厂站用直流电源系统接地试验装置研究及应用

广东电网有限责任公司中山供电局 黄伟豪 肖 星 卢泳茵 温云龙 邱天怡 罗海鑫 林 蔚

厂站用直流电源系统是发电厂、变电站内二次设备的重要供电系统，其为站内的继电保护、控制、信号、计算机监控、事故照明等直流负荷提供可靠的直流电源保障。厂站用直流电源系统的正常运行对电力系统设备安全有着重要作用，若直流电源发生故障，将可能导致变电站继电保护装置、安自装置等拒动或误动，使变电站一次设备失去可靠的保护。厂站用直流电源系统的常见故障包括直流系统接地和交流窜入等。由于交流系统为接地系统，当交流电窜入直流系统时也将引起直流回路接地，从而导致保护装置、电力设备异常动作。

为更好地实现变电站直流电源系统运行情况的检测，现站内采用直流电源系统绝缘监测装置对直流电源系统进行接地故障监测。该装置可检测直流母线的对地电阻，在直流电源系统发生接地故障时发出报警信息，以便运维人员及时发现并进行消缺。在对厂站用直流电源系统检修试验时，为保证直流电源系统绝缘监测装置的可靠性，需对该装置的直流系统接地报警功能进行校验，确保直流母线绝缘监察装置功能及其信号回路完好。目前进行直流电源系统接地试验的常用方法为可调电阻或直接接地方法，但该方法存在引起保护装置误动或拒动的风险。

1 直流电源系统接地试验常用方案风险点分析

在进行厂站用直流电源系统接地试验时，需将试验装置接于正母线（+KM）或负母线（-KM）与地之间，当试验装置电阻值小于直流电源系统绝缘监测装置设定的告警值时，装置即发出“直流接地”告警。针对直流电源系统的绝缘监测功能验证，市面上有直流电源系统绝缘监测装置校验仪器，可用于测试直流电源系统接地告警功能。然而该校验仪器价格昂贵、维护费用高且其携带不便，不利于现场试验工作的开展。

目前厂站用直流电源系统接地试验普遍采用可调电阻或直接接地方法，但若现场检修人员使用可调电阻时不慎将电阻值调至过小或使用试验接线直接接地，会造成直流电源系统接地。一般情况下直流电源系统一点接地并不会造成保护误动或拒动，但如需检验的直流电源系统已存在一点接地，则会造成直流电源系统两点接地，严重影响二次设备的可靠性。若直流电源系统的对地电容较大，继电器、跳闸线圈等二次设备将可能与对地电容形成回路，从而造成二次设备误动或拒动[1]。此外，采用可调电阻或直接接地方法也存在接线复杂、带电部位外露的问题，可能导致人身触电，对作业人员的人身安全造成一定威胁。

2 基于平衡桥探测的直流电源系统接地检测原理

直流电源系统绝缘监测装置检测直流接地故障的原理主要为平衡电桥法[2]、不平衡电桥法[3]、直流漏电流法[4]、交流小信号注入法[5]。目前在厂站用直流电源系统的绝缘监测装置主要根据平衡电桥法的原理设计。如图1所示，V为直流电压表，KS为电压信号继电器，R1、R2为直流绝缘监测装置内的等值电阻，R1=R2，R3为正极接地电阻，R4为负极接地电阻。O点电压UV推导见公式：

图1 平衡电桥法原理图

式中U为充电机输出电压，一般为110V或220V。在直流电源系统正常运行时，该系统经高阻接地，R3、R4的值趋于无穷大，即R3=R4，此时正负母线电压分别为充电机输出电压的一半。根据平衡电桥原理，等值电阻R1、R2与直流母线对地的正负母线对地电阻R3、R4形成平衡电桥，各电阻构成的关系为R1R4=R2R3，由此可见，在直流电源系统正常运行时O点电压UV=0，直流电源系统绝缘良好。假设站用直流电源系统发生一点接地，电桥平衡被破坏，R3≠R4，即R1R4≠R2R3，此时O点电压UV≠0，电压信号继电器励磁，直流绝缘监测装置发出“直流接地”报警信号。

3 厂站用直流电源系统接地试验装置关键技术

3.1 一体化集成封装技术

为提高厂站用直流电源系统接地试验的安全性，保障作业人员的人身安全，厂站用直流电源系统接地试验装置采用一体化集成封装，将电气部分封装于绝缘外壳内，安全便携（图2）。该装置采用一体化设计，外观简洁直观、体积小、重量轻。与目前常使用的可调电阻接地试验方法相比，作业人员不需携带4个可调电阻即可完成厂站DC220V/110V两种电压等级的直流电源系统对地绝缘检测试验，且装置可放置于工具箱/包或仪表盒内，携带方便、易于保管。

图2 厂站用直流电源系统接地试验装置实物图

此外，装置使用绝缘外壳将接线插孔、试验按钮、电压等级选择开关、接地电阻值选择开关和四个不同阻值的试验电阻等带电部位集成封装，试验接线采用带绝缘封包的鳄鱼夹，可有效防范试验人员接触带电部位防止人身触电事故发生，确保试验操作安全可靠。

3.2 电压等级档位可选择技术

目前厂站用直流电源系统额定电压等级主要有220V和110V两种电压等级，为提高装置的应用范围，本文提出的厂站用直流电源系统接地试验装置配置了电压等级选择开关，适用于厂站不同电压等级的直流电源系统对地绝缘检测试验，在进行对地绝缘检测试验时，根据直流电源系统的电压等级在装置操作面板上将电压等级选择开关切换至对应电压档位，即可开展相应电压等级的直流电源系统绝缘检测试验。

图3为厂站用直流电源系统接地试验装置原理图，在进行对地绝缘检测试验时根据直流电源系统的电压等级在装置操作面板上将电压等级选择开关SA1切换至对应电压档位，即可开展相应电压等级的直流电源系统绝缘检测试验。将SA1切换至110V时，接点9-10接通，可进行110V直流电源系统接地试验；将电压等级选择开关SA1切换至220V时，接点9-11接通，可进行220V直流电源系统接地试验。

图3 厂站用直流电源系统接地试验装置原理图

3.3 试验电阻值档位可选择技术

本文提出的厂站用直流电源系统接地试验装置配置了接地电阻值选择开关SA2，由图3可知，SA2有4对接点，将开关切换至0.95倍选项，接点①-②、⑤-⑥导通，分别接通110V、220V的0.95倍直流电源系统对地绝缘测试回路；将SA2切换至0.95倍选项，接点③-④、⑦-⑧导通，分别接通110V、220V的1.05倍直流电源系统对地绝缘测试回路，此时根据电压等级选择开关SA1的档位选择即可进行相应电压等级的接地试验。在进行对地绝缘检测试验时将接地电阻值选择开关SA2切换至对应0.95倍或1.05倍对地绝缘告警电阻定值的接地电阻，即可开展相应的直流电源系统绝缘检测试验项目。

在试验回路中，装置集成应用了四个电阻R1、R2、R3、R4，其中，R1、R2分别对应0.95倍、1.05倍的110V直流电源系统对地绝缘告警电阻定值，R3、R4分别对应0.95倍、1.05倍的220V直流电源系统对地绝缘告警电阻定值。R1、R2、R3、R4的阻值设置可根据具体的规范要求和定值设定。上述四个电阻值的选择，可有效检验对应电压等级直流电源系统绝缘监测装置的对地绝缘可靠告警和可靠不告警功能，保证“直流绝缘异常”异常信号能可靠发出同时不造成保护误动或拒动。

3.4 一键启停试验按钮

为保证厂站用直流电源系统对地绝缘检测试验可靠安全进行，厂站用直流电源系统接地试验选用了自锁试验按钮SB，按下后即可保持试验状态，用于启停试验，可一键启停对地绝缘检测试验。根据厂站用直流电源系统接地试验装置原理，当试验回路处于断开状态时按下自锁试验按钮SB，该试验按钮SB保持导通，试验回路接通；再按下自锁试验按钮SB，试验按钮SB断开，试验回路断开。

进行试验时，可先根据电压等级将电压等级选择开关SA1选至相应电压档位，再选择对应0.95倍或1.05倍对地绝缘告警电阻定值的接地电阻，最后按下自锁试验按钮SB即可接通试验回路，开始对地绝缘检测试验，试验结束后再次按下试验按钮SB即可断开试验回路，结束试验，整体试验操作简单快捷。

4 现场应用情况分析

根据中国南方电网公司发布的《变电站直流电源系统技术规范》，110V、220V直流电源系统接地电阻告警值分别为15kΩ、25kΩ。基于此，对于南网标准的厂站用直流电源系统，厂站用直流电源系统接地试验装置电阻R1、R2、R3、R4分别为14.25kΩ、15.75kΩ、23.75kΩ及26.25kΩ，表1为厂站用直流电源系统接地试验装置电阻值配置及对应的接地试验结果表。

表1 厂站用直流电源系统接地试验装置电阻值配置

以进行厂站用110V直流电源系统正母线0.95倍对地绝缘检测试验为例，进行接地试验时，需将厂站用直流电源系统接地试验装置使用鳄鱼夹接于直流正母线与地之间，先将电压等级选择开关SA1选至110V，再将接地电阻值选择开关SA2选至0.95倍对地绝缘告警电阻定值的接地电阻，最后按下自锁试验按钮SB接通试验回路，此时R1电阻回路接通，可检验直流电源系统绝缘监测装置的对地绝缘可靠告警功能；试验结束后再次按下试验按钮SB即可断开试验回路、结束试验。图4为厂站用直流电源系统接地试验装置应用示意图，图中KM为正母线，KN为负母线，V为直流电压表，KS为电压信号继电器，R1、R2为等值电阻，R3为负极接地电阻、R4为正极接地电阻。

图4 厂站用直流电源系统接地试验装置应用示意图

综上，本文提出的厂站用直流电源系统接地试验装置适用于厂站用直流电源系统对地绝缘检测试验的工作需求，已于2019年8月开始应用于中山供电局123座变电站共246套直流电源系统的对地绝缘检测试验，至今应用情况良好。表明该装置可确保不会引起保护误动或拒动情况发生，具有适用性广、操作简捷、携带方便、安全可靠等特点，提高了设备检修运维水平，为保障电网的安全和稳定提供了有力支持。