變電站直流系統(tǒng)復(fù)合故障處理及防范對策研究

楊 昊，羅皓文，廖 玄，張志浩，劉 炬

(國網(wǎng)荊門供電公司，湖北 荊門 448000)

直流系統(tǒng)作為電力二次系統(tǒng)的重要組成部分，為繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、不間斷電源、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置、控制及信號回路提供可靠的工作電源[1]。變電站直流系統(tǒng)設(shè)備多、回路復(fù)雜，常因回路設(shè)計(jì)不完善、誤接線以及運(yùn)行環(huán)境惡劣引起電纜及接頭老化等問題，導(dǎo)致直流接地、交流串入直流、不同直流系統(tǒng)間形成寄生回路等故障[2-3]。以上任何單一故障都可能造成直流電源短路、熔斷器或電源空氣開關(guān)(以下稱空開)斷開，引起電力設(shè)備失去直流電源，致使信號裝置、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的不正確動(dòng)作，最終對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅[4-5]。由以上單一故障疊加而成的直流系統(tǒng)復(fù)合故障因其故障特征不明顯、故障查找困難，給日常故障處理帶來了極大的挑戰(zhàn)，是變電站內(nèi)直流系統(tǒng)故障研究的熱點(diǎn)問題。

本文以一起某220 kV變電站直流母線存在合環(huán)、串電、蓄電池漏液的復(fù)合直流故障案例為出發(fā)點(diǎn)，在分析直流系統(tǒng)故障起因的同時(shí)給出現(xiàn)場故障處理方案，并針對性地提出相應(yīng)防范措施，對后續(xù)類似故障的處理提供參考。

1 故障概述

2019年7月5日，二次檢修人員在220 kV A變電站繼電保護(hù)專項(xiàng)巡查工作中，發(fā)現(xiàn)A變電站兩段直流母線存在正對地電壓異常、負(fù)對地電壓異常及正對地絕緣降低現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅二次系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。為徹底消除該站直流系統(tǒng)隱患，確保二次系統(tǒng)可靠運(yùn)行，現(xiàn)場人員對該站直流回路進(jìn)行了全面排查。排查最終發(fā)現(xiàn)故障起因4處：①10 kV合閘電源合環(huán)空開、控制電源合環(huán)空開誤投入；②將1號主變壓器控制正電源(正確應(yīng)取自直流Ⅱ段)當(dāng)作公共端接入1號主變壓器低壓側(cè)測控回路(錯(cuò)誤取自直流Ⅰ段)；③1號主變壓器中壓側(cè)、低壓側(cè)、本體測控裝置遙信電源互相串電；④直流Ⅰ段蓄電池組漏液導(dǎo)致絕緣下降。本次處置的直流系統(tǒng)復(fù)合故障十分典型，以下將對上述4處故障發(fā)現(xiàn)及處理過程逐一介紹。

2 故障處理過程

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置可有效監(jiān)測直流母線對地的電壓和電阻，是變電站內(nèi)監(jiān)測直流系統(tǒng)是否存在故障的有效工具。220 kV A變電站現(xiàn)場絕緣監(jiān)測情況如圖1所示，從圖中可以直觀看出直流Ⅰ、Ⅱ段母線正對地電壓和電阻、負(fù)對地電壓和電阻均相等。正常情況下兩段直流母線應(yīng)是分列運(yùn)行且由于所帶直流負(fù)荷不相同，正負(fù)母線對地電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而一旦出現(xiàn)兩段母線絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)相同的情況，極有可能是兩段母線并列運(yùn)行[6-7]。此外，從絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)中還可以看出，正對地電阻為101.9 kΩ，正常情況下此項(xiàng)數(shù)據(jù)應(yīng)為999.9 kΩ，導(dǎo)致此項(xiàng)數(shù)據(jù)下降的原因極有可能是該站直流系統(tǒng)還存有其他直流故障。由此現(xiàn)場人員初步判定該站直流系統(tǒng)故障為一起復(fù)合故障。

圖1 直流Ⅰ、Ⅱ段母線絕緣監(jiān)測情況

2.1 直流合環(huán)處理

現(xiàn)場二次人員利用直流接地查找儀檢測10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地情況如圖2所示?？梢钥闯鼋拥夭檎覂x顯示的波形類似正弦波，正常情況下應(yīng)為直線，由此確定直流Ⅰ段母線上“10 kV控母直流Ⅰ段”、“10 kV合母直流Ⅰ段”和直流Ⅱ段母線上“10 kV控母直流Ⅱ段”、“10 kV合母直流Ⅱ段”支路均存在泄漏電流，懷疑兩段直流母線在10 kV高壓室內(nèi)合環(huán)。

圖2 10 kV直流Ⅰ、Ⅱ段接地查找檢測情況

在對10 kV高壓室開關(guān)柜逐一進(jìn)行檢查后，現(xiàn)場二次檢修人員發(fā)現(xiàn)直流Ⅰ、Ⅱ段母線合環(huán)的主要原因：10 kV Ⅱ段207號分段隔離柜內(nèi)“合閘電源合環(huán)空開”、“控制電源合環(huán)空開”誤投入，如圖3所示。

圖3 分段隔離柜中合環(huán)電源空開誤投入

斷開10 kV Ⅱ段207號分段隔離“控制電源合環(huán)空開”后，直流Ⅰ、Ⅱ段母線電壓并未恢復(fù)正常，反而使正負(fù)對地絕緣進(jìn)一步惡化。二次檢修人員懷疑存在異電源合環(huán)的可能，如某直流負(fù)載一極接直流I段，另外一極接直流II段的情況，如圖4所示。

圖4 直流母線異電源合環(huán)示意圖

經(jīng)排查，檢修人員最終定位合環(huán)點(diǎn)位于1號主變壓器低壓側(cè)測控郢411隔離開關(guān)遙信開入回路上?，F(xiàn)場接線如圖5所示，可以看出現(xiàn)場1號主變壓器控制正電源301(正確應(yīng)取自直流Ⅱ段)當(dāng)作公共端接入1號主變壓器低壓側(cè)測控回路(錯(cuò)誤取自直流Ⅰ段)，導(dǎo)致異電源合環(huán)。此時(shí)直流I、II段母線合環(huán)原理圖如圖6所示。

圖5 1號主變壓器低壓開關(guān)柜端子排合環(huán)點(diǎn)

圖6 1號主變壓器低壓側(cè)遙信開入原理圖

在將1號主變壓器低壓側(cè)遙信開入正電源改為1號主變壓器低壓側(cè)測控正電源7301后，兩段母線正式解列運(yùn)行。

2.2 直流串電處理

在處理好現(xiàn)場兩段直流母線合環(huán)缺陷后，現(xiàn)場檢修人員發(fā)現(xiàn)A變電站直流Ⅱ段絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，如圖7所示，其中正負(fù)母線對地電壓及絕緣均恢復(fù)正常，但直流Ⅰ段絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)仍然異常。

圖7 直流Ⅱ段母線絕緣恢復(fù)

隨后檢修人員利用直流接地查找儀逐一檢測直流Ⅰ段各分支發(fā)現(xiàn)1號主變壓器中、低壓側(cè)及本體測控間存在互相串電現(xiàn)象。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)在1號主變壓器保護(hù)屏(二)出廠配線時(shí)將中、低、本體遙信端子排公共端短接，造成不同支路正電源串電，其串電處如圖8所示。

圖8 1號主變壓器保護(hù)屏(二)正電源串電

2.3 直流絕緣下降缺陷

在成功處置直流合環(huán)及串電缺陷后，現(xiàn)場直流Ⅰ段控母正對地電壓為89.6 V，對地絕緣電阻261.3 kΩ，負(fù)對地電壓為-127.8 V，對地絕緣電阻999.9 kΩ，依然存在正對地絕緣下降的現(xiàn)象。

現(xiàn)場檢修人員利用接地查找儀測試所有直流Ⅰ段支路均無法定位故障點(diǎn)，懷疑絕緣下降有可能發(fā)生在母線所屬附件或蓄電池組上。經(jīng)過系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)直流Ⅰ段蓄電池組存在多個(gè)蓄電池漏液、樁頭腐蝕結(jié)晶現(xiàn)象，部分蓄電池漏出的電解液甚至流至承載蓄電池的架子上并形成結(jié)晶。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，直流Ⅰ段蓄電池組共有10塊蓄電池不符合要求，現(xiàn)場受損蓄電池如圖9所示。

圖9 直流Ⅰ段蓄電池組受損蓄電池示例

在申請將直流Ⅰ段蓄電池組退出運(yùn)行后，直流Ⅰ段正負(fù)對地電壓恢復(fù)正常，電阻均升高至999 kΩ，絕緣下降缺陷消失，如圖10所示。

圖10 直流Ⅰ段母線絕緣恢復(fù)

3 防范措施

直流絕緣降低是直流系統(tǒng)最常見的故障之一，正常情況下，當(dāng)直流絕緣監(jiān)測裝置監(jiān)測正負(fù)對地電阻小于25 kΩ時(shí)，才會(huì)觸發(fā)接地告警。在本起事故中，直流絕緣監(jiān)測裝置僅顯示正對地直流絕緣降低，既沒有提示直流Ⅰ、Ⅱ段電源合環(huán)，也沒有反映不同支路串電。這極易造成檢修人員誤判，認(rèn)為事故發(fā)生原因僅僅只是電纜絕緣整體劣化所致，并未存在實(shí)際接地故障，從而錯(cuò)過消缺時(shí)機(jī)。針對本次復(fù)合故障的快速有效處理總結(jié)防范措施如下。

a.強(qiáng)化直流系統(tǒng)日常巡視力度。要全面系統(tǒng)地梳理直流運(yùn)行參數(shù)，仔細(xì)記錄正負(fù)極對地電壓和電阻，核對直流方式開關(guān)的投退情況，檢查蓄電池外觀及單體電壓是否正常，做到心中有數(shù)，防范于未然。

b.加強(qiáng)二次技改工程閉環(huán)管理。要按照《十八項(xiàng)反措》等規(guī)程要求，加大前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的圖紙審查力度，做好屏柜出廠二次回路驗(yàn)收工作，涉及二次回路變更的工作一定要履行審核手續(xù)，并做好記錄。二次施工完畢后，還應(yīng)檢查直流電源對應(yīng)關(guān)系，嚴(yán)防異電源合環(huán)及直流串電缺陷。

c.嚴(yán)格執(zhí)行直流系統(tǒng)定檢工作。要按照《五通一措》的要求，每3年對直流充電機(jī)、絕緣監(jiān)測裝置、蓄電池組等進(jìn)行全面檢查和維護(hù)，確保各設(shè)備正常運(yùn)行，遙信告警信息正確上送監(jiān)控后臺及調(diào)度，不斷提升直流系統(tǒng)健康水平。

4 結(jié)束語

本文通過某220 kV變電站直流系統(tǒng)多處合環(huán)、串電、蓄電池漏液的復(fù)合直流系統(tǒng)故障案例，從故障現(xiàn)象出發(fā)逐步剖析故障起因并給出現(xiàn)場故障處理方案，對后續(xù)類似直流系統(tǒng)復(fù)合故障的處理具有一定的參考價(jià)值。此外，針對直流系統(tǒng)故障分析結(jié)果及暴露的問題，本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際從日常巡視、工程管理及定檢工作3方面提出相應(yīng)要求，從管理上進(jìn)一步規(guī)范了變電站直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。