变电站直流系统接地故障分析

摘要：随着电力系统二次回路的丰富和完善、直流系统的规模不断扩大，接地故障发生的频率也随之增加。文章介绍了直流系统接地故障产生的原因和危害，研究了直流系统两点接地可能引发断路器误动、拒动和熔断器熔断的隐患，论述了由直流电桥和差动元件构成的微机绝缘监察装置的工作原理及为克服其自身的局限性而采用的接地检测装置原理。

关键词：变电站；直流系统；接地故障；微机绝缘监察装置；接地检测装置 文献标识码：A

中图分类号：TM862 文章编号：1009-2374（2016）07-0126-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.064

直流电源是电力系统重要的组成部分。它是变电站一次设备的控制电源和信号电源，是保证UPS不间断供电的重要电源，没有它，整个变电站的电力设备将失去保护，因此保证直流系统的正常运行对电力系统的安全稳定至关重要。直流系统发生频率最高的故障是接地故障。直流系统一点接地时，不会产生短路电流，但是必须尽快消除故障点，否则当直流系统的另一点出现接地时，两个接地点通过大地导通，继而可能引起断路器的错误动作或造成直流系统电源短路，使整个变电站失去直流电源，严重威胁到电力系统的安全运行。因此，《电力安全规程》中规定决不允许直流系统在一点接地的情况下长时间运行，必须迅速排除接地故障，从而避免更大恶性事故的发生。

1 直流系统接地故障的类型

直流系统接地故障多种多样，依照不同的划分标准可以将其归纳为不同的种类，以便于故障的分析和处理。

按照接地的电源极性可以分为正极接地和负极接地。

按照接地电阻的大小可以分为完全接地（直接接地）和不完全接地（间接接地）。

按照接地持续的时间长短可以分为非永久性接地和永久性接地。

按照接地点的个数可以分为单点接地和多点接地等。

由于变电站内环境的复杂性，直流接地多是几个种类的混合。例如，在连续的阴雨天里，容易发生一两处直接接地和多处间接接地，其中有些接地点接地不稳定，时有时无，这就会给故障处理造成很大难度。

2 直流系统接地故障的常见原因

（1）二次回路及设备严重污秽、受潮和腐蚀。遇到雷雨天气，室外端子箱或机构箱内极易潮湿积水，导致直流回路对地绝缘严重下降，严重者可能到零，从而形成接地。（2）外来物触碰直流回路。例如老鼠将电缆绝缘层咬伤后，导致电缆芯与屏蔽层或端子箱触碰接地。而蚂蚁喜欢聚集在接线头的裸露部分，若聚集的数量足够大，则直流电经其身体与另一端的金属接地体相接造成接地。（3）回路元件烧毁以致触碰外壳或地。（4）施工工艺不严格，造成直流电缆线芯分叉接触到柜体金属外壳或施工时不谨慎造成电缆绝缘皮划伤、磨损等。

3 直流系统接地故障的危害

直流系统发生接地故障最显著的变化是接地回路的电压大幅下降，直流正负极电压出现严重不均衡，轻则造成分合闸继电器动作缓慢，重则发生断路器误动、拒动，严重威胁电力系统的稳定运行。如果接地同时发生在直流正负极电源端，则瞬间产生的巨大短路电流会烧断熔断器熔丝，造成全站直流电源消失，所有断路器将失去操作控制电源，处于无保护的状态。

下面分别举例说明直流接地造成的断路器误动、拒动和熔断器熔丝熔断故障。

3.1 断路器误动

当跳闸回路中的接点两侧发生接地，可能导致跳闸继电器误动。

如图1所示，当A、B两点同时接地时，A、B两点通过大地连通，将接点1KA、2KA短接，继而KC继电器动作，KC接点闭合，跳闸回路导通，LT继电器流过电流动作于跳闸。另外，当A、C两点接地时KC接点被短接，也造成跳闸回路导通动作跳闸。在A、D两点，D、F两点发生接地同样能造成断路器误跳闸。

3.2 断路器拒动

当跳闸回路中的继电器两侧发生接地，可能导致跳闸继电器拒动。如图1所示，在B、E两点同时接地时，将中间继电器KC短接，如果系统发生事故，1KA或2KA的接点闭合，由于中间断电器KC被短接不能动作，因而断路器不会跳闸，使事故越级扩大。同样D、E两点或C、E两点同时接地，将LT短接，也会发生断路器拒动。

3.3 直流电源两极接地引起熔丝熔断

如图1所示，当接地点发生在A、E两点，直流电源的正负极通过地网短接，产生巨大的短路电流，引起熔丝熔断。在B、E两点和C、E两点接地时，当保护装置动作，也会发生直流正负极短路故障。

4 直流接地故障的处理

处理直流接地故障时，应本着既能保证人身安全，又能最大限度地减少对运行中设备的影响的原则进行。随着科技的发展，查找直流接地点的方法也更加先进，由传统的拉路法到现在的电子检测装置，查找的效率越来越高，对系统正常运行的影响越来越小。然而，现实中多数直流接地故障并不稳定，接地电阻和接地点的个数随着时间的变化而变化，再加上接地的种类千差万别，查找的方法不一而足，因此现场查找直流接地可能会采取多种方法：

4.1 拉路法

这是查找直流系统接地故障的一个传统办法。“拉路”就是拉开各直流回路的空开，切断电源的时间应小于3秒，不论接地故障是否消失均应合上电源。凭经验而论，拉路应从最容易发生故障的回路拉起，先拉信号回路、照明回路，再到操作回路、保护回路；先室外部分后室内部分。若拉到某一路直流接地故障消失，则继续逐一拉开下一级空开，如此这般，从源头到末端，逐步缩小查找的范围，最终找出接地点。如果拉路法无效，应尝试切换整流装置和蓄电池组或者切换直流母线的方法查找，检查是否是整流装置、蓄电池组或直流母线发生接地。由于二次系统越来越复杂，“拉回路”可能导致控制回路和保护回路误动而发生跳闸事故。如今已发明了更安全便捷的直流接地检测装置后，拉路法现在只作为一种不得已情况下才使用的方法。

4.2 直流接地选线装置监测法

如图2所示，这是一种在线监测直流系统对地绝缘情况的装置。它结合了平衡电桥与不平衡电桥原理并利用负载回路的直流互感器测出的差流来判别接地回路。R1与R2是平衡电桥的两个电阻，R1=R2。R3是切换电阻，由S1的开断实现平衡电桥与不平衡电桥的转换。当S1断开时，若发生单极接地故障或双极接地电阻差别较大的故障，直流互感器可以检测出差流，进而触发装置报警；当S1闭合时发生双极接地而接地电阻相差不大的情况则直流互感器仍能检测出差流。因而装置最显著的优点是克服了继电器型绝缘监察装置不能正确反映正、负极绝缘同时降低的动作死区问题。除此之外，它的在线监测功能能够全天候监测直流系统的接地电阻，并详细显示出绝缘降低回路的编号，方便了接地点的查找。但是它的缺点是当平衡电桥与不平衡电桥相互转换时正负极母线对地电压波动较大，可能诱发继电器误动，而且该装置只能定位到接地的回路，但对回路上具体的接地点却无法确定。因此，这种选线装置只能用于在线监测系统对地绝缘，并发出告警信号，对查找直流接地点起辅助作用。

4.3 手持式低频信号直流接地检测仪故障定位法

手持式低频信号直流接地检测仪在电力系统中使用非常广泛。由于它的便携性，使用起来非常轻便。如图3所示，它的主要原理是利用低频信号发生器向直流系统注入一个低频的交流信号，然后由专用的钳形低频电流表检测各支路中低频交流信号电流，以判断该回路是否接地。另外如果将信号输出设置为两个相位差为180°的低频信号，则不仅可以检测直流接地故障还可以检测电源两极间的短路故障。手持式低频信号直流接地检测仪的主要优点是在检测接地点时不会影响到直流系统的正常运行。但是要注意所加低频信号的幅值不能太大，否则会增大直流电压的纹波系数，对系统的稳定造成不良影响。此外，当直流系统对地电容较大时会分走较多信号电流从而会影响接地点的查找。由于电容的容抗是1/wc，因而信号的频率越低，系统对地电容的容抗越大，从而影响就越小，但是频率的选择还要结合直流电压的频谱状况，要躲开直流电压较大的低频分量才能更准确地查找出接地点。

5 查找接地故障时的注意事项

直流系统发生接地故障时，不仅对电力设备不利，而且对整个电力系统的安全构成威胁。此时，应终止正在进行的工作，立刻查找直流接地点；查找和处理故障时必须由两人同时进行，注意处理时不得造成直流正负极短路或另一点接地；用仪表检查时所用的仪表的内阻不应低于2000Ω/V，禁止使用灯泡寻找的方法。拉路前应采取必要防范措施，以避免直流电源失电可能引起的继电保护自动装置误动。

6 结语

杜绝直流接地故障应以预防为主，严格设备施工工艺，对室外端子箱、机构箱等加强密封，加装防潮除湿设备或材料，对绝缘老化、不能满足对地绝缘电阻要求的设备及时更换。建立定期巡视的故障制度，加强对直流系统的认识和管控，对直流系统容易接地的部位重点检查，做到防患于未然，如此方能最大限度地降低直流系统发生接地的故障概率，保证电力系统的稳定运行。

参考文献

[1] 向小民，胡翔勇，曾维鲁，等.直流系统绝缘监察装置[J].中国电力，1999，32（8）.

[2] 赵兵，胡玉岚.直流系统微机型绝缘监察装置问题的探讨[J].广东电力，2009，22（4）.

作者简介：刘德言（1989-），男，河南人，广州供电局有限公司变电管理三所助理工程师，研究方向：电力系统。

（责任编辑：小 燕）