直流系统环路及绝缘故障诊断系统的探究

黄东山,周 卫,杨理才,陈 铭,徐玉凤

（1.广西电网公司电力科学研究院，广西南宁，530001；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东广州，511430）

直流系统环路及绝缘故障诊断系统的探究

黄东山1,周 卫1,杨理才1,陈 铭1,徐玉凤2

（1.广西电网公司电力科学研究院，广西南宁，530001；2.广州市仟顺电子设备有限公司，广东广州，511430）

目前，在直流电源系统中常发生的故障类型主要有接地故障、交流窜入故障、两套直流系统环路窜电故障。本文重点是研究直流系统中单极、两极、以及交流窜入接地故障类型及其检测方法，同极性、异极性环网故障的类型及其检测方法，并提出了绝缘电阻、环网电阻及交流对地电压的计算方法，有助于准确地检测出直流电源系统的各种故障。

直流系统；环网式；直流接地

直流系统主要为保护控制设备提供工作电源，为提高供电可靠性，一般以不接地方式运行，且重要变电站和电厂均采用双电源配置。近年来，由于直流接地故障和直流系统环路问题，导致诸多保护误动事故。准确检测直流接地故障与直流环路，有助于及早排除上述隐患，避免相关事故的发生，从而提高电力系统安全运行水平。本文将针对直流系统接地与环路，分析其特征，提出检测方法，以期解决目前存在的问题。

1 电阻性单极接地故障

图1 电阻性单极接地

直流系统正极或负极发生接地故障时，相应地正极或负极对地电压将降低，即可通过检测对地电压的变化来测量对地电阻，计算公式如下：

同理，如果负极接地，亦可通过公式（2）计算出负极电阻R-。

式中R1为平衡桥电阻，用于直流电源系统接地故障检测，及将直流系统对地电压钳住并稳定在50%母线电压，有利于防止一点接地故障引起保护等控制设备误动。

2 电阻性两极接地故障

目前大部分绝缘装置没有两极接地故障检测功能，主要原因是用户没有要求，生产企业也认为不必要。但是从实际情况看，由于蓄电池在重力作用下，常发生漏液故障，造成接地，即为两极接地故障。大家知道，判断蓄电池是否接地，须同时拔下正负极保险，故障才消失。也反证蓄电池接地为两极接地故障。有的两极接地故障是人为造成的，即1套直流系统安装多套带有平衡桥电阻的绝缘装置。

为检测两极接地故障，必须设置不平衡桥电阻R2，通过将不平衡桥电阻投入正极和负极，测量正负极对地电压，即可计算出正负对地电阻R+、R-。

图2 电阻性两极接地

3 交流窜入接地故障

交流窜入直流系统可直接造成保护误动，甚至引起大面积停电故障，是最为严重的直流接地故障。与两极接地检测一样，几乎所有绝缘装置均不能分辨出交流窜入直流系统接地故障。交流窜入直流系统产生的接地故障，其特征是正负极对地电压中，均能测量出交流电压，如图3所示。

图3 交流窜入接地

交流对地电压计算如公式（5）。

正极绝缘电阻R+，可通过公式（1）计算得出。

图中，C1、C2分别为直流系统正负极对地电容。据有关研究,每1000米二次电缆对地电容约为0.15~0.3微法。另外，微机保护等设备还安装有直流抗干扰电容盒，及开关电源滤波电容等，都会带来对地电容。深圳某500kV变电站直流系统实际测量对地电容高达100微法。

假设直流系统正负极对地电容各为5微法，在工频50Hz情况下，ZC1=ZC2≈0.636kΩ，远远小于平衡桥电阻R1（南方电网最新规程要求入表1）。进一步假设220V交流电压源（即图中VAC）通过30kΩ电阻窜入正极,可简单求出对地交流电压如下：

表1 平衡桥电阻建议值范围

可见交流窜入直流系统接地故障，在早期，正负极对地电压中交流电压非常小，因此，检测交流窜入直流接地故障应能具有较高的灵敏度，否则不能发现早期的交流窜入直流接地故障，也就不能有效预防交流窜入直流系统可引起大面积的停电故障。

4 同极性环网故障

直流系统环网故障，是指2套独立运行的直流系统之间存在电气联系回路，其联络形式有同极性相连与异极性相连等。环网故障主要由施工、运行中倒负荷等原因造成，将可能产生环流引起火灾、使直流空开级差配合失效、缩短蓄电池寿命及引起保护拒动等危害，也是保护误动的原因之一。

环网故障共同特征是，两极母线相连那一极对地电压变化趋势相同，即表现为同时降低或上升。因此可以通过检测对地电压，并根据其变化趋势的关联性判断是否存在环网故障。

图4为同极性环网故障，即I段正极与II段正极存在连接电阻R3，而I段负极与II段负极存在连接电阻R4。以II段母线检测环网故障为例，合上开关K1，断开开关K2，在正极投入不平衡电阻R2，测量I、II段母线对地电压：V+11、V-11、V+21、V-21；再合上开关K1，断开开关K2，即在负极投入不平衡电阻R2, 测量I、II段母线对地电压：V-12、V+12、V+22、V-22。

利用上述2段母线对地电压测量数据，可求出正、负极环网连接电阻R3、R4，如公式（6）、（7）。

图4 同极性环网

5 异极性环网故障

图5 异极性环网

图5为异极性环网故障，即I段正极与II段负极存在连接电阻R3，而I段负极与II段正极存在连接电阻R4。以II段母线检测环网故障为例，合上开关K1，断开开关K2，在正极投入不平衡电阻R2，测量I、II段母线对地电压：V+11、V-11、V+21、V-21；再合上开关K1，断开开关K2，即在负极投入不平衡电阻R2, 测量I、II段母线对地电压：V-12、V+12、V+22、V-22。

利用上述2段母线对地电压测量数据，可求出正、负极环网连接电阻R3、R4，如公式（8）、（9）。

6 结论

通过测量直流系统对地电压及其变化与对地交流电压，可计算直流系统正负极对地绝缘电阻、2套直流系统电气连接电阻和交流窜入直流系统的电压幅值，根据其变化趋势，可以判断直流系统的运行状况，及时发现直流系统在绝缘与环路等方面的缺陷，从而提高直流系统的供电可靠性，起到预防直流系统故障引起的保护误动与拒动事故的作用。

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Study on Insulation Failure and Loop Fault in The DC System

Huang Dongshan1,Zhou Wei1,Yang Licai1,Chen Ming1,Xu Yufeng2
(1.Power Grid Corp of Guangxi Electric Power Research Institute,Guangxi,Nanning,530001; 2.Guangzhou qianshun Electronic Equipment Co.,Ltd.,Guangdong Guangzhou,511430)

At present,there are 3 kinds of fault types often occurs in DC power supply system，include Ground fault、AC into DC system fault and two sets of DC system connection failure,The emphasis of this paper is to study the fault type of DC system and its detection method。to study two sets of DC system connection failure and its detection method。and Presents the calculation method of insulation resistance, loop resistance and AC voltage,Help to accurately detect various faults of the DC power supply system.

DC System；Ring type Mode；DC grounding

黄东山（1971-），男，硕士、高级工程师，长期从事电力系统继电保护检修、研究、开发及技术监督与技术检查工作；