直流系統(tǒng)接地故障查找方法及其優(yōu)缺點(diǎn)分析

中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司 李 巖 唐金勝 蘭州基時(shí)智造電源有限公司 黃智遠(yuǎn)

直流系統(tǒng)是繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、遙控電源、操作回路、信號(hào)回路、微機(jī)以及五防系統(tǒng)的直流供電電源，包括交流充電裝置、饋電屏、蓄電池組、電池巡檢裝置、監(jiān)控單元和絕緣監(jiān)測(cè)等。直流系統(tǒng)的故障主要是饋線屏后所帶的各支路負(fù)荷間的相互影響造成的，即饋線屏后端出現(xiàn)故障是導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的根源，接地故障是最常見(jiàn)的故障類(lèi)型。絕緣降低故障主要體現(xiàn)在正極或負(fù)極絕緣降低，若不及時(shí)處理有可能發(fā)展成金屬接地。交流竄入直流系統(tǒng)，由于直流回路是正負(fù)極對(duì)地絕緣系統(tǒng)，而交流回路是接地系統(tǒng)，若發(fā)生混線勢(shì)必會(huì)造成直流接地。

在電力二次系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，直流系統(tǒng)是其結(jié)構(gòu)重要的構(gòu)成因素，對(duì)繼保、運(yùn)行及通訊設(shè)施等安全性能和穩(wěn)定性方面具有關(guān)鍵的影響作用，因此其發(fā)展情況受到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員的廣泛重視[1]。電網(wǎng)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行階段，直流系統(tǒng)對(duì)保護(hù)設(shè)施的誤動(dòng)和拒動(dòng)具有一定的影響效果，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行起到了決定性作用。

1 接地故障發(fā)生原因及危害

1.1 產(chǎn)生的原因

在發(fā)生接地故障中，發(fā)生較為頻發(fā)的故障主要是端子排具有污濁、不具備良好的干燥性以及絕緣發(fā)生損壞，電纜的彎曲處或通過(guò)金屬位置過(guò)程中接地故障極易發(fā)生，倘若備用的電纜芯并沒(méi)有給予絕緣處理同樣會(huì)導(dǎo)致接地情況發(fā)生。本文其進(jìn)行了總結(jié)列舉了四個(gè)層面：線路由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行而發(fā)生絕緣老化，此種情況會(huì)導(dǎo)致漏電接地現(xiàn)象[2]；由于周邊環(huán)境不具備良好的干燥性，端子排上灰塵等異物而導(dǎo)致接地現(xiàn)象發(fā)生；由于不同因素的干擾線路自身質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生損壞導(dǎo)致接地現(xiàn)象；由于工作人員工作中的失誤導(dǎo)致接線出現(xiàn)錯(cuò)誤從而導(dǎo)致接地現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 直流接地的危害性

在鐵路用電系統(tǒng)總控制室中，控制室內(nèi)外都配置有微機(jī)控制保護(hù)設(shè)施，而此些設(shè)施的正常運(yùn)行都需要直流電源給予提供穩(wěn)定的電量，倘若直流接地故障較輕對(duì)設(shè)施的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的干擾，對(duì)于二次回路而言同樣不會(huì)導(dǎo)致相關(guān)事故的發(fā)生[3]。可是發(fā)生兩點(diǎn)接地情況便會(huì)對(duì)二次回路產(chǎn)生較大的影響，若發(fā)生正極兩點(diǎn)接地情況會(huì)極易導(dǎo)致開(kāi)關(guān)按鈕和接觸器出現(xiàn)短路現(xiàn)象，進(jìn)而促使開(kāi)關(guān)出現(xiàn)跳閘。若正負(fù)極兩點(diǎn)發(fā)生接地極易導(dǎo)致跳閘線圈發(fā)生短接現(xiàn)象，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題過(guò)程中，跳閘線圈會(huì)發(fā)生停止運(yùn)動(dòng)，促使開(kāi)關(guān)不能實(shí)現(xiàn)跳閘進(jìn)而使故障不斷的擴(kuò)張。倘若使正負(fù)極發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)被熔斷而直流設(shè)施發(fā)生斷電。因此一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地預(yù)警情，為確保設(shè)施正常運(yùn)行以及防止重大事故的產(chǎn)生，應(yīng)對(duì)根據(jù)預(yù)警對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)的排查和處理。

倘若直流正極發(fā)生接地現(xiàn)象，保護(hù)設(shè)備和自動(dòng)設(shè)備則極易發(fā)生誤動(dòng)[4]。主要是由于負(fù)極和大多數(shù)斷路器的閘線圈及繼電器線圈之間連接，倘若回路中另外一端出現(xiàn)接地現(xiàn)象，對(duì)保護(hù)設(shè)施極易發(fā)生誤觸。若直流負(fù)極發(fā)生接地現(xiàn)象自動(dòng)裝備和保護(hù)裝備會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于負(fù)極接地發(fā)生后，假如回路中另外一端同樣出現(xiàn)接地情況，兩處的接地點(diǎn)相當(dāng)于將斷路器中的分合閘線圈和繼電器保護(hù)線圈直接短接，促使保護(hù)設(shè)施不能正常運(yùn)行。若此種情況沒(méi)有得到及時(shí)控制，會(huì)使較大的短路電流將直流電源的保險(xiǎn)絲熔斷，最終導(dǎo)致每個(gè)設(shè)施的連接點(diǎn)被短路電流燒斷，導(dǎo)致直流系統(tǒng)不能正常運(yùn)行而出現(xiàn)的癱瘓情況。

2 查找直流系統(tǒng)接地故障的方法及其優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 拉回路法

拉回路法是直流接地故障排查過(guò)程中常用的措施，其使用步驟為：結(jié)合回路的重點(diǎn)方面，將每個(gè)回路的直流電源給予關(guān)閉，將回路電進(jìn)行逐個(gè)查找，并確保每次回路失電時(shí)間在三秒以內(nèi)。此種方式的實(shí)質(zhì)在于對(duì)接地預(yù)警有無(wú)停止進(jìn)而將接地點(diǎn)范疇予以縮小[5]。此種方式在操作便捷并向自動(dòng)化方向發(fā)展，直流系統(tǒng)在其發(fā)揮的效用不容小視，此種檢驗(yàn)方式對(duì)其他系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)具有影響性。更加重要的是，由于目前需求日益提高，二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性，對(duì)部分電場(chǎng)而言二次回路具有復(fù)雜、互相干擾、不易辨別等特點(diǎn)，部分還會(huì)發(fā)生閉環(huán)回路不同于正常回路，此種情況增加了拉回路排查接地問(wèn)題的難度。

2.2 信號(hào)注入法

屬于直流系統(tǒng)接地故障的選線裝備，工作步驟為：將直流系統(tǒng)中每個(gè)支路上配置具有反饋檢查信號(hào)的電流互感設(shè)備，將傳輸收集到的反饋信號(hào)給予編號(hào)處理，其同接地檢查設(shè)備呈現(xiàn)的編號(hào)相互對(duì)應(yīng)，使各個(gè)支路中的互感設(shè)備對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)施檢測(cè)和反饋，并傳輸給直流地選線裝備、進(jìn)而對(duì)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，若信號(hào)出現(xiàn)異常現(xiàn)象，接地檢測(cè)設(shè)備便可將相應(yīng)的支路予以顯示，進(jìn)而使工作人員對(duì)出現(xiàn)故障的支路進(jìn)行快速的確定[6]。以下對(duì)兩種信號(hào)注入法進(jìn)行講述。

第一種為低頻信號(hào)注入法（圖1），其排查直流接地步驟為：當(dāng)直流母線電橋?qū)拥毓收蠙z查到后，低頻信號(hào)會(huì)由信號(hào)發(fā)生傳輸?shù)椒种Щ芈分校绱藢?duì)應(yīng)的支路自身的反饋信號(hào)便可由電路互感器獲取，并對(duì)該信號(hào)變化特點(diǎn)給予分析，便可將接地故障具體部位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[7]。當(dāng)電流互感器在檢測(cè)過(guò)程中每條線路和設(shè)施都會(huì)給予細(xì)致的檢查，不會(huì)發(fā)生遺漏現(xiàn)象，而工作者對(duì)每個(gè)支路反饋信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的收集，一旦發(fā)現(xiàn)回路內(nèi)部中的低頻電流信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)情況，便可對(duì)此處出現(xiàn)接地現(xiàn)象給予初步確定。此種注入法的核心是計(jì)算機(jī)反饋電流，依賴(lài)于直流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，因此可導(dǎo)入一個(gè)觀念即瞬時(shí)I-R邊際替換率：

圖1 低頻信號(hào)注入法運(yùn)行圖

對(duì)于瞬時(shí)邊際替換率，其臨界值體現(xiàn)出一定的特殊性，等同于整定值，當(dāng)電壓有所差異時(shí)系統(tǒng)數(shù)值也存在一定差異性，m為該點(diǎn)斜率的絕對(duì)值，如直流系統(tǒng)支路并未接地，那么全部支路的瞬時(shí)邊際替換率將在m以上；如果某一支路處在接地的范圍內(nèi)，此點(diǎn)的瞬時(shí)邊際替換率的值將在m以下，所以此方法對(duì)不同系統(tǒng)均具有適用性，能夠?qū)拥刂樊a(chǎn)生明確認(rèn)知[8]。

變頻信號(hào)注入法。此種方法同低頻信號(hào)注入法使用原理相似，各支路上的發(fā)射幅穩(wěn)定而頻率時(shí)變的信號(hào)，對(duì)互感器收集的電流幅值給予計(jì)算，便可獲取到各條分支回路中的阻性電流。其同低頻信號(hào)注入法的區(qū)別在于變頻信號(hào)輸入法應(yīng)用頻率替換變化中的低頻信號(hào)為檢查信號(hào)。通過(guò)此可看出，信號(hào)注入法可將拉回路法中存在的不足予以彌補(bǔ)，對(duì)故障發(fā)生電進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中不需對(duì)每個(gè)回路進(jìn)行逐個(gè)排查，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，在將電流互感器當(dāng)做檢測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上完成了線上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)檢測(cè)設(shè)備便可迅速的將故障支路給予針對(duì)性的提示，從而使排查故障和處理故障的時(shí)間得到有效的降低。

但是信號(hào)注入法同時(shí)也存在一些不足，因此電力系統(tǒng)通常會(huì)保持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，而此種方式會(huì)貿(mào)然的向各個(gè)工作支路發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，此種方式會(huì)對(duì)沒(méi)有發(fā)生故障運(yùn)行正常的支路造成一定的影響，尤其是對(duì)工作精度要求較高的電路和設(shè)施的影響會(huì)更大[9]。信號(hào)注入法對(duì)故障查找較為迅速，但僅能具體到某條支路，對(duì)出現(xiàn)接地故障的準(zhǔn)確位置還需對(duì)此支路給予細(xì)致的排查和檢測(cè)。若電容配置具有密集性的電路，注入信號(hào)以后獲得到的反饋信號(hào)通常會(huì)摻雜較多的干擾信號(hào)（圖2），此種情況的存在會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤。

圖2 互感器反饋的原始信號(hào)

信號(hào)注入法的優(yōu)勢(shì)填補(bǔ)了平衡電橋在線檢測(cè)的基礎(chǔ)上細(xì)化到各條支路上，對(duì)各條支路的詳細(xì)狀態(tài)予以掌控。但此種方法由于不具備精準(zhǔn)的準(zhǔn)確性能、抗干擾能力不高及電路狀況復(fù)雜等情況，其使用具備一定的制約性。

2.3 便攜式直流接地查找裝置定位法

當(dāng)直流系統(tǒng)接地故障出現(xiàn)后，通常使用便捷式直流接地故障查找設(shè)備對(duì)地接位置進(jìn)行排查。此中方式工作原理同信號(hào)注入法相近，最大的區(qū)別在于其方便攜帶，使現(xiàn)場(chǎng)排查具有便利性。此種設(shè)備在對(duì)故障位置進(jìn)行排查過(guò)程中，不需將回路電源進(jìn)行關(guān)閉，同信號(hào)注入法對(duì)比可把故障范疇極大程度給予縮小，并將故障發(fā)生位置給予準(zhǔn)確確定，給工作人員故障排查提供了極大幫助。在電路較為復(fù)雜或設(shè)施數(shù)量過(guò)多情況下，此裝置的便捷性和故障查找的快速性尤為突出[10]。

可是在具體故障中，當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地現(xiàn)象時(shí)，有可能會(huì)通過(guò)過(guò)渡電阻的情況發(fā)生，因?yàn)殡娮柚邢蘖鞯挠绊懀瑢?dǎo)致發(fā)生故障的支路低頻信號(hào)電流發(fā)生降低，此種情況給故障支路查找增加了難度。在多少情況下出現(xiàn)的接地故障通常是由于發(fā)生絕緣異常、但是過(guò)渡電阻均通過(guò)了該些接地，在該種情況下便攜式直流系統(tǒng)接地故障查找裝置的局限性被凸顯出來(lái)。

3 故障查找中的注意事項(xiàng)

在接地故障排查階段，應(yīng)確保設(shè)施和工作人員的安全性，因此在接地故障排查過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[11]。

若直流系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)接地故障的情況下，不可在二次回路上進(jìn)行工作；倘若需用拉回路法，將直流電源進(jìn)行停止時(shí)，首先要獲得調(diào)度工作人員允許，并確保斷電時(shí)間不能超過(guò)三秒鐘，操作要具有快速性，防止失去保護(hù)電源；為進(jìn)一步降低誤判的發(fā)生幾率，在對(duì)地接故障進(jìn)行判斷時(shí)，應(yīng)結(jié)合信號(hào)、光字牌等多個(gè)層面給予整體的分析和判斷，確保判斷的準(zhǔn)確性；在進(jìn)行故障查找過(guò)程中應(yīng)避開(kāi)電負(fù)荷峰值期；在對(duì)故障進(jìn)行排查過(guò)程中應(yīng)避免短路和另一端接地的發(fā)生，防止跳閘情況；在進(jìn)行接地故障查找時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)施的接線圖紙進(jìn)行正確的操作，盡量降低端子誤拆和恢復(fù)線路錯(cuò)接的情況發(fā)生，在拆線過(guò)程中應(yīng)將線路進(jìn)行標(biāo)記。

在故障排查過(guò)程中，使用的儀器表的內(nèi)阻在2000Ω/V以上；排除故障過(guò)程中，需要確保兩人以上在場(chǎng)，不但能夠進(jìn)行安全監(jiān)管，同時(shí)可防止觸電事故發(fā)生，保障安全[12]；為有效規(guī)避出現(xiàn)保護(hù)誤操作，除必要情況外，只有排除可能出現(xiàn)誤操作保護(hù)后方可對(duì)順斷操作電源實(shí)施操作，操作電源恢復(fù)正常情況時(shí)可重新投入保護(hù)；嚴(yán)禁在主流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障之后通過(guò)燈泡照明的方式尋找接地點(diǎn)，以避免造成直流回路出現(xiàn)短路情況。