变电站直流系统接地故障的查找及分析

王荣滔，潘中达

（温州电力局，浙江温州325000）

变电站直流系统接地故障的查找及分析

王荣滔，潘中达

（温州电力局，浙江温州325000）

通过对直流双重化系统中发生接地故障，并引发继电保护装置不正确动作的案例分析，阐述双重化直流系统中直流绝缘接地巡检的配置和工作原理，分析直流接地检测配置不当对继电保护安全性产生的影响，并提出合理的解决方案。

变电站；直流系统；二次系统；接地；绝缘；检测

变电站直流系统遍布整个二次系统，支路复杂，涉及的设备众多，发生直流接地故障的概率也相应增大。变电站直流系统发生接地故障时，由于直流系统的重要性和不可间断性，在处理故障时通常不会让直流系统全部退出运行，如果对直流接地判断及处置不当，以及直流系统本身配置不合理，都有可能对直流系统造成新的冲击，甚至扩大故障。

本文通过对双重化直流系统发生接地故障的案例分析，论述直流接地检测的原理和直流系统改进的具体过程。

1 案例分析

1.1 故障现象

某220 kV变电站直流系统为2段相互独立的直流系统，共用1套直流绝缘检测装置，采取分时共用模式，即以5 s为周期进行切换投用。某日，该变电站直流系统出现异常，Ⅱ段母线负极电压为-116 V，Ⅰ段母线负极电压在-27～-50 V的范围内波动，运行人员判断Ⅱ段母线直流正级接地。由于该站有2套相互独立的直流系统，为避免保护间隔控制及保护电源中断，运行人员通过快速查找直流接地点方法，将Ⅱ段上的直流设备（先合后拉）逐一转移到Ⅰ段直流系统，试图在转移过程中发现接地信号的转移，从而确定直流接地点所在间隔。然而，在转移瞬间发生了该站220 kV某线路间隔线路保护出口中间继电器误动作的事故。

1.2 原因分析

该变电站直流绝缘监测装置采用轮值分投工作方式，当直流绝缘检测装置投用在Ⅰ段直流系统时，平衡桥投用在Ⅰ段直流系统；当直流绝缘检测装置投用在Ⅱ段直流系统时，平衡桥就投用在Ⅱ段直流系统，在该段时间内Ⅰ段直流系统失去平衡桥（即该时段内Ⅰ段直流系统退出公共接地点，直流正、负母线对地电压处悬浮状态），从而导致直流系统正、负母线电压对地循环波动。因而在正常情况下，该变电站直流系统正、负母线对地电压也是循环往返持续波动。实测数据表明，在直流系统正常运行时，该站两端直流母线电压均有波动，正极电压波动范围为54～76 V，负极为-39～-55 V。由于波动的幅度不大，及直流系统供电的特性，在该电压波动范围内变电站直流系统所供二次系统能正常工作，不会发出警示信号，但直流系统供电不稳定会对二次系统的稳定运行造成一定影响，甚至会恶化某些二次系统故障。

检修人员检查后发现，该次直流接地实际原因为50432闸刀机构箱内二次电缆绝缘破损，造成直流Ⅱ段母线正极接地，Ⅱ段母线负极电压达到-116 V，Ⅰ段母线负极电压由于绝缘巡检装置不停切换而在-27～-50 V的范围内波动。而该变电站220 kV线路保护出口中间继电器支路存在较大的对地杂散电容，实测约为1μF（包括继电器两侧对地的分布电容，如图1所示），在接地点转移瞬间，Ⅰ段母线负极电压变为-116 V，而中间继电器左侧暂态电压由于电容效应不能突变，仍在-27～-50 V的范围内波动，导致中间继电器两端暂态电压达到66～89 V，满足中间继电器74 V电压下动作的条件。

图1 直流接地故障等效电路

2 直流绝缘接地检测原理及缺陷分析

直流系统为不接地系统，涉及所有二次系统，容易受人为、设备及自然条件的影响，如何快速判断直流接地情况是变电站运行维护人员面对的共同课题。目前变电站多采用直流绝缘接地巡检装置来巡检各直流支路绝缘情况，巡检装置的工作原理如图2所示，通过检测正、负母线对地电压和对地电阻，并依据电流差原理对支路因接地产生的对地漏电流进行在线无接触测量，从而实现各支路正、负对地电阻监测以及接地故障的选线定位（图中R+，R-为各支路正、负对地监测电阻）。应用平衡桥及不平衡桥原理，对各直流支路绝缘情况进行巡检，根据装置预设的定值，对发生直流绝缘水平下降及是否接地做出快速判断并发出警示信号。

图2 直流绝缘检测装置结构示意

使用微机型直流绝缘接地巡检装置后，变电站直流系统等效电路如图3所示，其中R1和R2是绝缘监测仪的采样电阻，且R1=R2；E1为绝缘检测仪的工作接地，R+和R－是直流系统正、负极对地绝缘电阻，在正常状态下，R+和R-远大于R1和R2，通常能达到10 MΩ以上，因此U1和U2的大小只取决于R1和R2，即∶

当R1=R2=R，Un=110 V时，可得∶U1=+55 V，U2=-55 V

图3 直流绝缘检测装置工作原理

直流系统只能有1个接地点，即绝缘检测装置工作接地点。如果失去接地点E，则U1和U2值将会飘忽不定，因为失去了地电位参考点。在该站的双重化直流系统中，由于直流绝缘检测装置为分时投用，即工作接地点也随着投用周期产生周期性变化，其工作原理如图4所示。

图4 双重化直流系统直流绝缘检测工作原理

图5 直流系统绝缘检测等效回路简图

直流绝缘检测装置投用于直流系统后，其工作原理如图5所示。在直流绝缘检测装置投用期间，绝缘检测装置投用平衡桥，平衡桥臂Kp闭合，即投入1 MΩ平衡桥，实时监测直流系统正、负母线对地电位。若监测到母线出现绝缘降低，绝缘监测装置即根据预先设好的定值来判断直流电压拉偏情况，并决定是否投入100 kΩ不平衡桥；其中Kp+和Kp-为分时可控开关，由程序控制其分合，当Kp+闭合、Kp-断开时，测量正母线对地电压U1+；当Kp+断开、Kp-闭合时，测量负母线对地电压U1-；若正负母线间电压为Um，则可得：

式中：R为不平衡桥电阻；R+，R-为正、负母线对地电阻。

投入平衡桥可以监测直流系统的整体绝缘情况。而不平衡桥只在检测到直流系统出现绝缘故障时才投入，并通过公式（5）和公式（6）计算各直流馈出支路正、负极对地绝缘电阻。直流绝缘监测装置通过投入不平衡桥进入直流馈出支路对地阻值检测程序，从而实现接地故障的选线定位。

3 改进措施及效果

变电站直流系统正、负母线对地电压循环往复持续波动，对分析及处置直流系统故障带来困难，甚至会导致继电保护出口继电器误动。该站直流绝缘监测装置因轮值分投工作间隙退出平衡桥，导致公共接地点丢失，从而导致直流系统正、负母线对地电压波动，是造成本次事故的重要原因。检修人员就此情况向厂家提出了设备改进建议，要求避免平衡桥轮值分投的工作模式，厂家为此进行了装置软件升级，将直流绝缘检测装置平衡桥轮值投用工作模式改成永久投入公共接地点方式，使直流系统正常投运时正、负母线对地监测电压保持稳定，而当直流系统出现接地情况时，可以通过不平衡桥的投切，进入直流馈出支路对地阻值检测程序，从而实现接地故障的选线定位。改进后，从厂家检测及现场运行情况来看，该站直流系统运行稳定，直流电压波动情况得以解决。条件成熟时，可对直流系统进行改造，配置2套独立的直流绝缘检测装置，实现真正意义上的直流系统双重化。

4 结语

直流系统是变电站二次系统的“心脏”，其稳定运行对整个二次系统至关重要。双重化直流系统的建立，大大提高了变电站二次系统的稳定性。在处理直流接地情况时，应对变电站直流系统有全面认识，对处理直流接地问题可能出现的危险点要认真把握，并做好相应的预控措施。对变电站直流系统存在的隐性缺陷应及早处理，避免在发生直流一点接地的情况下因配置不合理而使故障进一步恶化，甚至引发不该发生的故障或事故，确保二次系统的稳定运行。

[1]张毅，张泉，李永丽.直流系统接地检测[J].电力系统及其自动化学报，2005，2（1）∶27-30.

（本文编辑：龚皓）

Discussion and Detection of Grounding Fault of DC System of Substation

WANG Rong-tao，PAN Zhong-da
（Wenzhou Electric Power Bureau，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

By case study of grounding fault in double DC system which results in incorrect operation of protective relay devices，the paper expounds configuration and working principle of polling of DC insulation grounding in double DC system；it analyzes hazards to safety of protective relay due to incorrect direct current earth detection configuration and proposes reasonable solutions.

substation；DC system；secondary system；grounding；insulation；detection

TM774+.4

：B

：1007-1881（2013）02-0031-03

2012-03-16

王荣滔（1976-），男，浙江平阳人，工程师，高级技师，主要从事电力系统继电保护工作。