一起FMK开关分合闸时直流接地故障的原因分析及整改措施

郑宏阳 吴佩泽

摘 要：直流系统发生接地故障时，极有可能造成控制回路、继电保护装置、安全自动装置、励磁调节器电源、事故照明系统及DCS系统拒动、误动或失去保护功能等，直接威胁电力系统安全。现针对一起FMK开关分合闸时造成直流接地故障的情况展开分析，根据故障原因，提出了有效的整改措施。

关键词：直流系统;接地;FMK开关;整改措施

1 直流系统的重要性

直流系统广泛应用于水电站、火电厂、变电站以及其他直流用户，具有电源比较平稳、波形固定等特点，若运行中设备失去直流电源，则会造成保护误动或拒动甚至全站失控，不仅扩大了事故范围，而且会对人身、设备安全等造成重大隐患。

直流电源是自动化设备的保护和操作电源，其稳定运行与否直接关系到整个机组的安全。直流电源最常见的故障为直流接地故障，其主要危害如下：（1）当直流系统一点接地时，极有可能造成装置对地电容出现放电现象，使得继电保护、断路器出现误动或拒动等情况。（2）当直流系统出现两点接地时，除了会造成继电保护等自动化设备误动、拒动外，还可能造成直流电源跳闸，使电气设备失去供电电源。（3）当在复杂保护回路中出现同极两点接地时，会直接造成设备内部某些继电器出现短接，使得保护发出跳闸信号，或者出现越级跳闸等现象，造成事故的进一步扩大，直接危害设备及人员生命安全。

为了防止因直流正接地而造成继电保护误动作，一般将跳闸线圈接入负极电源，当回路出现接地、绝缘不良等现象时，可有效避免对地电容放电产生的瞬时高电压引起继电保护误动作的情况。

2 设备概况及故障现象

FMK开关在发电机并网前转速达到额定转速时合闸并为发电机提供励磁电压，发电机电压达到额定电压后即可与系统并列。若此时发电机励磁系统出现故障，轻则影响发电机的并网时间，重则在并网后突然失去励磁电压，导致发电机失磁[1]。

由图1可以看出，机组FMK开关的控制回路中直流电源包括直流闪光母线、直流控制Ⅱ母，图中FK是发变阻控制盘上FMK开关分合闸把手，此操作把手共分为“预合闸”“合闸”“预合分闸”“分闸”4组位置。在发电机建压时需要对FMK开关进行合闸操作，此时FMK开关在“分闸后”状态，此位置即表明开关分闸状态与操作把手位置相一致，第一步需将操作把手FK打至“预合闸”位置，此时FK把手的“9-12”接点接通，绿灯闪烁，表明操作把手位置与开关实际位置状态不对应。当把FK打至“合闸”位置时，此时“13-16”接通，红灯常亮，开关处于“合闸”位置，FMK开关合闸正常，发电机开始建压。

机组励磁系统灭磁开关（FMK开关）在“预分合闸”位置时，机组直流系统报接地故障，开关合闸后直流接地现象即可自行消失。

3 故障原因分析

根据开关合闸、分闸前的现象以及图1所示FMK开关控制回路图的分析，直流接地是在对FMK开关进行分合闸操作过程中出现的，正常运行和停运后直流系统运行正常，无报警，并且FMK开关的操作到开关本体之间为长距离电缆。综上，对开关的控制回路接线进行绝缘检查，查找控制回路接线中的分合闸回路、闪光报警回路、分合闸线圈等接线或设备有无接地、绝缘损坏或绝缘下降的现象。对FMK开关二次回路及分合闸控制开关进行检查，回路绝缘良好，控制开关接点可靠，故直流接地现象与回路绝缘无关。经检查，该电厂#1机发变组保护控制屏柜内的开关控制回路和闪光报警回路所用直流电源分别来自#1机控制直流Ⅱ母和#1机控制直流Ⅰ母，两段直流正常时分别独立运行。根据开关操作的顺序，以及对开关操作过程中直流接地现象的研究，结合#1机发变组保护控制屏柜内的直流电源的接入特点分析，开关在分合闸操作过程中应该是使两段母线合环运行才导致了两段母线同时报直流接地故障[2]。该厂使用的直流系统为深圳奥特迅公司产品，主机型号为WJY3000AF，配置CT采集模块以及绝缘监测电流变送器。该主机采用电桥原理，可实时对正负直流母线的对地电压及绝缘电阻进行监测，当实际运行参数低于设定的报警值时，支路巡检功能会自动启动。实时绝缘监测可分为母线监测和支路巡检两部分。母线绝缘监测的原理是测量母线正负极对地的绝缘电阻。由于带电体电阻不能直接进行测量，因此母线对地绝缘电阻通常采取正负母线之间投切采样电阻，采样不同投切电阻和绝缘电阻形成不同的对地直流电压，通过对不同情况下的正负母线对地电压进行测量，进而通过计算得出绝缘电阻。FMK开关的控制原理图如图2所示，R+和R-分别是正负母线对地的等效绝缘电阻，224 kΩ与226 kΩ电阻分别为正负母线对地的平衡电阻，这两个电阻在正常情况下起到平衡母线对地电压的作用，不至于使得母线因对地绝缘电阻过大而导致对地电压不稳定。K1～K4投切的几组电阻分别在不同情况下使得测量正负母线电压不同，以便计算出对地的绝缘电阻。

所有开关断开时，分别测量正负母线的对地电压U1、U2，得到以下关于R+、R-的方程：

将K1开关闭合，分别测量正负母线的对地电压U1′和U2′，得到以下关于R+、R-的方程：

式（1）和式（2）为一个关于R+和R-的二元方程组，通过求解即可算出R+和R-的值。

在实际应用中，考虑到正负母线绝缘电阻等值下降等因素，需设置多个投切开关K2、K3、K4等，以便计算不同工况下的母线对地绝缘电阻。

当正负母线的对地绝缘电阻值低于设定的告警阈值时，绝缘监测装置给出绝缘下降的告警。一般情况下，告警阈值和母线电压相关，比如常见的220 V直流电源系统，其告警值一般设置在25 kΩ左右。

K1、K2、K3、K4相当于电子开关，开关的闭合和打开由电子脉冲控制，可以测量正常情况下直流母线的对地电阻并和参考值进行比较，开关的闭合、打开顺序是可控的。

如果两段母线合环运行，此时就有两套微机绝缘监测装置在同时运行，如图2所示，两段母线的绝缘监测装置的K1、K2、K3、K4电子开关的闭合顺序就成为不可控的，此时计算出的对地电阻值与程序中设定的比较值误差比较大，甚至计算值会降低到告警值以下，则两段母线绝缘监测装置同时报警。

根据FMK开关控制原理圖可以看出，正常运行或开关停运后，回路中都只有直流Ⅱ母的电源，当开关在“预分合”位置时，闪光母线接通，闪光母线使用的是直流Ⅰ母电源，导致两条直流母线在负荷侧合环运行[3]。

4 整改措施

（1）利用#1机组直流系统辐射状网络改造工作，对#1发变组保护控制屏内的控制直流和闪光报警回路直流进行整改，将FMK开关控制电源由原来的直流Ⅱ母改接至直流Ⅰ母，使控制与闪光回路使用同一组电源。（2）熟练掌握发变组控制屏内所有开关的控制回路图，认真分析回路中可能存在的设计缺陷或施工过程中容易造成寄生回路的部分，利用检修或开关撤运的机会制订方案进行验证。（3）在日常直流系统运行过程中，严禁两条直流母线合环运行，在单条母线充电装置退出，需要母联开关投运时，必须提前退出一套直流绝缘监测装置，否则会引起直流系统接地告警。

5 结语

直流系统接地故障对发电厂的安全运行危害极大，FMK开关等主设备开关在机组运行中占据着非常重要的地位，决定着发电机能否顺利并网。健康稳定的直流操作回路是开关、机组稳定运行的重要保障，本次直流接地故障的处理解决了机组长期以来存在的并网前的安全隐患，并为今后直流接地故障的查找提供了新的思路和方向。

[参考文献]

[1] 李天波.一例直流系统接地故障的查找和分析[J].科技创新与应用，2019（32）：128-129.

[2] 刘友强，游德华.变电站直流系统接地原因分析及故障查找[J].大众用电，2019，34（8）：30-31.

[3] 曾书君.直流系统接地危害分析与接地点查找方法探讨[J].电力安全技术，2019，21（2）：21-24.

收稿日期：2021-01-29

作者简介：郑宏阳（1987—），男，甘肃平凉人，工程师，研究方向：发电机励磁系统。