变电站站用直流系统接地现象及辨识.pdf

第二十八卷第二期Vol.28,No.2JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE安徽电气工程职业技术学院学报2023年6 月June 2023变电站站用直流系统接地现象及辨识李炎，严太山，张昭源，章俊辉（国网安徽省电力有限公司超高压分公司，安徽合肥摘要：文章首先简要分析了直流系统的重要性及发生直流接地的危害，系统地模拟了不同类型直流接地故障，分析了不同类型直流接地故障的异同点。通过对不同类型直流接地的分析，找出辨识接地类型的方法。最后总结了直流接地期间的相关要求，为现场人员提供了有效的直流接地故障排查思路。关键词：直流接地；平衡接地；直流互窜；交流窜入中图分类号：TM86231131)文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-9 7 0 6(2 0 2 3)0 2-0 0 1 5-0 7Identification of DC System Grounding Fault in SubstationsLI Yan,YAN Taishan,ZHANG Zhaoyuan,ZHANG Junhui(State Grid Anhui Ultra High Voltage Company,Hefei 231131,China)Abstract:This paper first gives a brief analysis of the importance of DC system and the harm of DCgrounding,simulates various types of DC grounding faults and analyzes the similarities and differences.Through analysis,the paper finds out ways of identifying different types of DC grounding faults.Finally,itsummarizes the related requirements during the DC grounding,which provides effective troubleshootingideas for the field personnel.Key words:DC system grounding;balance grounding;DC crosstalk;AC injection0引言变电站直流系统是由充电装置、蓄电池组、馈电网络等组成，主要为站内保护测控装置、信号回路、控制回路、通信装置等提供稳定可靠的能源。直流系统的可靠运行直接关系到整个变电站甚至区域电网的安全稳定运行。直流系统接地故障是直流系统最常见的故障，因此能够快速的辨识出接地故障的类型对于直流系统的运行维护具有重大的意义 1直流系统接地的类型直流系统在运行中存在多种类型的故障，主要为以下几种。（1）交流窜入：工频交流系统与直流系统发生的非正常电气连接，造成交流电窜人直流母线及直流馈线系统。（2）直流互窜：两段直流母线及其馈出支路相互发生的非正常电气连接，或两套直流系统相互发生电气连接，造成两段直流母线相互连接。（3）接地故障：带电导体和大地之间出现意外连接。收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 9作者简介：李炎（1 9 9 3一），男，安徽滩溪人，工程师，主要从事超高压变电站运检工作。15安徽电气工程职业技术学院学报第二十八卷第二期22直流系统接地现象及辨识方法2.1交流窜入现象：当直流系统发生交流窜入时，如图1 所示。交流窜入极的电压降为0 V，另一极为直流母线电压。绝缘监测装置显示有交流窜人值，绝缘监测装置选线结果为该支路直流接地。原因：因站用低压交流系统为直接接地系统，因此当直流系统发生交流窜入时，相当于金属性接地。辨识方法：使用万用表直流档测量，窜人极电压为0 V，非窜入极电压为直流母线电压。使用万用表交流档测量直流母线正、负极，均存在相同的交流窜入值。引申：当直流系统发生正负极平衡接地和交流窜入时，如图2 所示。其接地现象与单一交流窜入完全相同。仅当解除交流窜入支路之后，绝缘监测装置重新选线方可选出平衡接地支路。如果不解除交流窜人支路，直接通过便携式接地查找仪也可以直接选出全部接地支路。220VI段直流母线220VI段直流母线+20k2图1 交流窜入直流图2交流窜入直流且平衡接地2.2两段直流母线同极互窜现象：当发生两段直流母线同极金属性互窜时，如图3所示。现场无告警，电压均正常，但两段直流母线正极电压会完全相同。原因：即使发生两段直流母线同极互窜，但因两段母线正极电压正常相差不大,因此在正常运行时并无明显异常现象。辨识方法：可将其中一段直流母线充电机由浮充模式改均充模式，或调整其中一组充电机输出电压（抬高或降低5%），观察另一段直流母线电压数值变化情况。其中两段直流互窜极电压完全一致，两段直流母线电压压差与非互窜极压差完全一致。引申：如果两段直流母线之间发生非金属性互窜，如图4所示，则改变其中一段母线电压之后，因该电阻分压造成另一段直流母线电压数值变化不明显，仅能通过便携式接地查找仪选出互窜支路。220VI段直流母线+20k2220V段直流母线220VI段直流母线+220VI段直流母线+20kg图3两段直流系统同极金属性互窜图4两段直流系统同极非金属性互窜16李炎，严太山，张昭源，章俊辉：变电站站用直流系统接地现象及辨识2.3两段直流母线异极互窜现象：当发生两段直流母线异极金属性互窜时，如图5 所示。其中一段直流母线报直流正接地，另一段直流母线报直流负接地，且两段母线接地极电压大小相等，方向相反。220VI段直流母线十220VI段直流母线图5 两段直流系统异极金属性互窜原因：因为直流系统本质就是平衡接地系统，而且两套直流系统结构完全一致，因此对称效应明显。以图6 为例进行计算，图6 电路可等效为图7 所示。1KM+111111KM+220VHHH口R1-30koR2-30koR3-5kQ图6两段直流系统异极非金属性互窜220V1KM.1KM.2KM+R-10ko绝缘监视继电器2KM+220V口R4-30 koR6-5ko2KM-R5-30ko220V2KM-口R1-30ko口R2-30kQ1R-5ko2R-5kQR4-30kQR5-30kQ绝缘监视R3-5ko继电器绝缘监视R6-5kQ继电器三图7两段直流系统异极非金属性互窜等效电路通过计算可得1 KM+的电压为1 9 8.0 1 V,1KM-的电压为-2 2 V,2KM-的电压为-1 9 8.0 1 V，2KM+的电压为2 2 V。辨识方法：当两段直流母线发生异极金属性互窜时，一段母线正极电压抬高或降低时，另一段母线负极电压发生同样变化，当断开任一段母线互窜支路时,另一段母线接地也会消失。引申：如果发生两段直流母线异极非金属性互窜，如图8 所示。两段母线电压仍互窜，但是当高一段母线电压时，因为电阻分压造成两段母线电压不再对称。17安徽电气工程职业技术学院学报第二十八卷第二期220VI段直流母线+220V段直流母线10kQ图8 两段直流系统异极性非金属性互窜2.4两段直流母线同极互窜且单极接地现象：当发生两段直流母线同极互窜且单极接地时，如图9 所示。直流两段母线电压完全一致，绝缘监测装置显示直流母线对地电阻均显示存在接地现象,且单极接地极接地电阻小于互窜极接地电阻。从电压上看单极接地极母线电压降低，互窜极母线电压抬高。原因：因为两段直流母线发生同极金属性互窜，造成互窜极母线电压完全一致，当一段直流母线再发生单极接地时,则单极接地极对地电压降低，同时造成两段互窜极电压同时抬高，即另一段母线非接地极电压降低。辨识方法：绝缘监测装置可将全部互窜支路及接地支路选出。检查两段母线电压完全一致，改变一段直流母线充电机输出电压，另段直流母线电压将发生对应变化,且两段母线正、负极对地电阻均不为正常值。引申：如果两段直流母线发生同极非金属性互窜且发生单极接地时，如图1 0 所示。因受电阻分压影响，只能通过便携式接地查找仪进行选线查找。220VI段直流母线+220VI段直流母线十220VI段直流母线+220V段直流母线20 k2图9两段直流母线同极金属性互窜且单极接地2.5两段直流母线双极互窜现象：当发生两段直流母线同支路双极互窜时，如图1 1 所示。如果未选线，则在互窜初始时间，系统无明显异常。当手动启动绝缘监测装置选线时，绝缘监测装置正确选线，绝缘监测装置显示正对地电阻、负对地电阻平衡,大小为平衡桥内阻。原因：绝缘监测装置选线的条件有以下三条。（1)2 2 0 V直流母线正负极母线电压偏差大于启动值40V或对地电阻低于2 5 kQ；（2 交流窜入值有效值大于1 0 V；（3）定期（一般2 4小时一次）。因为平衡接地电压平衡，因此只能等待绝缘监测装置定期启动时，方可选出互窜支路。辨识方法：任何时刻，直流两段母线正、负极对地电压均相等。断开任一互窜支路空开时，两段母线电压将不再关联。引申：当发生两段直流母线不同支路双极互窜时，如图1 2 所示，则现象与相同支路互窜一致，但是仅断开任一互窜支路空开时，两段母线电压仍存在关联性。:1820 ko工图1 0两段直流母线同极非金属性互窜且单极接地李炎，严太山，张昭源，章俊辉：变电站站用直流系统接地现象及辨识220VI段直流母线220VII段直流母线+220VI段直流母线+220VII段直流母线十20 k2图1 1两段直流母线同支路双极互窜2.6蓄电池接地现象：当蓄电池发生金属性接地时，如图1 3所示。如果绝缘监测装置功能上无法选出蓄电池接地故障，则报母线接地。如果绝缘监测可以选出蓄电池接地故障点，则将直接报出接地蓄电池编号。原因：正常蓄电池组中1 号正极对地电压即为正极母线对地电压，1 0 4节蓄电池负极对地电压即为负极母线对地电压，而5 2 节蓄电池即为零电位点。当某节蓄电池强制接地时，相当于蓄电池组的零电位点变为当前接地点，此时正极母线电压即为该节蓄电池编号单节蓄电池标准电压。辨识方法：通过万用表测量正极母线对地电压：单节蓄电池标准电压，即在对应编号的蓄电池附近（含蓄电池本体及蓄电池巡检装置）查找有无金属性直流接地点。引申：如果蓄电池非金属性接地，如图1 4所示，则绝缘监测装置无法正确选出蓄电池接地点。同理也无法使用万用表测量正极母线对地电压与单节蓄电池标准电压的比值的方式查找接地点。如果蓄电池发生金属性接地,且发生该段母线另一点非金属性接地，如图1 5 所示，则因蓄电池强制接地造成绝缘监测装置仅能选出蓄电池接地，而“掩盖”其他接地现象。因此需要先排除蓄电池接地后，绝缘监测装置方可查出其他接地点，或通过便携式接地查找仪进行接地查找。220VI段直流母线+1号蓄电池组4i图1 3蓄电池金属性接地2.7平衡接地现象：当发生蓄电池非金属性接地且发生另一支路异极性（即与蓄电池造成的接地倾向相反极）非金属性接地，如图1 6 所示。绝缘监测装置仅能选出馈线支路接地点，且绝缘监测装置正极母线对地电阻与负极母线对地电阻均不正常，远小于正常值。原因：当系统同时存在正极接地、负极接地时，系统将报平衡接地。此时正、负极母线对地电压的大小取决于哪一极综合对地电阻小。但因蓄电池经电阻接地，造成绝缘监测装置无法正确选线。辨识方法：正、负极母线对地电阻均比正常值明显偏小，断开任一接地点，则该极母线对地电阻恢复正常。引申：如果两段母线发生同极互窜且平衡接地时，如图1 7 所示。系统将可以正确选出接地支路及互窜支路。19图1 2 两段直流母线不同支路双极互窜220VI段直流母线220VI段直流母线+1号蓄1号蓄电池组电池组4i20kQ图1 4蓄电池非金属性接地图1 5 蓄电池金属性接地且单相接地安徽电气工程职业技术学院学报220VI段直流母线+1号蓄电池组4i20k2第二十八卷第二期220VI段直流母线220V段直流母线+20 ko20 kQ2图1 6 单段母线平衡接地3直流接地（含互窜）的危害（1）可能引发火灾。当发生两套直流系统间互窜时，如果长时间在互窜点两侧出现压差造成较大环流，长期超出电缆额定电流会引发火灾 2 。(2)绝缘监测装置灵敏度下降。正常一套直流系统仅绝缘监测装置内部一组平衡桥接地。当两套直流系统发生互窜时，两套绝缘监测装置可能发生互相监测造成系统紊乱，绝缘监测装置灵敏度存在下降问题 3 （3）级差配合失效。当发生直流接地时，尤其是发生互窜时，馈线电流会从互窜点分流，造成原辐射状支路各空开实际流过电流不一致造成级差配合失效。（4）存在寄生回路可能会造成保护误动或者拒动。（5）两段母线之间有直接电气联系，可能会造成两段母线同时接地故障，如果发生长时间异极性互窜，可能会造成元器件烧损等故障。4直流系统异常处置要点（1）直流系统接地后，运维人员应记录时间、接地极、绝缘监测装置提示的支路号和绝缘电阻等信息。用万用表测量直流母线正对地、负对地电压，与绝缘监测装置核对后，汇报。(2)出现直流系统接地故障时应及时消除，同一直流母线段，当出现两点接地时，应立即采取措施消除，避免造成继电保护、断路器误动或拒动故障。（3）发生直流接地后，应分析是否天气原因或二次回路上有工作，如二次回路上有工作或有检修试验工作时，应立即停止工作，并拉开直流试验电源看是否为检修工作所引起。（4）对于非控制及保护回路可使用拉路法进行直流接地查找。保护及控制回路宜采用便携式仪器带电查找的方式进行，如需采用拉路的方法，应汇报调控人员，申请退出可能误动的保护。（5）当绝缘监测装置发出接地告警或有直流接地现象时，应立即寻找和处理。两组蓄电池组的直流系统，应满足在运行中两段母线切换时不中断供电的要求，切换过程中允许两组蓄电池短时并联运行，禁止在两系统都存在接地故障情况下进行切换。(6)直流母线在正常运行和改变运行方式的操作中，严禁发生直流母线无蓄电池组的运行方式。(7)不论是在基建阶段还是运行阶段,均可以通过抬高或降低一段母线电压，然后分别观察两段母线对地电压数值变化的方式进行查找有无互窜支路。（8)基建阶段也可以通过合上两段母线所有馈线空开，合上一段母线充电机及蓄电池空开，断开二段母线充电机、蓄电池、母线联络空开，然后通过测量二段母线正、负极母线对地电压的方式来判断是否存在互窜情况。（9）运行阶段可使用便携式接地查找仪进行互窜支路查找，但是对于馈线支路负载较小的情况往往难以发现。2020 k2图1 7 丙两段母线同极互窜且平衡接地李炎，严太山，张昭源，章俊辉：变电站站用直流系统接地现象及辨识5结论直流系统的可靠性是保障继电保护及二次控制系统安全运行的决定因素之一。变电站值班人员应加强关注直流系统对地电压及对地电阻值，通过观察两段直流系统对应数值变化的关联性，及时发现并处理隐蔽性直流接地缺陷,确保不发生因直流系统故障造成的一次设备跳闸的情况。此外变电站应能够结合最新绝缘监测技术发展，及时更新变电站绝缘监测装置，以便能够全面反映各种接地故障，提高监测能力4。参考文献：1李应文,彭明智，张纯.变电站直流电源系统直流环网与交流窜入的原因及危害 J.自动化与仪器仪表,2 0 1 8(7):5 7-6 0.2】李文伟，李振东，汪昌元.变电站直流电源系统直流环网与交流窜入的原因及危害分析 J.电力设备管理,2 0 1 9(7):2 3-2 4.3王中杰，苏龙.直流系统环网故障分析及查找方法讨论 J.山西电力,2 0 1 7(2）：2 7-30.4龚成.浅析一起变电站直流系统环网故障的查找和处理 J.机电信息，2 0 1 8（3：1 0 2-1 0 3.责任编辑：夏勇 21