控制系統(tǒng)直流電源接地故障分析與預(yù)防措施探討

趙琦瑋

（浙江天音管理咨詢有限公司，杭州310005）

控制系統(tǒng)直流電源接地故障分析與預(yù)防措施探討

趙琦瑋

（浙江天音管理咨詢有限公司，杭州310005）

通過直流電源接地引起機(jī)組跳閘的案例分析，討論了直流電源一點(diǎn)接地后，絕緣監(jiān)測(cè)裝置繼電器的誤動(dòng)原理，以及熱工和電氣方面引起直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的可能原因，提出了直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地故障時(shí)減少其危害的措施。

直流系統(tǒng)；繼電器；一點(diǎn)接地；故障分析；預(yù)防措施

直流電源是發(fā)電廠廠用電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，涉及繼電保護(hù)、控制、信號(hào)、事故照明、交流不間斷電源（UPS）、計(jì)算機(jī)監(jiān)控等，用電負(fù)荷重要性高、設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、分支眾多，故障發(fā)生時(shí)不易查找。本文通過2例故障案例的分析，討論了直流電源一點(diǎn)接地的危害、因其造成繼電器誤動(dòng)作的原因以及應(yīng)對(duì)措施，供同行在機(jī)組檢修維護(hù)中參考。

1 直流接地造成機(jī)組跳閘案例分析

1.1 直流接地造成2臺(tái)機(jī)組同時(shí)跳閘

某發(fā)電廠7號(hào)機(jī)組于某日18∶56∶14發(fā)生1臺(tái)主變壓器220 kV開關(guān)跳閘、7D磨煤機(jī)跳閘，7號(hào)發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)壓帶廠用電運(yùn)行事件。19∶12∶04，7號(hào)機(jī)組因汽包水位低低而MFT；19∶23∶10，8號(hào)機(jī)組因低真空保護(hù)動(dòng)作而跳閘。

專業(yè)人員檢查發(fā)現(xiàn)：7號(hào)機(jī)組直流7A段絕緣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)生接地故障（該設(shè)備已壞），正極對(duì)地絕緣為零，集控室光字牌亮。而直流系統(tǒng)接地的原因是7號(hào)機(jī)組調(diào)節(jié)器柜內(nèi)測(cè)量勵(lì)磁電流諧波分量的變送器電源回路異常，斷開該變送器電源后直流系統(tǒng)接地現(xiàn)象即消失。7號(hào)機(jī)組主變壓器220 kV開關(guān)跳閘以及引起7號(hào)、8號(hào)機(jī)組同時(shí)跳閘的原因分析如下：

（1）7號(hào)主變壓器220 kV開關(guān)跳閘原因是直流接地。

查閱故障統(tǒng)計(jì)臺(tái)帳，機(jī)組曾經(jīng)因直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地造成開關(guān)誤跳事件，其主要原因是跳閘回路中保護(hù)柜至開關(guān)端子箱的電纜過長，對(duì)地分布電容偏大，正極金屬性接地瞬間電容流過的電流過大，使得開關(guān)跳閘線圈上的電壓達(dá)到動(dòng)作值。根據(jù)預(yù)試報(bào)告，7號(hào)主變壓器220 kV開關(guān)跳閘線圈的最低動(dòng)作電壓為90 V，符合預(yù)試規(guī)程中的規(guī)定。但7號(hào)機(jī)組繼電器室保護(hù)柜至7號(hào)主變壓器220 kV開關(guān)端子箱的距離較遠(yuǎn)，電纜長約354 m。在直流系統(tǒng)正極金屬性接地情況下，造成220 kV開關(guān)跳閘線圈動(dòng)作，磨煤機(jī)隨后失電跳閘，爐內(nèi)熱量大幅度下降，導(dǎo)致了7號(hào)機(jī)組因汽包水位低低而MFT。

（2）8號(hào)機(jī)跳閘原因是循環(huán)水中斷導(dǎo)致低真空保護(hù)動(dòng)作。

7號(hào)機(jī)組MFT后，19∶12∶17，6 kV 7A和7B段及6 kV公用07A段母線，因低電壓啟動(dòng)切換至備用電源；19∶12∶18，7A循環(huán)水處理變壓器開關(guān)因母線電壓低至60 V，延時(shí)3 s后動(dòng)作跳閘，但高/低壓側(cè)聯(lián)鎖跳閘不成功（主變壓器開關(guān)輔助接點(diǎn)接觸不良），使得380 V循環(huán)水處理7A段工作電源開關(guān)未跳閘，7B段聯(lián)絡(luò)開關(guān)不能自投。380 V循環(huán)水處理7A段母線失電后，其下接的四期循泵房1號(hào)動(dòng)力盤、1號(hào)MCC柜和熱工電源柜失電。后果是循環(huán)冷卻水壓力變送器失電，延時(shí)10 min后循泵冷卻水壓力低保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致7A和8B循泵于19∶22∶05跳閘，8號(hào)機(jī)組因循環(huán)水進(jìn)水壓力至零，低真空保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組跳閘。

1.2 ETS直流電源接地故障引起發(fā)電機(jī)保護(hù)動(dòng)作

某發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組于某日23∶32因“主變快速壓力釋放”保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組跳閘。檢修人員檢查發(fā)現(xiàn)直流110 V A段、B段母線都存在接地現(xiàn)象。該電源除供給汽機(jī)熱控直流電源配電柜外，還作為電氣保護(hù)裝置電源，此外直流母線上還配備了直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)儀。

經(jīng)進(jìn)一步仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，直流110 V A段和B段母線供電負(fù)荷中的汽機(jī)熱控直流電源配電柜，即ETS的2路直流電源存在接地且有合環(huán)現(xiàn)象。由于二期采用直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)儀，而繼電保護(hù)裝置均采用微機(jī)型（其外部跳閘信號(hào)與保護(hù)裝置之間均采用動(dòng)作功率很小的光電隔離），直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)儀發(fā)出的超低頻干擾信號(hào)通過電纜對(duì)地耦合電容傳送到微機(jī)保護(hù)的光電隔離上，有可能造成保護(hù)裝置誤動(dòng)。分析認(rèn)為此次發(fā)電機(jī)保護(hù)誤動(dòng)就是由于ETS直流電源接地合環(huán)造成干擾而引起的。

為驗(yàn)證上述分析，專業(yè)人員查看ETS柜電源設(shè)計(jì)圖（見圖1），從圖中可見，ETS系統(tǒng)設(shè)計(jì)有2路直流電源，而這2路電源分別從直流配電屏A和B引出。分析圖1，ETS電源設(shè)計(jì)不存在問題，即使現(xiàn)場(chǎng)側(cè)存在接地現(xiàn)象，也不會(huì)造成兩段直流合環(huán)，何況直流電源系統(tǒng)也允許一點(diǎn)接地臨時(shí)運(yùn)行。為排除ETS柜內(nèi)切換繼電器觸點(diǎn)故障造成合環(huán)的可能性，電氣人員拆除切換繼電器后，直接測(cè)量FU3N和FU3P母線，發(fā)現(xiàn)母線上有直流電壓，從而判斷是就地直流電壓倒送至ETS柜造成合環(huán)。經(jīng)進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)就地主遮斷電磁閥5YV和6YV的線圈電源電纜及其行程開關(guān)以及其它送至ETS的反饋信號(hào)使用的是同一根電纜，而該電纜因高溫而絕緣受損，導(dǎo)致了兩段直流電源合環(huán)。更換電纜后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖1 ETS電源回路

以上2例都是因直流系統(tǒng)接地引起的保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作案例。因此，分析直流系統(tǒng)接地引起故障的機(jī)理，采取相應(yīng)的預(yù)控措施，是提高控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的重要環(huán)節(jié)。

2 直流系統(tǒng)接地故障的危害及預(yù)控措施

直流系統(tǒng)故障中危害最大的并不是一點(diǎn)接地，而是當(dāng)一點(diǎn)接地后又發(fā)生另外一點(diǎn)接地，導(dǎo)致直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地，這時(shí)將會(huì)大大增加繼電器誤動(dòng)或拒動(dòng)的可能，甚至由于直流回路短路而導(dǎo)致熔斷器、熔絲熔斷，使得保護(hù)裝置失電，當(dāng)再有其它事故發(fā)生時(shí)，保護(hù)裝置將無法判斷或及時(shí)動(dòng)作，從而擴(kuò)大事故范圍。

2.1 直流系統(tǒng)接地對(duì)保護(hù)裝置的影響

圖2為某保護(hù)裝置的跳閘回路和信號(hào)回路的示意圖。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生正極接地時(shí)，保護(hù)裝置誤動(dòng)作的可能性增大。圖2中，開關(guān)的跳閘線圈接在直流系統(tǒng)的負(fù)極，直流系統(tǒng)的正極經(jīng)過保護(hù)裝置F32繼電器的動(dòng)作節(jié)點(diǎn)及壓板（X11）和跳閘線圈相連。運(yùn)行中，A點(diǎn)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，若再發(fā)生另一點(diǎn)接地于B點(diǎn)，則保護(hù)裝置F32的保護(hù)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)將被短路，跳閘繼電器Y1將動(dòng)作，引起保護(hù)誤動(dòng)作。

圖2 直流系統(tǒng)保護(hù)裝置回路

當(dāng)圖2中負(fù)極C點(diǎn)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，若再發(fā)生另一點(diǎn)接地于B點(diǎn)，此時(shí)相當(dāng)于跳閘線圈Y1被短路，那么在保護(hù)裝置F32動(dòng)作時(shí)，除跳閘線圈不會(huì)被勵(lì)磁而拒動(dòng)外，還將引起直流回路短路，Q2開關(guān)跳開，其下掛的負(fù)載全部失電，其后果是不但事故范圍擴(kuò)大，還有可能燒毀連接X11的繼電器F32接點(diǎn)。

2.2 直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地造成繼電器動(dòng)作情況分析

2.2.1 繼電器線圈正極側(cè)一點(diǎn)接地

運(yùn)行中有可能出現(xiàn)繼電器線圈的正極側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地，而直流系統(tǒng)仍表現(xiàn)出直流回路負(fù)極一點(diǎn)接地的情況。圖2中若接地點(diǎn)發(fā)生于D點(diǎn)，即位于雙位置信號(hào)繼電器K21線圈正電源側(cè)，正常情況下，保護(hù)裝置F31常開接點(diǎn)斷開，保護(hù)裝置判斷直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地點(diǎn)位于直流回路的負(fù)極。按上述分析，一般情況下直流系統(tǒng)負(fù)極一點(diǎn)接地時(shí)，只有直流系統(tǒng)正極再次發(fā)生一點(diǎn)接地才會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)，即如果在電源正側(cè)A點(diǎn)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，F(xiàn)31被短路才會(huì)引起繼電器K21動(dòng)作，絕緣監(jiān)測(cè)裝置將會(huì)判斷為直流系統(tǒng)正極接地。但繼電器K21動(dòng)作后常閉接點(diǎn)斷開，隔離了接地點(diǎn)D，如果圖2中C點(diǎn)再次發(fā)生一點(diǎn)接地，繼電器K21將被短路，此時(shí)，即使保護(hù)裝置動(dòng)作也不會(huì)發(fā)出信號(hào)，給其保護(hù)范圍內(nèi)的電氣設(shè)備安全運(yùn)行埋下隱患，而且此時(shí)絕緣監(jiān)測(cè)裝置判斷為負(fù)極一點(diǎn)接地（而不是D點(diǎn)），顯然沒有反映實(shí)際情況。

以上是建立在直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地后對(duì)系統(tǒng)不構(gòu)成危害的基礎(chǔ)上進(jìn)行的分析。但實(shí)際運(yùn)行中會(huì)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)當(dāng)繼電器線圈正極側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)（如圖2中接地點(diǎn)D），繼電器會(huì)動(dòng)作，從而使接地點(diǎn)D被切除，絕緣監(jiān)測(cè)裝置無法測(cè)得接地位置。雖然此時(shí)繼電器K21發(fā)出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，但是故障類型會(huì)改變，增加了快速查明故障點(diǎn)的難度。

2.2.2 一點(diǎn)接地后的繼電器誤動(dòng)原因

供電線路除了本身的阻抗外，還有對(duì)地容抗，雖然在正常運(yùn)行時(shí)可以不予考慮，但在某些特殊情況下，如直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的瞬間，此容抗會(huì)成為繼電器誤動(dòng)的主要原因。

一方面，在發(fā)電廠或變電站中，直流系統(tǒng)的線路往往較長，線路對(duì)地分布電容不容忽視。另一方面，繼電保護(hù)裝置回路的工作電源均采用直流電源，各繼電保護(hù)設(shè)備在其輸入回路都接入了EMI回路（即對(duì)地吸收電容回路）。其工作原理是通過EMI中的對(duì)地電容將干擾信號(hào)旁路接地，以使各設(shè)備之間能夠保持兼容和正常運(yùn)行。各設(shè)備對(duì)地之間的電容越大效果越好，因此直流回路的各負(fù)載設(shè)備從提高自身的EMI效果考慮，往往加大電容并聯(lián)到直流回路中，其結(jié)果是進(jìn)一步加大了直流系統(tǒng)對(duì)地的總電容。圖3中C表示直流系統(tǒng)對(duì)地的總電容。以110 V直流系統(tǒng)為例，在正常運(yùn)行時(shí)，直流母線負(fù)極對(duì)地電壓為-55 V，此電壓為電容C兩端的電壓。當(dāng)圖2中D點(diǎn)接地時(shí)，電容C會(huì)通過繼電器線圈放電，此時(shí)繼電器將有可能動(dòng)作。

圖3 考慮對(duì)地電容的直流系統(tǒng)

一般規(guī)定保護(hù)出口繼電器的動(dòng)作電壓大于額定工作電壓的50%視為正常。如果正、負(fù)極對(duì)地電阻對(duì)稱，則電容C上的電壓不會(huì)使繼電器動(dòng)作。但是，當(dāng)直流系統(tǒng)正極對(duì)地絕緣降低時(shí)，將有可能出現(xiàn)負(fù)極對(duì)地電壓升高至大于50%額定電壓，引起繼電器誤動(dòng)作事件。此外，如果繼電器動(dòng)作電壓低于50%額定工作電壓，當(dāng)繼電器線圈正極側(cè)發(fā)生一點(diǎn)接地瞬間，由于直流系統(tǒng)負(fù)極對(duì)地電容放電（電流方向如圖3所示），也會(huì)導(dǎo)致繼電器的誤動(dòng)作。

3 直流系統(tǒng)防接地預(yù)控措施

為提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，電力系統(tǒng)電氣和熱工專業(yè)人員應(yīng)在日常工作中重點(diǎn)做好直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的預(yù)控措施。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)以下建議供檢修維護(hù)人員參考：

（1）吸取本文中7號(hào)機(jī)直流7A段絕緣監(jiān)測(cè)裝置故障后，因無備品無法處理且未及時(shí)與運(yùn)行溝通，導(dǎo)致直流接地時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而引起機(jī)組跳閘的教訓(xùn)，在機(jī)組運(yùn)行中碰到類似問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)落實(shí)防范措施，避免出現(xiàn)監(jiān)視漏洞。

（2）綜合分析金屬性接地對(duì)各設(shè)備控制回路的影響，進(jìn)一步開展預(yù)防直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的措施研究。如選用動(dòng)作電壓較低的繼電器時(shí)，應(yīng)考慮到直流系統(tǒng)對(duì)地電容放電所產(chǎn)生的影響。發(fā)生接地引起的類似事件時(shí)，應(yīng)組織技術(shù)力量深入分析和檢查事件的原因，并充分利用停機(jī)機(jī)會(huì)，對(duì)與直流系統(tǒng)有關(guān)的設(shè)備進(jìn)行檢修。

（3）對(duì)與直流系統(tǒng)有關(guān)的熱控保護(hù)信號(hào)進(jìn)行全面梳理。機(jī)組檢修時(shí)，應(yīng)認(rèn)真檢查電纜走向，確保符合電纜的運(yùn)行環(huán)境要求。因檢修需要拆除電纜接頭時(shí)要做好記錄和標(biāo)記，防止拆錯(cuò)端子線頭、恢復(fù)時(shí)錯(cuò)接或遺留隱患。

（4）ETS的輸入信號(hào)大部分都是3路，可以將3路信號(hào)分別接到不同的端子板，這樣即使隔離1個(gè)端子板也不會(huì)造成保護(hù)失去。另外，在ETS的設(shè)計(jì)邏輯中將任一端子板電源失去就跳機(jī)的邏輯改為相同信號(hào)的3路端子板三取二判斷邏輯，可同時(shí)提高保護(hù)系統(tǒng)防誤動(dòng)和拒動(dòng)的能力。與此同時(shí)，在DCS大屏增加“ETS任一端子板失電”報(bào)警，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和檢查，防止由于端子板失電造成保護(hù)拒動(dòng)。

（5）熱工主遮斷電磁閥以及汽機(jī)前軸承箱旁的行程開關(guān)處，環(huán)境溫度較高，除應(yīng)采用耐高溫電纜外，就地電磁閥控制電纜和行程開關(guān)反饋電纜均應(yīng)分電纜敷設(shè)。

（6）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接地時(shí)不能確保信號(hào)的正常檢測(cè)，有些PLC直流電源采用負(fù)電源直接接地的設(shè)計(jì)，電源分路上沒有裝隔離熔絲，一旦外回路發(fā)生一點(diǎn)接地故障，整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)受影響甚至燒損模件。所以在防范一點(diǎn)接地的同時(shí)，對(duì)重要保護(hù)回路應(yīng)做好隔離熔絲的合理配備與完善，重要信號(hào)應(yīng)分卡處理。

（7）直流系統(tǒng)接線復(fù)雜，發(fā)生一點(diǎn)接地故障的概率較大，查找時(shí)要熟悉供電環(huán)路和相應(yīng)的二次回路，遵守查找原則和順序，采取相應(yīng)的安全防范措施（如短時(shí)退出相關(guān)保護(hù)的出口壓板等），特別要重視連接在直流母線上的各類控制設(shè)備、監(jiān)控裝置和信號(hào)回路接地帶來的特殊問題，減少遺漏和排查的盲目性，防止故障點(diǎn)的誤判斷、聯(lián)鎖保護(hù)回路的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

（8）機(jī)組檢修時(shí)，利用高精度查找裝置檢測(cè)各直流回路絕緣并建立記錄臺(tái)帳，對(duì)絕緣變差的直流回路，在氣候濕度增加時(shí)要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。同時(shí)進(jìn)行溯源對(duì)比，及時(shí)更換絕緣下降的電纜。

4 結(jié)語

直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的危害，不僅表現(xiàn)在發(fā)展為兩點(diǎn)接地后導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，還有可能因直流系統(tǒng)對(duì)地電容較大、繼電器動(dòng)作電壓過低和直流系統(tǒng)正/負(fù)極對(duì)地電阻不平衡等因素，通過對(duì)地電容放電造成繼電器動(dòng)作而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。因此，除了發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)要盡快找出故障點(diǎn)外，還要在平時(shí)工作中注意檢查容易造成直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地的隱患點(diǎn)，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。此外，對(duì)控制回路中的電纜對(duì)地電容容量應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)各保護(hù)設(shè)備連接對(duì)地電容進(jìn)行管理和量化，盡量控制在滿足電磁兼容的條件下，減少接入直流系統(tǒng)EMI回路的電容，以確認(rèn)控制系統(tǒng)對(duì)地電容在安全范圍運(yùn)行，減少事故的發(fā)生。

[1]王維儉.電氣設(shè)備繼電保護(hù)原理及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，1998.

[2]張信，盧燦，直流系統(tǒng)接地的危害分析與處理[J].中州煤炭，2007，145（1）∶58－59.

（本文編輯：徐晗）

Analysis on Grounding Fault in DC Power of Control System and the Precautionary Measures

ZHAO Qi-wei
（Zhejiang Tianyin Business Consulting CO.，Ltd.，Hangzhou 310005，China）

Through case study on units trip-out caused by DC power grounding,the paper discusses the maloperation principle of relay of insulation monitor after the one point earth of DC power and possible reasons of one point earth in terms of thermal engineering and electrical engineering.The paper expounds the measures for reducing other hazards during one point earth.

DC system；relay；one point earth；fault analysis；precautionary measure

TM744+.4

：B

：1007－1881（2013）07－0048－04

2013-03-08

趙琦瑋（1969-），男，浙江臺(tái)州人，國家一級(jí)注冊(cè)建造師、工程師，從事火力發(fā)電廠電氣（自動(dòng)化）運(yùn)行維護(hù)技術(shù)及管理工作。