廠站直流系統(tǒng)絕緣故障成因與控制措施

鐘韻美，才 璐

國能（天津）大港發(fā)電廠有限公司，天津 300272

0 引言

廠站通過全面統(tǒng)籌控制管理系統(tǒng)、信號保護及裝置設定，使得電路可以在一個穩(wěn)定的環(huán)境中運行。但是在實際情況下，饋線支路絕緣較差，導致直流系統(tǒng)的絕緣性能下降，出現(xiàn)絕緣故障，進而導致接地故障。文章對絕緣問題進行分析之后，引入具體實例來詳細論述絕緣的成因及控制措施。

1 廠站直流系統(tǒng)中的絕緣故障

1.1 絕緣故障原理

電力系統(tǒng)的相關技術資料和經(jīng)驗表明，作為直流輸電的重要裝備，交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜在直流作用下如果發(fā)生局部電場畸變[1]，最大電場將會從絕緣內(nèi)測轉(zhuǎn)移到外側(cè)，加速電纜絕緣老化，造成電纜的絕緣性能持續(xù)下降[2]。直流系統(tǒng)下電纜的絕緣性降低會導致單點接地，雖然此時的設備依舊可以正常運行，但是這種現(xiàn)象不可以持續(xù)過久，必須在規(guī)定時間內(nèi)完成故障的排查處理，防止發(fā)生兩點接地故障，避免造成繼電保護裝置的誤動或拒動。在正負極接地時，如果直流系統(tǒng)的正極接地，有可能造成保護誤動；如果直流系統(tǒng)的負極接地，有可能造成保護拒動。

雙點短路故障的暫態(tài)過程可以分為電容放電階段和二極管導通階段，前者是正負極剛開始接地的階段，換流器的并聯(lián)電容通過電纜對故障點進行放電，由于電纜內(nèi)部電阻持續(xù)下降，電流強度會維持在一個很高的狀態(tài)；后者是交流側(cè)已經(jīng)饋入三相短路電流，與電感續(xù)流回路形成故障電流[3]。受外界因素的影響，絕緣性能如果持續(xù)下降，當直流系統(tǒng)的正極或負極與大地之間的絕緣水平降到某一整定值或低于某一規(guī)定值時，即為直流系統(tǒng)接地。根據(jù)相關電壓標準，不同電壓等級的系統(tǒng)，其絕緣整定值也不同。具體如表1 所示。

表1 不同系統(tǒng)電壓下的絕緣整定值

1.2 故障成因

1.2.1 設備運行環(huán)境較差

如果設備長時間處于潮濕環(huán)境下，二次回路和設備受潮明顯，容易引發(fā)凝露現(xiàn)象。當接線盒、電纜溝的設置和安放密封不嚴，存在縫隙時，容易浸入水分。雨天空氣濕度大，故障也更常發(fā)生。一些設備如果長期處于震動較大的環(huán)境下，也會造成接線松動，導致脫落，與金屬物件相碰，造成直流接地現(xiàn)象。此外，部分開關柜長期工作于高電壓、大電流和高強度磁場環(huán)境中，出現(xiàn)故障的可能性比較大[4]。

1.2.2 設備損壞

交流充電機故障導致諧波數(shù)值超出正常水平[5]。如果諧波直流系統(tǒng)諧振，諧波的電壓會迅速升高，電流強度持續(xù)增大，從而導致繼電保護和自動裝置出現(xiàn)誤動，對通信設備造成嚴重干擾，引發(fā)直流系統(tǒng)故障，對直流系統(tǒng)內(nèi)部的絕緣性能不可避免地造成影響。

1.2.3 二次回路絕緣性能下降

二次回路容易受到內(nèi)外因素的影響，在外在因素方面，如果受到不可控的壓迫或扭曲，很容易破壞線路的絕緣層；在內(nèi)在因素方面，如果內(nèi)部電流經(jīng)過引發(fā)燒傷問題，也會對絕緣性能造成影響。相關工作人員如果不及時進行材料的修復和更換，會導致設備老化，部件損壞程度大。

1.2.4 小動物的破壞

控制箱和接線盒等二次設備如果不加之防護和密封，一些小動物可能會爬進去，對電纜設備造成污染，或者啃傷設備，影響設備的正常運行，導致絕緣性能降低和接地問題的出現(xiàn)。

1.2.5 人為因素的影響

人為因素也會造成絕緣性能降低。如果工作人員在進行接線拆除時，沒有做好絕緣隔離的準備，就會直接造成直流接地。

1.3 絕緣故障的危害

直流系統(tǒng)中發(fā)生單點接地現(xiàn)象，回路中不會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，相關的熔斷器也不會出現(xiàn)故障，系統(tǒng)在表面看起來依舊處于正常運行狀態(tài)。如果工作人員沒有在一定時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，會造成后續(xù)的兩點接地，導致繼電保護裝置和自動裝置的誤動和拒動[6]，甚至會造成熔斷器熔斷，使直流系統(tǒng)中的回路失去電源電力支撐。如果出現(xiàn)同極兩點接地現(xiàn)象，電流會在土壤中形成一定的電位梯度，對地表點位的分布造成影響，很有可能會加速地下的金屬管道腐蝕[7]。由此可見，直流系統(tǒng)中的絕緣故障如果得不到妥善處理，不僅會影響系統(tǒng)內(nèi)設備使用壽命，還會對整個電力系統(tǒng)及土壤環(huán)境造成威脅，產(chǎn)生不容小覷的生產(chǎn)事故。因此，工作人員發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)有接地現(xiàn)象后，要立刻采取妥當?shù)姆绞讲檎医拥攸c，排查故障，防止造成后續(xù)的兩點接地，引發(fā)不必要的危害。

2 直流系統(tǒng)絕緣故障的控制措施

2.1 采用常見的直流系統(tǒng)絕緣接地故障查找方法

2.1.1 經(jīng)驗判斷法

（1）借助相關儀器設備。要借助相關測量儀器和儀表檢查直流系統(tǒng)的絕緣狀況，核查接地正負極和絕緣異常情況，然后根據(jù)裝置報出的大概范圍進行檢索排查。

（2）采用最直接的問話方式。詢問是否有工作人員在直流系統(tǒng)的回路中進行了相關的檢修工作，并安排人員對相關設備進行檢查測量。

（3）及時排查設備。要根據(jù)天氣情況、設備檢修記錄、設備缺陷問題等因素，對有一定隱患的設備進行排查。

（4）采取合適的排查順序。要堅持優(yōu)先室外排查、后續(xù)室內(nèi)檢查；優(yōu)先信號提示、后續(xù)進行操作；按設備重要性的順序排查的工作原則查找設備接地問題。

（5）結(jié)合直流系統(tǒng)運行原理排查故障。如果根據(jù)常規(guī)的經(jīng)驗判斷手段和方法不能準確查找問題的所在，就需要根據(jù)直流系統(tǒng)的運行原理，運行直流母線，按照相關步驟從蓄電池組中推理出故障，進行分開排查。

2.1.2 拉回路法

拉回路法是短時斷開饋電分路，檢查是否存在接地信號的方法。如果斷開分路之后，原本存在的接地信號消失，表明直流系統(tǒng)的絕緣接地故障就在此段分路中。但是現(xiàn)階段隨著相關電力單位對用電可靠性和安全性的要求不斷提升，拉回路法的檢測方式需要短時斷電，容易造成電網(wǎng)供電的不可靠性。因此，在非必要時盡可能減少這種方法的使用。

2.1.3 使用便攜式探測儀

便攜式探測儀的工作原理是在直流母線和大地之間添加一個低頻的交流信號，信號由發(fā)生器傳播，經(jīng)過直流系統(tǒng)再從接地點返回。工作人員可以利用鉗形的電源探頭按照電流信號的走向進行探測，低頻信號會在接地點的位置出現(xiàn)與正常信號有差異的信號提示，工作人員可以根據(jù)出現(xiàn)信號差異的位置判斷接地點，從而對直流系統(tǒng)中的絕緣故障進行處理。

還有一種主從式的便攜絕緣檢測儀可以檢測直流系統(tǒng)的絕緣性能，這種儀器的工作原理是以動態(tài)差值為計算基礎進行電路的檢測。儀器由主機部分和從機部分兩部分組成，如圖1 所示。主機可以檢測眾多支路，從機可以監(jiān)控母線的絕緣情況。相關人員可以根據(jù)主機、從機儀器中的直流數(shù)值來判斷支路和母線是否發(fā)生絕緣性能下降的問題。

圖1 主從式便攜檢測儀總體設計圖

2.2 采用可靠性強的絕緣監(jiān)察裝置

絕緣監(jiān)察裝置能夠在正極或負極的絕緣電阻降低到系統(tǒng)整定值時，不受其他因素影響，自主發(fā)出燈光警報和音響信號，對電阻降低或絕緣現(xiàn)象做出及時反應，為工作人員進行警報提示。另外，工作人員也可利用它來判斷直流系統(tǒng)中接地點，正、負極的絕緣電阻值和具體的故障接地分路。

2.3 多角度排查直流接地情況

受技術、運行環(huán)境等多方面因素的影響，現(xiàn)階段廠站直流系統(tǒng)的絕緣問題時有發(fā)生。如何提升廠站直流系統(tǒng)的絕緣控制效果和控制水平成為當前工作人員面臨的重要挑戰(zhàn)。相關工作人員應當對廠站直流系統(tǒng)的接地狀況進行全面分析和排查，對可能存在的問題進行全面的優(yōu)化與改進，提升直流系統(tǒng)絕緣效果與絕緣性能，降低事故風險，從而杜絕安全事故的發(fā)生。

2.3.1 制訂排查計劃

需要針對直流系統(tǒng)的接地狀況制訂周密的排查計劃。由于運行環(huán)境存在差異，廠站直流系統(tǒng)的接地性能各不相同。相關工作人員及技術人員應結(jié)合廠站直流系統(tǒng)的運行環(huán)境，制訂排查方案，確保廠站直流系統(tǒng)運行環(huán)境的清潔干燥，減少外部環(huán)境對直流系統(tǒng)接地產(chǎn)生的不利影響，有效改善其絕緣性能。

2.3.2 防止動物對設備的破壞

由于廠站多建于遠離市區(qū)的郊區(qū)或山中，這些地區(qū)可能會有動物出現(xiàn)，對廠站直流系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不利影響。因此相關工作人員應當全面檢查當?shù)丨h(huán)境，采取綜合措施對動物進行防護，進而使廠站直流系統(tǒng)的絕緣性能及運行安全得到全面提升，降低可能存在的安全風險及安全隱患。

2.3.3 定期檢查線路及設備

在長期的使用過程中，廠站直流系統(tǒng)的絕緣情況可能會由于線路老化及維護技術等因素受到影響，廠站工作人員應當定期對直流系統(tǒng)絕緣性能進行全面分析，及時處理可能存在的線路老化或設備問題，排查、分析和處理直流系統(tǒng)中的隱患和缺陷，從而減少安全事故的發(fā)生，提升廠站直流系統(tǒng)運行效果。

2.3.4 加強維保人員的培訓

為了進一步提升廠站直流系統(tǒng)管理水平，相關管理者還應當結(jié)合當前廠站直流系統(tǒng)運行狀態(tài)對維保人員進行培訓，使他們能夠進一步明確廠站直流系統(tǒng)的運行規(guī)程及運行要點，從而更加全面地排查系統(tǒng)問題，不斷提高直流系統(tǒng)管理質(zhì)量。

2.4 采用直流接地故障隔離系統(tǒng)

直流接地故障隔離系統(tǒng)主要采用具有相互獨立性的雙直流電源向用電單元供電，一個是直流系統(tǒng)的常用電源，主要負責向直流系統(tǒng)內(nèi)部全部用電設備供電；另一個是隔離電源，處于備用狀態(tài)，如果常用電源出現(xiàn)故障，將由備用電源供電，隔離電源是臨時備用電源，電源容量可以與常用電源不同。每個饋線支路分別設有兩個開關器，分別控制常用電源和隔離電源。當直流系統(tǒng)中存在一個或多個饋線支路絕緣故障時，工作人員可以通過手動或自動控制將故障支路從常用電源切換到隔離電源。在整個切換過程中，用電設備不會出現(xiàn)斷電情況。在相同的時間內(nèi)只允許切換一條支路，有效防止了故障支路在單點接地的狀況下強行工作而對平穩(wěn)支路造成的消極影響。在完成切換，將故障支路執(zhí)行隔離操作后，如果發(fā)現(xiàn)原有的直流電源中的絕緣故障復歸，就證明已經(jīng)將絕緣接地點從直流系統(tǒng)中隔開。再以此為基礎，查找故障接地點，等到絕緣故障問題解決以后再把饋線支路重新復位到原有的直流系統(tǒng)中，完成工作流程。整個隔離系統(tǒng)涵蓋了絕緣故障報警、故障支線隔離、故障定位查找、系統(tǒng)恢復等多個絕緣故障查找、恢復步驟，有效解決了直流系統(tǒng)絕緣故障造成的接地事故。

3 結(jié)束語

綜上所述，廠站中的直流系統(tǒng)如果出現(xiàn)絕緣故障，將會引發(fā)單點接地和雙點接地故障，如果相關工作人員不能及時采取控制措施處理，將會嚴重影響直流系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性和安全性。當直流系統(tǒng)出現(xiàn)絕緣異常問題，相關人員要利用合理的排查方式，有序查找接地點，進而解決故障。