串接地是指與其他電源(直流或交流)產生電氣聯系發生接地，分為交流系統的一端竄入直流系統接地、直流互串接地。直流系統通過交流電源與地發生連接，稱為交流竄入直流接地；通過一點的互聯使兩套不同蓄電池供電的直流系統連接到一起而造成的接地故障，稱為直流互串接地故障。

（3）絕緣監控裝置誤報的假性接地。絕緣監控裝置以電氣量（漏電流）作為判據，但是除接地故障外，還有其他電氣量因素影響判據。比如說負荷電流變化產生不同頻率的感應電流會影響絕緣監控裝置，導致絕緣監控裝置無法判斷正確；具有長電纜線路直流系統的對地電容，在加入的信號波長較短時，會產生較大的接地電容電流，使得絕緣監控裝置誤判為接地支路；永久接地點斷開，使絕緣監控裝置失去參考地電位，測量到的母線對地電壓不是正常意義下的對地電壓，從而誤發接地報警信號。

3 直流接地故障的危害

在變電站直流系統檢修過程中最常見的故障就是接地故障，根據故障點數量，可以分為單點接地和兩點及以上的多點接地。直流系統發生只有一點的接地時，一般情況下不會造成事故跳閘，但是如果沒有在短時間內消除直流接地故障，時間一長就可能發展成多點接地。直流系統發生兩點及以上的接地時，會產生嚴重的后果，相同極性的接地可能會引起斷路器誤動作跳閘，不同極性的接地可能造成直流熔斷器的燒壞、保護跳閘出口的回路二次接線短接，如果這時恰好對應電力系統一次設備發生故障該斷路器有拒動的可能，那么這時候只能由上一級的保護動作切除故障，擴大了最終的事故停電范圍。因此直流系統發生一點接地后應盡快確定接地故障點位置并采取有效措施，使直流系統恢復正常絕緣。

4 直流接地故障的處理

一般來說，直流絕緣監測及接地選線裝置，理論上可以較好地識別金屬性接地，靈敏度較高、判斷結果比較準確。但對于非金屬性接地等其他的接地故障，誤選、漏選的概率較大，常常不能準確定位接地支路，這時需要進行人工選線。人工檢測方法主要分為經驗判斷、拉路法、暫代電源法。

（1）經驗判別法。根據以往直流故障消除經驗，接地故障往往發生在新投運或改造的二次設備和回路以及室外易受潮處、事故照明UPS用直流輸入。這些接地故障發生較多，占有較大比例，發生接地時積極聯想有時可以迅速鎖定接地位置。首先查找直流系統有關的新投運、改造、戶外設備和回路，尤其重點查找是否存在端子箱和匯控柜漏雨、封堵不嚴的地方，先檢查這些容易發生直流接地故障的部位，往往能取得事半功倍的效果。匯控柜、端子箱內受潮應開啟加熱器或除濕器進行除潮處理。再就是檢查二次接線經屏柜門的開合出，此處防護不好容易磨損二次線芯造成直流接地。還要檢查屏柜內是否有裸露線芯情況，注意做好絕緣或更換新二次線芯處理。此方法的優點是直接、快速，缺點是帶有一定盲目性。

（2）拉路法。拉路法是最簡單也是現場常采用的一種人工檢測方式，多用于能短時斷電的非重要回路。逐一短時斷開各支路熔斷器或空氣開關，同時用萬用表測量正極或負極對地電壓，密切觀察直流電壓數值的變化。若斷開某一支路時，萬用表測量的直流正極或負極對地電壓迅速恢復正常，接地信號消失，則接地故障點就可鎖定在此支路范圍內。可以按事故照明、儲能、信號、保護、控制回路的順序依次斷開查找，可結合經驗判別法首先重點檢查二次元器件運行環境，以及在較差的環境狀況下容易引起絕緣降低的回路。值得注意的是，直流系統環網供電的應先拉開環網的開關，再按順序查找。拉路法優點是操作簡單，可以快速準確定位故障支路，缺點是負荷支路須短時停電，保護有拒動、誤動風險。

（3）暫代電源法。暫代電源法的好處是負載支路不需停電，不需要將保護裝置的出口壓板停用，拉合直流時避免出現保護誤動，克服了拉路法短時斷電的缺點，可用于不能斷電的重要回路，方便排查出蓄電池、充電機、直流母線的接地等非支路接地的故障情況。缺點是人為的誤操作短路存在負荷支路失去電源的風險；對于負載支路接地的情況無能為力，增大直流接地、短路情況的可能性，延長了故障消除的時間。

（4）改進措施分析。一是變電站內檢修施工現場重點排查。當出現直流接地故障時，應停止站內的一切工作，全面開展作業地點排查，重點檢查檢修施工設備及其二次接線的絕緣性。在變電站內進行作業時經常出現接地故障，主要是安全措施執行不嚴導致的。最常見的原因是：電纜二次接線過程中，一端已與運行直流系統連接，另一端沒有做好絕緣包扎，易造成沒有包扎好的電纜一頭接地，導致接地故障發生。對工作中動過的二次線要及時恢復，不能恢復的要用絕緣膠帶等包裹好。注意檢查二次電纜薄弱處受力情況，是否因嚴重受力導致絕緣損壞接地。

二是按照先內后外的順序排查。在排查接地故障時，應遵循先內部，再慢慢向外部排查的規則。根據直流監測裝置等設備確定接地支路，利用便攜式直流檢測儀確定回路及其二次線。一般來說，如果是室外故障，那么問題多數出現在端子箱、匯控柜。在室外排查時，重點檢查元器件、機構箱、電纜線路等位置，重點查看有沒有出現封堵不嚴、受潮、漏電、被腐蝕以及其他絕緣度下降現象。增強平時巡視的端子箱、匯控柜的密封檢查，適時進行灰塵清掃、漏洞封堵，保持箱和柜內的干燥、整潔。

5 某110 kV變電站直流接地故障處理過程

110 kV某變電站建成投運以來，隨著使用年限的增加，直流系統開始出現各種問題。其中最大問題是直流系統絕緣異常頻發，往往等二次檢修人員到達現場時又復歸了，這個問題一直困擾著檢修人員。

某次檢修人員到現場排查直流接地告警缺陷，根據裝置歷史告警記錄，查找到是主變保護測控屏支路，根據檢修經驗判斷大概率是主變本體及周圍附屬二次接線絕緣降低。因為此時直流接地已經復歸，檢修人員對主變本體端子箱、有載調壓機構箱、中性點刀閘機構箱等檢查是否封堵不嚴，是否進水等，未發現明顯異常。在等待一段時間后，直流系統接地未再發生，二次人員撤離。

僅過了4個小時后，監控報該站直流系統接地，檢修人員重新辦理工作票進行檢查消缺，到達現場檢查絕緣監控裝置發現直流系統正接地，接地電阻40 kΩ，負極對地絕緣也有降低，對地電阻160 kΩ，所選支路仍為主變保護測控屏支路。為進一步確認直流系統接地故障點，檢修人員申請停用主變本體測控裝置、非電量保護裝置。在得到運維人員許可并采取安全措施后，檢修人員首先斷開本體測控裝置電源，用萬用表測量現場直流系統電壓，結果仍然正極接地；再停用非電量保護裝置電源時，測量直流系統對地電壓恢復正常，繼而絕緣監控裝置報警恢復。但是在投入非電量保護裝置電源時，直流系統接地故障未再發。經分析判斷，懷疑非電量回路發生了高阻接地。為進一步確認直流系統接地故障位置，從根源上徹底消除安全隱患，檢修人員決定對主變非電量保護二次回路進行全面的絕緣排查。檢修人員首先將非電量保護裝置的背部接線拆除，以便同非電量保護外部二次回路隔離，防止絕緣測試時損壞裝置內部插件。為了防止絕緣測試誤加到運行回路中，檢修人員選擇在主變本體端子箱測試非電量保護回路二次接線絕緣。在用萬用表測試非電量二次回路無電后，檢修人員用500 V電壓檔對回路進行測試，發現有載調壓油位異常回路絕緣異常，該遙信公共端對地電阻只有幾百歐姆，兩副接點的另外兩端對地電阻在100～200 kΩ之間。在對其進行分段排除檢測后，發現有載調壓油位異常回路本體端子箱至油位接線盒處之間的絕緣降低。

經申請主變停電后，檢修人員最后鎖定有載調壓油位異常回路本體端子箱至油位接線盒處之間的電纜絕緣降低，檢查發現電纜線芯在拐彎處因絕緣層受力發生破損，與外部屏蔽層短接，因為屏蔽層接地進而導致直流系統接地。更換新電纜，并合理規劃敷設路徑，恢復有載調壓油位異常二次回路后，用絕緣搖表測試非電量回路絕緣滿足要求，非電量回路上電后直流系統運行正常，未再出現直流接地情況。這是一起典型的室外非金屬性接地故障，接地初始雖有電壓降低，但是接地電阻下降不多，且在投退相關回路電源后迅速恢復正常絕緣，直流絕緣檢測儀未再報接地，現場人員無法進一步核實確定接地回路。待第二次接地發生后，作業人員通過測試相關回路絕緣電阻的方法最終確定對應非電量回路，由主變停電敷設新電纜解決。

6 結束語

目前，一般通過查閱絕緣監控裝置與選線裝置，金屬接地可以準確找出故障點，而其他的接地故障尤其是非金屬接地等，現在還沒有較快較準確的查找方式方法。對于非金屬接地故障，首先要結合故障告警信號上送情況，再根據符合現場實際的二次控制回路圖并通過檢修人員手動進行排查。但是，根據運維檢修經驗這些報警信號往往頻繁上送復歸，這對現場的檢修人員提出了更高更細致的要求，檢修人員需要具備豐富的直流消缺經驗并結合相關儀器儀表的信號，才能迅速而準確地排查到故障點。所以要充分利用便攜式直流檢測儀來進行驗證和尋找支路中接地回路，根據圖紙或相關回路指示信號逐線細致排查。直流系統接地的消除工作比較復雜，只有切實了解現場實際運行條件和接地情況，靈活地綜合使用不同方法，才能準確快速地定位故障點以消除缺陷。