基于可靠性和缺陷性分析的變電站直流系統(tǒng)接地處置對(duì)策研究

劉清泉，馬慧卓，張飛飛

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊　050021)

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基于可靠性和缺陷性分析的變電站直流系統(tǒng)接地處置對(duì)策研究

劉清泉1，馬慧卓1，張飛飛2

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021；2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力公司，石家莊050021)

摘要：介紹變電站直流系統(tǒng)組成、作用以及危險(xiǎn)點(diǎn)源，從調(diào)控業(yè)務(wù)需求出發(fā)，對(duì)變電站直流系統(tǒng)可靠性以及缺陷性進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)變電站直流系統(tǒng)供電模式，充電機(jī)和蓄電池組接線模式以及二次直流電源接線方式和對(duì)直流系統(tǒng)接地的危害進(jìn)行分析，并從電網(wǎng)運(yùn)行人員角度，提出直流接地的處置對(duì)策，并進(jìn)行了案例分析。

關(guān)鍵詞：變電站；直流系統(tǒng)；可靠性；調(diào)度

0引言

直流系統(tǒng)在變電站中為控制、信號(hào)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及事故照明等提供可靠的直流電源。為電網(wǎng)操作提供可靠的電源。直流系統(tǒng)的可靠與否，對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，是變電站能否安全運(yùn)行的保證[1]。

保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行人員主要責(zé)任之一，因此需要調(diào)控員對(duì)變電站一次二次設(shè)備運(yùn)行方式及缺陷處置方案能熟練掌握。但多數(shù)調(diào)控員將主要注意力集中在一次設(shè)備上，而對(duì)二次設(shè)備，尤其是變電站直流系統(tǒng)，往往了解得不夠深入，為電網(wǎng)安全運(yùn)行留下隱患。比如，當(dāng)變電站某臺(tái)充電機(jī)出現(xiàn)故障或者某線路主保護(hù)之一失去電源、直流系統(tǒng)出現(xiàn)直流接地時(shí)，若調(diào)控員對(duì)相關(guān)設(shè)備不了解，將不能制定正確有效的處置方案，威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。目前，關(guān)于變電站直流系統(tǒng)方面的研究大部分集中在直流接地方法[2-4]，關(guān)于變電站直流系統(tǒng)供電模式的可靠性以及直流接地危害方面的探討卻很少。該文從調(diào)控業(yè)務(wù)需求出發(fā)，基于直流系統(tǒng)可靠性和缺陷型分析，提出直流接地處置對(duì)策，以供調(diào)控員及其他電網(wǎng)運(yùn)行人員參考。

1變電站直流系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)組成

直流系統(tǒng)由蓄電池、充電機(jī)、直流回路、直流負(fù)載以及不間斷電源組成[5-6]。

蓄電池較常采用閥控密封鉛蓄電池，充電機(jī)一般采用高頻開(kāi)關(guān)電源模塊。還配置有電池巡檢儀、微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備。

1.2系統(tǒng)作用

直流系統(tǒng)為站內(nèi)的控制、信號(hào)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、事故照明提供可靠的電源，同時(shí)還為斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)、“五防”鎖具提供電源。直流電源的質(zhì)量直接關(guān)系到上述裝置能否可靠運(yùn)行。假設(shè)變電站失去直流系統(tǒng)，則站內(nèi)全部的控制、信號(hào)、保護(hù)及自動(dòng)裝置全部失靈，變電站將處于失控狀態(tài)。

1.3系統(tǒng)危險(xiǎn)點(diǎn)源

a. 充電機(jī)。當(dāng)所有充電機(jī)因故退出運(yùn)行時(shí)，全站直流負(fù)荷將由蓄電池組提供電源。若蓄電池組供電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，直流系統(tǒng)電壓下降較多，可能引起保護(hù)誤動(dòng)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

b. 蓄電池。當(dāng)變電站蓄電池組都不能正常運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

c. 直流小母線。直流小母線發(fā)生金屬性短路時(shí)，將引起上級(jí)熔斷絲熔斷，該直流屏上所有直流負(fù)荷將失去電源，可能會(huì)引起保護(hù)誤動(dòng)或開(kāi)關(guān)拒動(dòng)。

d. 線路主保護(hù)直流電源。當(dāng)線路一套保護(hù)退出運(yùn)行，另外一套保護(hù)失去直流電源時(shí)，如該線路發(fā)生故障，開(kāi)關(guān)將拒動(dòng)，無(wú)法正常切除故障點(diǎn)。

e. 500 kV開(kāi)關(guān)失靈保護(hù)直流電源。每個(gè)500 kV開(kāi)關(guān)僅配一套斷路器失靈保護(hù)，如失靈保護(hù)失去直流電源，若線路故障且相關(guān)開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，失靈保護(hù)因失去電源不動(dòng)作，故障只能由其它線路對(duì)側(cè)Ⅱ段或主變后備保護(hù)來(lái)切除，擴(kuò)大事故范圍。

2變電站直流系統(tǒng)可靠性分析

2.1充電機(jī)和蓄電池組接線模式

正常運(yùn)行方式，QK1、QK2、QK0、QZ1、QZ2、1Q1、1Q2、2Q1、2Q2在合位，1號(hào)交流帶1號(hào)充電機(jī)為1號(hào)蓄電池充電，2號(hào)交流帶2號(hào)充電機(jī)為2號(hào)蓄電池充電(1號(hào)交流與2號(hào)交流分別來(lái)自兩路不同交流電源)，0號(hào)充電機(jī)熱備用。正常運(yùn)行時(shí)，2段母線間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，整個(gè)直流系統(tǒng)分成兩個(gè)沒(méi)有電氣聯(lián)系的部分，每段母線分別由一套充電機(jī)和蓄電池組供電，兩組蓄電池共用1臺(tái)備用充電裝置，兩段母線的電源互為備用，當(dāng)其中一路交流電源出現(xiàn)故障時(shí)，可切換至另一路交流電源。充電機(jī)和蓄電池組接線圖如圖1所示。

當(dāng)充電機(jī)或蓄電池故障時(shí)，運(yùn)行方式將切換至相應(yīng)情況：

圖1　充電機(jī)和蓄電池組接線示意

a. 當(dāng)1號(hào)充電機(jī)故障時(shí)，拉開(kāi)QZ1、拉開(kāi)QK1；合上QZ0-1；

b. 當(dāng)2號(hào)充電機(jī)故障時(shí)，拉開(kāi)QZ2，拉開(kāi)QK2；合上QZ0-2；

c. 當(dāng)一組蓄電池故障時(shí)，拉開(kāi)1Q2，合上3Q1，拉開(kāi)1Q1；

d. 當(dāng)二組蓄電池故障時(shí)，拉開(kāi)2Q2，合上3Q1，拉開(kāi)2Q1。

上述每項(xiàng)操作消除后，恢復(fù)正常方式的操作步驟與上述步驟相反。

2.2二次直流電源接線方式

正常運(yùn)行時(shí)，兩段母線分段運(yùn)行，采用主、分屏供電方案。直流屏室為主屏，全站直流負(fù)荷均由Ⅰ、Ⅱ段直流母線分別供電至各直流分屏；分屏設(shè)Ⅰ、Ⅱ段直流母線，正常運(yùn)行時(shí)兩段母線分段運(yùn)行，供各饋線直流電源。

根據(jù)需要，由直流母線引出多條線至各直流饋線(如圖1所示)。各直流饋線再分電至各直流分電屏(如圖2為某一分電屏)，為保護(hù)、控制、測(cè)量、信號(hào)等回路提供電源。下面以保護(hù)電源回路接線方式為例，對(duì)500 kV直流供電回路進(jìn)行介紹。500 kV變電站設(shè)備(線路、主變壓器等)都配有兩套主保護(hù)(保護(hù)1、保護(hù)2)，開(kāi)關(guān)都配有兩套跳閘回路(回路1、回路2)，兩套主保護(hù)與2個(gè)跳閘線圈分別相連(如保護(hù)1與回路1相連，保護(hù)2與回路2相連)，其中兩套保護(hù)和兩套跳閘回路分別由兩套直流電源供電，如圖2所示，直流饋線1為線路保護(hù)1提供電源，直流饋線2為線路保護(hù)2提供電源，正常運(yùn)行時(shí)兩套直流電源獨(dú)立運(yùn)行，互不影響但互為備用，當(dāng)一路電源出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)將失電直流饋線切換至另一回路供電，這樣兩條獨(dú)立供電的跳閘回路能保證可靠切除故障。

圖2　保護(hù)電源接線示意

3變電站直流系統(tǒng)缺陷性分析

變電站直流系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障很多，但總體上可以分為2類：直流系統(tǒng)各組成元件的故障和直流系統(tǒng)二次回路故障。

3.1直流系統(tǒng)各組成元件的故障

直流系統(tǒng)各組成部件的故障主要包括：充電模塊故障、監(jiān)控系統(tǒng)故障、絕緣監(jiān)察裝置故障、蓄電池故障、交流電源消失等5個(gè)方面[7-8]。

a. 充電模塊故障。充電模塊故障后，直流監(jiān)控裝置會(huì)發(fā)出“模塊故障”的告警，監(jiān)控后臺(tái)“充電模塊故障”、“直流系統(tǒng)故障”光字牌亮。故障模塊“故障”指示燈亮，“輸入”或“輸出”指示燈滅。充電模塊故障主要包括：充電模塊通訊中斷、充電模塊保護(hù)動(dòng)作、充電模塊不均流(連接到同一母線上的模塊不均分負(fù)載)和充電模塊設(shè)備故障等幾種類型。

b. 監(jiān)控系統(tǒng)故障。作為整個(gè)直流系統(tǒng)的控制、管理核心，當(dāng)直流監(jiān)控裝置發(fā)生故障時(shí)，一方面，系統(tǒng)中各功能單元的各種運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)將無(wú)法及時(shí)控制處理，進(jìn)而影響站內(nèi)一、二次設(shè)備的安全運(yùn)行；另一方面異常數(shù)據(jù)無(wú)法上傳到變電站監(jiān)控主機(jī)，影響對(duì)設(shè)備的監(jiān)控運(yùn)行。直流監(jiān)控裝置故障一般表現(xiàn)為：裝置面板上的“運(yùn)行”指示燈不亮或變?yōu)榧t色，液晶顯示器無(wú)法正常顯示，或顯示“系統(tǒng)自檢中”，面板選擇按鍵失靈，系統(tǒng)會(huì)向變電站監(jiān)控后臺(tái)發(fā)送告警信號(hào)，監(jiān)控后臺(tái)“直流系統(tǒng)故障”、“直流系統(tǒng)異?！惫庾峙屏?。

c. 絕緣監(jiān)察裝置故障。絕緣監(jiān)察裝置故障時(shí)與直流監(jiān)控裝置故障的現(xiàn)象大同小異，裝置面板“告警”指示紅燈亮，液晶顯示失靈，后臺(tái)顯示“直流系統(tǒng)故障”、“直流系統(tǒng)異?！钡裙庾峙?。

d. 蓄電池故障。當(dāng)蓄電池存在故障時(shí)，最直接的表現(xiàn)就是電池電壓降低，主要通過(guò)蓄電池巡檢儀發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際運(yùn)行中蓄電池故障主要體現(xiàn)為：電池極板的腐蝕、蓄電池內(nèi)水損失、負(fù)極板硫化、蓄電池?zé)崾Э亍⑿铍姵剡^(guò)充電和單體浮充電壓不平衡等幾種類型。

e. 交流電源消失。正常情況下，直流母線為充電裝置逆變電源供電，蓄電池為浮充狀態(tài)，當(dāng)站用變?nèi)r(shí)，直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)為蓄電池供電模式。直流系統(tǒng)交流電源消失時(shí)有兩點(diǎn)需要特別注意，一是蓄電池容量有限，交流消失后直流系統(tǒng)能夠持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間不長(zhǎng)，因此必須盡快恢復(fù)交流供電；二是必須立即切斷直流系統(tǒng)不重要負(fù)荷，只保留必須運(yùn)行的負(fù)荷，盡可能延長(zhǎng)電池供電時(shí)間。

3.2直流系統(tǒng)二次回路故障

直流系統(tǒng)二次回路故障主要包括兩種：一是交直流信號(hào)干擾；二是直流系統(tǒng)接地故障。

a. 交直流信號(hào)干擾。變電站一次二次設(shè)備眾多，許多設(shè)備同時(shí)需要交、直流供電，導(dǎo)致直流供電網(wǎng)絡(luò)與交流網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)及各類電氣設(shè)備交叉在一起，同時(shí)受到各類交直流信號(hào)的干擾，這類干擾分為直流系統(tǒng)電容電流干擾、交流串?dāng)_、直流串?dāng)_三方面。

b. 直流系統(tǒng)接地故障。直流系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)一次二次設(shè)備的保護(hù)、控制、信號(hào)等電源經(jīng)過(guò)復(fù)雜的二次回路連接至直流母線，因而發(fā)生直流接地的可能性較大。直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地后，通常接地極母線電壓降低，非接地極母線電壓升高，母線間電壓差不變。由于無(wú)短路電流(無(wú)法構(gòu)成回路)，直流系統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備(空開(kāi)或熔斷器)一般不會(huì)動(dòng)作。如果之后又發(fā)生了另外一點(diǎn)接地，則可能導(dǎo)致保護(hù)的誤動(dòng)或據(jù)動(dòng)。220 V直流系統(tǒng)兩極對(duì)地電壓絕對(duì)值差超過(guò)40 V或絕緣降低到25 kΩ以下時(shí)，可判定直流系統(tǒng)接地。

3.3河北省南部電網(wǎng)500 kV變電站直流系統(tǒng)缺陷統(tǒng)計(jì)分析

2013年1月1日至2015年9月20日，河北省南部電網(wǎng)500 kV變電站直流系統(tǒng)缺陷共計(jì)250項(xiàng)。其中，危急缺陷6項(xiàng)，嚴(yán)重缺陷114項(xiàng)，一般缺陷130項(xiàng)。缺陷設(shè)備類型包括絕緣監(jiān)察設(shè)備、蓄電池(組)、直流充電設(shè)備和其他裝置等。缺陷設(shè)備類型所占比例如圖3所示。

圖3　直流系統(tǒng)缺陷設(shè)備類型

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，由直流系統(tǒng)接地或裝置絕緣降低導(dǎo)致的缺陷共計(jì)101項(xiàng)。其中，危急缺陷4項(xiàng)，占全部危急缺陷66.67%；嚴(yán)重缺陷83項(xiàng)，占全部嚴(yán)重缺陷72.81%；一般缺陷14項(xiàng)，占全部一般缺陷10.77%。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，直流系統(tǒng)接地缺陷較為常見(jiàn)且嚴(yán)重。因此，了解直流系統(tǒng)接地故障的產(chǎn)生原因及檢測(cè)方法尤為重要。

4直流系統(tǒng)接地處置對(duì)策及案例分析

4.1直流接地的處置對(duì)策

由以上分析可見(jiàn)，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，必須及時(shí)消除缺陷，避免發(fā)生事故。

在國(guó)家電網(wǎng)“三集五大”與“調(diào)控一體化”的大背景下，變電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，由調(diào)控中心監(jiān)控員對(duì)變電站進(jìn)行集中監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)控員發(fā)現(xiàn)直流接地信號(hào)時(shí)，必須引起足夠重視，并及時(shí)通知變電站運(yùn)維人員赴站進(jìn)行接地查找、消除工作。具體查找方法如下。

圖4所示為直流饋線柜，其每一條饋線輸出到圖5所示的直流分電柜，再由直流分電柜分成眾多支路供給站內(nèi)的直流負(fù)荷。圖中圓形黑色元件為電流互感器，每一個(gè)電流互感器由一條進(jìn)線與一條出線穿過(guò)，系統(tǒng)無(wú)接地故障時(shí)，進(jìn)線與出線電流相等，電流互感器感應(yīng)不到電流，但當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生接地故障時(shí)，相應(yīng)的電流互感器即可感應(yīng)到不平衡電流，并上傳至“絕緣監(jiān)測(cè)儀”，確定故障支路數(shù)、接地極性。

實(shí)際運(yùn)行中，分電柜每條出線可能帶多路直流回路，當(dāng)系統(tǒng)某處發(fā)生接地故障時(shí)，只能定位接地的大致范圍，為此需要進(jìn)行“拉路”查找接地點(diǎn)?！袄贰辈檎医拥攸c(diǎn)時(shí)的注意事項(xiàng)：

圖4　直流饋線柜

圖5　直流分電柜

a. 拉路時(shí)應(yīng)注意直流電源的拉合順序，即“遙信-控制-保護(hù)”電源。拉開(kāi)的支路無(wú)論是否存在接地都應(yīng)將拉開(kāi)的的支路立即合上，拉開(kāi)和合上開(kāi)關(guān)時(shí)間不得大于3 s。

b. 拉合控制電源時(shí)，應(yīng)先征得調(diào)度同意，由運(yùn)維人員按各支路斷開(kāi)控制電源Ⅰ或Ⅱ，不允許同時(shí)拉開(kāi)控制電源Ⅰ、Ⅱ，也不允許同時(shí)拉開(kāi)多個(gè)設(shè)備的控制電源。

c. 拉合保護(hù)電源時(shí)，應(yīng)先征得調(diào)度同意，運(yùn)維人員退出保護(hù)出口壓板后，才允許拉合保護(hù)電源開(kāi)關(guān)。帶有縱聯(lián)保護(hù)時(shí)，必須按調(diào)度令，兩端停運(yùn)縱聯(lián)保護(hù)。完成一保護(hù)支路查找后可以再進(jìn)行下一保護(hù)支路操作。查找保護(hù)支路后，必須測(cè)量保護(hù)出口壓板電位正常后，方可投入保護(hù)出口壓板。

4.2案例分析

電力系統(tǒng)常見(jiàn)的直流接地為一點(diǎn)接地，雖然一點(diǎn)接地對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行暫時(shí)無(wú)影響，但有極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，如果此時(shí)再有另外接地點(diǎn)，兩接地點(diǎn)可能把某段回路或某個(gè)開(kāi)關(guān)短接，造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，控制回路失靈等?，F(xiàn)結(jié)合某開(kāi)關(guān)控制回路故障點(diǎn)分析(如圖6所示)對(duì)發(fā)生接地故障后斷路器及熔斷器的反應(yīng)情況來(lái)幫助運(yùn)行人員進(jìn)行故障判斷。

圖6　某開(kāi)關(guān)控制回路故障點(diǎn)分析

a. 兩點(diǎn)接地可造成直流熔絲熔斷。當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在A、D兩點(diǎn)或者A、E兩點(diǎn)，將直接短接直流正負(fù)母線，引起熔斷器熔斷。熔斷器熔斷后，該開(kāi)關(guān)控制回路失去電源，開(kāi)關(guān)成為死開(kāi)關(guān)，如線路出現(xiàn)故障，開(kāi)關(guān)失靈拒跳，將擴(kuò)大事故范圍。

b. 兩點(diǎn)接地可造成斷路器拒動(dòng)。當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在B、E或E、F兩點(diǎn)時(shí)，斷路器跳閘線圈(TQ)回路被短接，此時(shí)若一次系統(tǒng)發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作，不能使跳閘線圈勵(lì)磁，將造成斷路器拒動(dòng)。

c. 兩點(diǎn)接地可造成斷路器誤動(dòng)。當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在A、B兩點(diǎn)時(shí)，斷路器輔助觸點(diǎn)DL、跳閘保持線圈TBJ以及跳閘信號(hào)TJ觸點(diǎn)將被短接，跳閘線圈TQ得電，開(kāi)關(guān)跳閘。但此時(shí)一次系統(tǒng)并無(wú)故障，所以稱為斷路器誤跳。

綜上所述，在直流一點(diǎn)接地的情況下，若是直流正極接地，發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)很大概率會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)；若是直流負(fù)極接地，發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)很大概率會(huì)造成保護(hù)拒動(dòng)。因此，可以根據(jù)保護(hù)動(dòng)作情況來(lái)判斷故障類型及故障定位。

5結(jié)束語(yǔ)

在電力系統(tǒng)，變電站直流系統(tǒng)與一次運(yùn)行設(shè)備有著同等重要作用，必須引起工作人員足夠重視。該文結(jié)合調(diào)控業(yè)務(wù)需求，對(duì)變電站直流系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析介紹，為電網(wǎng)運(yùn)行人員提供參考，但仍需電網(wǎng)運(yùn)行人員在工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流回路所存在的隱患并及時(shí)消除，才是避免事故發(fā)生的必要手段，才能保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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本文責(zé)任編輯：羅曉曉

Dispostion Research About DC System of Substation GroundFault Based on Reliability and Defect

Liu Qingquan1，Ma Huizhuo1，Zhang Feifei2

(1.State Grid Hebei Electric Power Resesrch Institute,Shijiazhuang 050021,China2. State Grid Hebei Electric Power Corporation,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Substation DC system provides guarantee to the safe operation of primary equipment of power grid. If the DC system maintenance is undeserved, it will directly threat to the safe operation of power grid. Embarking from the power grid dispatch and monitoring work demand, this article discusses the reliability and defect of DC system in substation. The constitution, function and hazards of DC system are analyzed. Power supply mode of DC system are discussed, including the charger-battery connection mode and secondary dc power connection mode; The dangers of dc system faults are analyzed, and DC ground countermeasures are put forward from the view of power grid operation personnel.

Key words:substation;DC system;dispatch

收稿日期：2016-02-18

作者簡(jiǎn)介：劉清泉(1988-)，男，工程師，主要從事電網(wǎng)二次系統(tǒng)及繼電保護(hù)專業(yè)。

中圖分類號(hào)：TM862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9898(2016)03-0023-05