直流电源接地故障分级定位和隔离系统

朱凯 胡振华 王振华 戴勃文 刘忠祥

摘  要：直流电源系统是发电厂、变电站站用电源系统的重要组成部分，相当于发电厂、变电站的“心脏”，保障了发电厂、变电站信号、控制、继电保护和事故照明等操作电源的供应。当变电站或发电厂的直流系统出现绝缘降低时，由绝缘监测装置产生报警信号，并让支路巡检装置启动选线工作。对于多级开关组成的系统，或者长的线路，进一步定位接地故障是比较麻烦的事情。“拉回路法”有可能导致保护和控制回路的重大事故，在一些地区已禁止采用;便携式直流接地故障探测仪的缺点是需要人工携带该装置逐条线路进行检测，一方面费时费力，且在电缆沟内无法逐段排查，另一方面存在带电作业的安全隐患。此外，传统的方式在排除接地故障之前，直流系统是“带病”运行的。文章提出的直流电源接地故障分级定位和隔离系统，可以较好地解决上述问题。

关键词：直流电源系统;绝缘监测;直流接地;分级定位;故障隔离

中图分类号：TM46         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）19-0066-04

Abstract： DC power supply system is very important in power plants and substations， it is equivalent to the "heart" of them and ensures the power supply for signals， controls， relay protections and emergency lighting. When the insulation level declines，the insulation detector will raise an alarm and let the slave detectors start inspection for each feeder. For those complicated DC power system with several levels of circuit breakers or with long cables， it is very difficult to localize the fault position. "Feeder Switching Off Method" is not allowed in some regions as it may cause great power failure of protection and control equipment. Portable insulation detector has two defects， first， it takes a lot of time to inspect the whole cable and is impossible to do that in cable channels; second， it is not safe during inspection. In addition， the DC power supply system is operating "with disease"， before the insulation fault is eliminated. This paper proposes a kind of localization and fault isolation system for DC power insulation fault， which can solve the above problems.

Keywords： DC power system; insulation detection; DC earthing fault; hierachical localization; fault isolation

引言

發电厂、变电站直流系统为断路器分合闸及二次回路继保设备、故障照明等重要负载提供直流电源。直流电源采用浮地方式运行，正常情况下直流母线的正、负极对地是绝缘的，但随着运行时间的增加，线缆绝缘老化或者破损，遇到下雨天气则出现明显的绝缘降低，威胁到直流系统的安全运行。当正极或负极发生一点接地时，不构成回路，不影响继续运行。如果再发生另一点接地，就有可能造成正负极金属短路或短接继电器动合触点、控制开关以及继电保护、自动装置的起动元件，引发电力系统的重大事故。因此在直流部分发生一点接地故障后，应立即找出接地故障点，并尽快消除。目前，大多数发电厂和变电站装设的直流绝缘监测装置都能诊断出直流系统发生接地故障并选线，但经常找不到接地支路（由于绝缘漏电流CT或检测装置精度问题，或者实际线路接地阻值较大），更不能确定接地点，直流接地具体故障点主要还是依靠人工查找来排除。

1 常用直流接地查找方法

直流系统出现接地的方式多种多样，以往继保人员查找接地故障的时候，都是根据个人的经验和习惯选择其中的一种方法一查到底，而任何一种查找方法都不可避免有不足之处。当采用该方法没有找到故障的时候便随机选取别的方法，结果整个查找过程盲目、杂乱无章，耗费很多时间。

当前查找各种接地的方法主要有如下几种：

（1）经验判断法

根据经验检查容易发生接地的地方，往往能取得事半功倍的效果。一般用于天气骤变，有新投（改造）设备等情况下，但是有很大的猜测性、盲目性，不是可靠的检查方法。

（2）拉回路法

依次短时断开对直流母线上不太重要的馈电分路（一般不应超过3s），若断开某一分路时，接地信号消失，则接地故障点就在此分路范围内。如果检修人员在控制室外查找，需电话联系控制室人员观察接地信号是否消失，大大延长处理时间，而且由于电网公司对用电可靠性和安全性的要求提高，现在已经不允许拉闸停电检查直流接地，尤其对于重要线路的控制和合闸电源，所以该方法在现在的环境下几乎失去了它的作用。

（3）便携式直流接地故障探测仪

该装置的原理是在直流故障母线与地之间注入一个低频交流信号，低频电流从信号发生器流出，经过直流系统从接地点返回。用钳形电源探头逐点检测，对低频电流走向进行寻迹，找到接地支路并根据接地点前后低频电流出现明显差别来确定接地点。这样的设备需要向专业的生产厂家购买，成本较高，携带也不方便，而且其现有的探测准确度不够高，特别是非金属性接地和多点接地时判断不准确，排查难度大，给维护人员带来了不小的麻烦。另外，如果原来的直流系统中用的绝缘监测仪也是交流注入法，则直流接地探测仪跟直流系统的绝缘监测仪注入的交流信号可能存在干扰，无法定位接地故障点。

2 直流接地故障分级定位方案

本文所论述的直流电源接地故障分级定位系统，由绝缘监测主机、从机和绝缘漏电流CT组成。正常工作时，绝缘监测主机实时检测正负母线对地电压并计算对地电阻，若电阻低于告警门限则发出母线绝缘下降报警，并通过RS485通信告知各绝缘监测从机启动支路巡检。各绝缘漏电流CT将感应的漏电流信号输入到绝缘监测从机采样电路，由从机进行放大滤波处理后得出实际值，并与绝缘监测主机配合计算出支路接地电阻。

绝缘监测主机由ARM9主处理器、触摸屏、LCD显示屏、RAM及FLASH存储电路、正负母线对地电压采集电路、通信电路等组成，图1为绝缘监测主机的各部分功能框图。

绝缘监测从机由STM32芯片电路、支路漏电流采样电路、开关量检测电路、参数存储电路、通信电路、拨码设置（用于多个从机挂接同一RS485总线）、报警指示、霍尔校正输出等组成，图2为绝缘监测从机的各部分功能框图。

直流电源接地故障分级定位系统示意框图如图3，绝缘监测主机用于监测直流母线（KM+、KM-）对地绝缘状况，绝缘监测从机用于监测直流馈线接地情况，绝缘漏电流CT用于检测支路对地绝缘下降时的漏电流，一个从机可以接入多个CT，多个从机通過RS485总线向主机传送数据。当主机监测到直流母线存在绝缘下降时，让所有从机启动选线工作，若发现负载1所在的馈线支路存在接地情况，但由于馈线比较长，需要进一步定位故障点。若绝缘从机A有报警，而绝缘从机B没报警，则说明是在A、B之间出现了接地故障。对于很长的馈线电缆，可以分段安装多个绝缘从机，从而根据是哪两个相邻的从机报警情况来判断接地点的范围。

3 直流接地故障隔离系统

直流接地故障隔离系统技术方案如图4：采用互为独立的双直流电源向用电单元供电，其一为常用电源，负责向直流系统全部用电单元供电，另一为隔离电源，处于热备用状态。每个馈线支路通过两个开关分别接到常用电源和隔离电源，若需要实现自动隔离功能，那么每个开关还要配备带分合闸功能的电操。当绝缘监测装置检测到系统中一个或多个馈线支路发生故障时，可以手动或通过控制电操将故障支路从常用电源切换到隔离电源供电。切换过程中，用电单元不断电，同一时刻只允许一条支路进行切换，避免了因故障支路带病工作而影响到正常支路的安全运行。将故障支路隔离开来后，若原有直流电源中的绝缘故障复归，说明已经将绝缘接地点从直流系统中隔开，然后再逐步查找具体的故障接地点，待完全排除后再把该馈线支路重新投入到原有的直流系统中，从而完成了“绝缘故障报警”、“故障隔离”、“故障定位查找和排除”、“系统恢复”的过程。

由于隔离电源只是在发生绝缘接地后作为临时备用电源，因此选用比常用电源容量小得多的独立直流电源即可。但不能只采用一两个常规的整流模块，因为存在交流停电的风险（虽然概率不大），仍然需要有蓄电池作为后备。鉴于串联型蓄电池组至少要9节12V（对110V直流电源系统）或18节12V（对于220V直流电源系统）电池单体串联，电池所占空间较大，且接线数量多，因此推荐采样并联型电源，只需用3节12V电池即可，一个12V电池搭配一个DC/DC升压模块，该模块可以自动对搭配的电池进行充放电管理，如图（图5为电气图，图6为屏柜布局图）。

4 技术难点和应对措施

4.1 长馈线支路电缆沟内绝缘监测从机取电问题

在直流接地故障分级定位方案中，对于长的直流馈线，由于在电缆沟内无法取电（不能剥开直流电缆取电），绝缘监测从机可以考虑用内嵌的小容量电池（干电池或锂电池）供电，平常工作时处于休眠状态，功耗极低，只有在绝缘监测主机下发选线命令时才启动工作，因而可以延长供电时间。

4.2 将故障支路切换到隔离电源如何做到无缝切换且不会带来冲击

直流接地故障隔离系统技术方案中，当绝缘监测装置检测到系统中某个馈线支路发生故障时，可以手动或通过控制电操将故障支路从常用电源切换到隔离电源供电。但是在切换过程中，为了保证支路负载不断电，必须先合上隔离电源的开关，再断开常用电源的开关，这样两路本来独立的电源就存在短时并联。以220V直流系统为例，常用电源平时的母线电压一般为234V（电池组浮充），而备用的隔离电源电压一般为220V，两者之间有14V的电压差。为了避免短时并联造成的冲击，可以先通过直流监控将备用隔离电源的电压调整为直流系统（常用电源）的电压，然后合上备用隔离电源开关，再断开与现有直流系统的接地故障支路开关。

4.3 在现有馈线屏的开关上增加自动分合闸操作机构

直流接地故障隔离系统技术方案应用于直流系统改造，若想在馈线屏的所有开关都增加自动分合闸操作机构，由于现有馈线屏空间不足，改造工作量也大，因此实施起来比较困难。这种情况考虑挑选几个馈线支路进行改造，或者原有馈线屏基本不动，选择在新的备用电源屏中增加自动分合闸操作机构，并将相应的电缆连到原屏中对应的馈线支路开关。

5 结束语

本文所述的直流电源接地故障分级定位和隔离系统，能够给实际运行的变电站直流系统带来运维的便利。对于多级开关组成的直流系统，或者长的直流馈线支路，可以方便定位直流接地故障。不用拉回路，不用便携式接地探测仪逐段排查，解决了维护人员最为头疼的直流系统绝缘接地查找定位问题，安全又省事！此外还能实现直流接地故障支路的手动或自动隔离，避免了在排查接地故障的过程中整个直流系统“带病”运行，消除了某一支路绝缘下降对其它负载的影响，提高了直流系统供电可靠性，以免造成保护设备、开关的误动或拒动的问题。

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