变电站直流系统接地故障的监察与诊断

引言

直流系统是变电站中为各类设备提供直流电源的电源设备,该系统独立运行,变电站正常运行时,其为信号、继电保护、断路器等设备提供电源:变电站外部交流电断开时,其为站内后备电源供电。由直流系统进行供电的负荷在变电站中特别重要,对于电源的可靠性有极高的要求,因此,直流系统供电的可靠性决定了整个变电站能否正常运行。

当直流系统的故障发生在继电保护或开关回路中时,就有保护拒动或开关跳闸的风险,可能造成事故甚至进一步扩大事故。而在直流系统的所有故障种类中,接地故障是最常见的故障之一。

1变电站直流系统接地故障简述

变电站直流系统运行方式一般采用的是两电两充,短时并列接线,即配置两台高频开关充电、浮充电装置,两组蓄电池组,本文也以此运行方式为例进行研究。

如图1所示,K是继电保护出口继电器的常开接点:RKM是回路电阻:KM是跳闸中间继电器:A、B、C、D、E是跳闸回路的各个接地点:SA是操作开关的辅助接点:TQ是跳闸线圈:1FU、2FU是熔断器或快速开关刀口:QF是辅助接点,断路器在合位时闭合:+WC、-WC是控制回路直流正、负小母线。

当直流系统中发生一点接地故障时,对直流系统的运行不会产生影响,但务必要尽快消除故障,否则如果再发生一点接地,则会造成直流系统两点甚至多点接地,会直接对电力系统的运行造成严重影响。

当直流系统中发生两点接地故障时,直流系统就有可能构成接地短路,存在短路电流,进而造成直流系统的负荷设备误动或拒动:甚至会造成直流保险熔断,使直流系统的负荷设备失去电源。

当直流系统正极接地时,由于跳闸线圈通常接在电源负极,如果直流系统中再发生接地或绝缘不良,跳闸线圈会接在正负极之间,有电流经过继电器,就会引起保护误动。同理,当直流系统负极接地时,通常接在电源负极的跳闸线圈直接被短路,存在断路器拒动的可能。

1.1正极接地

如图2所示,当直流系统A、B两点接地时,A、B两点通过大地相连导通,则A、B两点可以跳过常开节点K直接相连,在图2中,通过粗线标记的线路相连。继电器KM励磁动作,KM常开辅助开关闭合,断路器的跳闸回路导通,TQ将有电流经过,致使断路器误动作跳闸。同理,当图2中的A、C同时发生接地或者A、D同时发生接地时,KM辅助开关都会被跳过,电流会经过TQ,致使断路器误动作跳闸。

1.2负极接地

如图3所示,当直流系统的B、E两点接地时,B、E两点通过大地相连导通,则跳过继电器KM直接相连。此时,如果系统发生故障,由于继电器KM被短接,KM不会励磁动作,辅助开关KM不会闭合,从而跳闸线圈TQ回路不导通,断路器不会跳闸,产生拒动现象,使得故障范围扩大。同理,当C、E同时接地或者D、E同时接地时,TQ被短接,断路器无法跳闸,发生故障后,产生拒动情况。

1.3正、负极接地

如图4所示,当直流系统的A、E两点同时发生接地时,相当于A、E通过大地直接相连,跳闸回路的正负极发生短路,致使熔断器(或快速开关)1FU、2FU熔断(或快速开关跳闸),导致控制回路直流电源消失。由于TQ的动作电压较低,如果直流系统的对地电容较大,TQ前的回路发生一点接地,TQ两侧电压会有可能超过动作电压,造成断路器误动作。

2直流绝缘监察装置

2.1直流绝缘监察装置工作原理

直流电源系统的绝缘监察由直流母线绝缘监察和负载支路绝缘监察组成,在工作现场,母线监察和支路监察一般使用不同的工作原理。

通常情况下,母线监察保持在线状态,通过母线节点电压偏移值或者母线对地绝缘电阻下降值来触发支路监察。

通常情况下,支路监察保持待机状态,当母线绝缘发生异常时,支路监察巡视检查,定位发生故障的绝缘支路。

2.2直流母线的绝缘监察原理

如图5所示,R+和R一是正负母线对地的等效绝缘电阻,R1与R2是正负母线对地的平衡电阻,R1与R2用于平衡母线的对地电压,避免出现R+和R一过大引起对地电压不稳定的情况。K1、K2为开关,用于投切电阻R1与电阻R2,K1、K2不同的投切情况得到不同的母线正负电压,进而计算得到R+和R一。

正常情况下,开关K1、K2断开,测量正负母线对地电压U1和U2,得到R+、R一的数学关系式如下:

此时,R+、R一即为正常情况下正负母线对地的绝缘电阻。

当发生正或负母线电压偏移时,先闭合开关K1,K2断开,测量正负母线对地电压U1、U2,得到R+、R一的数学关系式如下:

再闭合开关K2,K1断开,测量正负母线对地电压U1、U2,得到R+、R一的数学关系式如下:

通过不平衡电桥法测量正负母线对地电阻,能准确检测正或负母线接地电阻。

2.3直流支路的绝缘监察原理

对直流电源系统的支路输出进行漏电流检测,可以定位直流系统绝缘下降的故障点,根据漏电流值判断绝缘电阻值,进而得到支路绝缘故障的信息。

如图6所示,漏电流霍尔传感器同时监测平衡电阻的正负极电缆,在绝缘没有发生下降时,正负极电缆上的直流电流数值相同、方向相反,霍尔传感器感应不到电流差,不会给出支路故障信号:当有一级绝缘发生下降时,正负极电缆上的直流电流数值不再相同,霍尔传感器会感应到这个电流差,当电流差超过阈值后,会给出支路故障的信号。

3直流接地诊断步骤

当直流系统发生接地时,首先根据现场绝缘监察装置配备情况,利用变电站主监控绝缘报警系统、直流接地测试仪、接地光字牌等监察手段,并通过万用表测量直流屏处的直流对地电压,判断直流接地故障的性质。

接地性质明确后,可进行如下操作:检查绝缘性能差(例如室外端子箱、接线箱、密封不严的刀闸机构箱、无防雨罩的瓦斯继电器等)、有设备缺陷记录、有检修工作记录的设备和线路是否存在接地情况。

若绝缘监察装置能监察出接地的具体支路,该支路为双回路配置的,可以用合、拉空气开关的方法,将该支路负载转到另一直流母线,观察接地现象是否转到另一直流母线上。

若以上绝缘监察装置等无法检测出具体接地支路,在坚持查找直流接地故障的原则的前提下,依次切断直流屏上各负荷开关,但切断时间不可以超过3s,如果断开某负荷开关,直流接地情况消失,则可以确定该段母线存在接地点,然后依次断开该段母线上的配出回路直流电源,进而判断确切的接地回路,并消除接地故障。

4案例分析

2021年某日下午,变电运维人员在巡视某变电站时发现直流馈线屏上的智能直流绝缘监察装置报警灯红灯亮,立即查看屏幕上的报警信息。如图7所示,报警信息显示1母绝缘压差高,母线监察信息显示正极对地电压为U+:126.9V,负极对地电压为U一:一89.0V,发现是某路电源负极接地。

变电运维人员立即汇报监控,然后遵循先拉开信号电源后拉开控制电源、先拉开室外电源后拉开室内电源的原则查找直流接地。在拉开110kV某一线路的测控遥信电源空开后,直流馈线屏上的智能直流绝缘监察装置报警灯红灯灭,如图8所示,母线监察信息显示正极对地电压为U+:108.9V,负极对地电压为U一:一107.0V,恢复正常,判定是这一条110kV线路的断路器操作电源负极接地,立即汇报监控并报缺陷。

天气原因是引起直流接地故障的常见原因之一,无论是雨水渗入密封不严的室外设备,还是天气潮湿引起设备绝缘性能下降,都有可能引起直流接地故障。

本次110kV线路的断路器操作电源负极接地,就是梅雨天气导致空气湿度过大,室外端子箱内端子排导线的绝缘外壳有所破损,从而使得绝缘性能大幅度下降。

5改进措施

5.l1采用显示接地支路的绝缘监察装置

目前,新投运的变电站大多都采用可以显示接地支路的绝缘监察装置,可以更加直观地看到接地时间、接地极、支路号和绝缘电阻等信息,该装置相比于以往的绝缘监察装置,好处在于可以及时知道接地支路的位置,减少变电运维人员对于具体故障点的排查时间,避免事故范围扩大。

5.2加强变电站直流系统的巡视

造成变电站直流系统接地的原因有很多种,包括:

(1)气候原因,比如气候潮湿导致室外设备的绝缘性能降低,进而引发接地故障:

(2)自然原因,比如设备自身的振动、绝缘老化等都可能成为直流系统接地的隐患:

(3)人为原因,比如厂家漏接或错接导线等也有可能导致直流系统接地。

这就需要变电运维人员更加严谨仔细地巡视,认真地检查直流屏上的电压、信号是否正常,是否有异常报警信号等,加强对变电站直流系统的检查和巡视。

6结语

对于变电站直流系统来说,直流接地常见故障中后果最严重的是两点接地。一点接地可能造成设备误动或者拒动:而两点接地,除了可能造成设备误动或者拒动以外,还可能造成直流系统的熔断器熔断,使直流系统的负荷失去供电。

本文中故障案例是梅雨天气、空气潮湿致使端子排导线绝缘性能降低,从而进一步导致断路器跳闸回路直流电源负极接地,变电运维人员在第一时间查找并隔离故障点,避免了事故进一步扩大,保障了安全稳定供电。

本文所述方法为变电运维人员的变电站直流系统接地故障诊断提供了一种思路及经验参考。