一起直流系统接线错误引起的接地故障分析

陈瑞珍，谢智浩，高体攀，王晓，陈智龙

(国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙410004)

0 引言

变电站直流电源系统作为保护、信号、控制装置的供电电源，其供电可靠性影响着继电保护装置的可靠动作[1-5]。若发生直流接地而未及时排查，可能造成保护装置误动、拒动，影响电力系统的安全运行，甚至造成大范围的停电事故[6-10]。

某换流站500 kV 1号继电器室在进行2号蓄电池组容量试验时，发生直流电源母线负极金属性接地故障，最终发现故障原因为2号蓄电池组负极接地。本文针对此次故障进行了详细分析，对直流电源系统的竣工验收、例试检修提出了建议。

1 运行方式与故障简述

该继电室110 V直流系统采用两电三充方式运行，每段直流母线各接一组蓄电池与一段充电机，正常运行时两段母线之间母联开关断开，母线分段运行。备用充电机可在两段母线切换，正常/检修方式下备用充电机均不投入运行，如图1所示。2段直流系统接线原理如图2所示，其中ⅡLK1、ⅡDK1开关位于直流联络屏内，ⅡCK1开关位于充电屏内并直接接至馈线屏母排。

故障发生时正在进行2号蓄电池组核容试验，检修时将2号充电机与2号蓄电池组退出(合上图1中母联开关、断开图1(放大后见图2)中ⅡCK2开关、ⅡLK1开关)。在进行2号蓄电池组核容试验的过程中，放电约2 h后发现直流系统发“直流母线负接地”告警。实测母线负极对地电压为0，正极对地电压为116.5 V，判断为直流母线负极金属性接地。为防止保护装置误动作并缩小接地范围，现场考虑尽快将两段母线分段运行，计划停止蓄电池放电工作并等蓄电池充满电后再将母线分段，但实施时发现将蓄电池放电仪退出后，“直流母线负接地”告警消除，实测母线负极对地电压为-58.2 V，正极对地电压为58.3 V，母线恢复正常运行。

图1 500 kV 1号继电器室110 V直流系统

图2 500 kV 1号继电器室110 V 2段直流系统

2 故障排查过程

根据现象判断直流母线接地为2号蓄电池组相关工作引起，根据图1与图2分析，检修工作的安全措施为断开图2中2号充电机输出开关ⅡCK2、断开2段联络开关ⅡLK1，且3号充电机输出开关处于断开状态。此时2号蓄电池组已经与直流母线隔离，蓄电池与直流母线之间已不存在直流的电气联系，相关工作不应影响到直流母线。但故障时的现象表明，直流母线接地是由蓄电池核容试验引起，因此判断此时蓄电池与直流母线之间在某处仍存在连接。

正常情况下，若蓄电池组与直流母线隔离，蓄电池组本身已不存在对地参考点，无法测量正负对地电压[11-13]，但现场测量2号蓄电池组负对地电压为-58.1 V，正对地电压为49.5 V，且结果显示蓄电池负对地电压与直流母线负对地电压一致，可进一步判断连接点在直流负极产生。

1)沿图2中箭头所示路径，从蓄电池侧开始逐步检查。断开路径中经过的开关，通过测量每个开关的上下端正、负对地电压来判断故障位置。在测量ⅡLK1开关(此时处于分位)上下端极对地电压时，测量结果为上端(母线侧)、下端(电池侧)负对地电压均为-58.1 V，正对地电压均为0，可以判断连接点在ⅡLK1开关负极的上下两侧形成。可能有两种原因造成此现象，一是ⅡLK1开关内部故障导致其负极无法形成断开点，二是ⅡLK1下端连接的接线、仪表、装置存在问题。

2)由于开关内部故障无法直观判断，对ⅡLK1开关多次分、合后故障仍未消失，故先对接线、仪表、装置进行排查。ⅡLK1开关上、下端接有蓄电池电流表和电压变送器，并有3根电缆分别接至2号直流充电机、3号直流充电机、电池放电开关。逐一拆除每根接线后再次测量ⅡLK1开关上下端负极对地电压，最终在拆除至ⅡCK2开关的接线(记为接线1)后，发现ⅡLK1开关下端负极对地电压为0，而测量接线1对地电压为-58.1 V，可以确定故障由接线1引起。在电缆沟检查电缆走向，发现接线1终点为直流馈线屏，而非2号直流充电屏。

3)确定接线1错误，而测量ⅡCK2开关下端(此时处于分位)负对地电压为-58.1 V(正常应为0 V)，正对地电压为0 V，判断ⅡCK2开关负极接线(记为接线2)直接与直流母线负极相连，接线也存在错误。此时推测此次故障现象可能由该接线与接线1接反导致。使用钳形表测量电流作进一步确认。如图3所示，正常情况下，图中圈出部分两根负极电缆(接线2与接线3)共同接至直流馈线屏负极母排，两根电缆为并联关系。正常时，合上母联开关后，两根电缆流过的电流之和应为2段母线负载电流(约为31.7 A)，且两根电缆的电流值应大致相等，但实测结果为接线3中电流为31.7 A，接线2中电流为0。至此，确认接线1与接线2接线错误，接线1终点实际为直流馈线屏，接线2终点实际为ⅡCK2开关下端，接线1与接线2接反。

图3 整改前屏内接线

3 接线整改及验证

3.1 接线整改

由于直流母线一直处于运行状态，无法停电，且屏内正负极母排之间距离较近，整改时可能造成直流母线接地甚至短路。为将整改风险降到最低，从以下几方面考虑并针对性地制定了整改方案。

1)减小电缆拉扯等大的机械动作防止设备误动。观察接线1与接线2，屏内长度基本一致，可利用原电缆及原接头进行整改，松开螺栓接线互换后再次紧固即可。

2)减小发生直流短路时可能影响的设备范围。将2号蓄电池充满电后，将两段直流母线分段运行，然后对2段直流系统接线进行整改。

3)保障2段直流系统供电的可靠性。图1中，2号蓄电池组通过ⅡLK1开关与母线相连，解开接线必定会在短时间内造成直流母线脱离蓄电池组运行，不符合规程要求[8]。现场利用馈线屏上的大容量备用空开，从2号蓄电池组至2段馈线屏另敷设一根临时电缆，使2号蓄电池组通过备用空开直接与2段直流母线相连。

4)保障人员安全。断开图1中ⅡLK1开关与ⅡDK1开关，确保任何情况下接线1与接线2中均无电流流过。

3.2 验证

接线整改后，两段直流系统均恢复正常运行方式，然后对接线结果进行验证。

1)接线1验证:合上母联开关并降低2号直流充电机输出电压，测量接线1中流过电流约为16 A，接线3中流过的电流约为16 A，与理论情况一致。

2)接线2验证:接线1验证合格后，调整直流系统运行方式，将2号蓄电池组退出运行并放置20 min使蓄电池自放电。然后合上ⅡCK2开关对蓄电池组进行充电，测量接线2电流与2号蓄电池电流一致，并再次测量蓄电池组正负极对地电压，此时极对地电压无法测量，与理论情况一致。

4 故障分析

此次故障的根本原因为施工单位施工错误导致接线1与接线2接反，直接原因为蓄电池放电仪绝缘状况不良，进而发生放电仪接地引起的直流母线接地。

正常运行时，接线接反并不会直观影响直流系统的正常运行，即使蓄电池处于检修状态，由于蓄电池组充电时可通过“接线2—馈线屏—接线3—2号蓄电池”回路进行充电，充电功能正常，无法直观表现出来。但处于检修运行方式时，接线接反将影响直流系统的运行与检修。

1)2号蓄电池组、2号直流充电机与直流母线无法做到完全隔离，检修人员安全存在隐患，不符合相关规程要求[9]。而且在蓄电池检修时，若发生蓄电池负极接地会直接造成直流母线的负极接地。

2)蓄电池组检修时，为将蓄电池组退出，应合上直流系统的母联开关，使两段直流系统中的平衡桥电阻并联运行。并联后直流系统对地电阻减小，会导致两段直流系统绝缘监测装置发出“母线接地”告警(此接地为平衡接地，直流正负对地电压均衡)。此现象属于蓄电池检修时的正常告警，且一组蓄电池的检修持续时间通常为24 h左右。因此，通常蓄电池检修时会将直流系统的接地告警视为正常现象。在此次检修中，若检修人员将接地告警视为正常，未及时进行观察并确认直流系统运行状态，将使直流母线长期处于负极金属性接地的状态，在检修期间若再次发生某一点负极接地，将有可能造成保护装置的误动。

3)接线3中流过的电流翻倍，与设计初衷不符，负载较大时可能造成该电缆过热、加速绝缘老化。该小室110 V直流系统在设计时采用两根电缆并接作为联络屏内直流母线至馈线屏的输出电缆，接线接反造成直流母线至馈线屏之间只有一根电缆直接相连，导致合上母联开关时所有负载电流只能通过接线3流过。

5 结语

本文针对某换流站在进行蓄电池组检修时发生的直流母线负极金属性接地现象，逐步排查并确定问题所在，针对直流电源系统的特殊性(无法停电)制定了整改措施，为此类问题的排查与整改提供了经验。

此次故障暴露出直流电源系统施工、验收及检修时存在的一些问题，针对这些问题提出以下建议:

1)加强投运前验收，验收时应对接线进行复核，不应只通过现象、功能来判断，尽量在设备未上电前进行验收，以方便对直流系统接线的正确性进行验证。

2)进行检修工作前，应检查试验仪器绝缘是否良好，防止仪器内部绝缘不良产生直流接地。

3)进行蓄电池检修时，若合上母联开关会导致直流系统产生接地告警，应退出其中一套绝缘监测装置的平衡桥，使直流系统处于无告警状态，才能引起现场人员足够的重视，以便及时开展故障排查。