直流系統(tǒng)接地故障查找方法及其優(yōu)缺點分析

中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司 李 巖 唐金勝 蘭州基時智造電源有限公司 黃智遠(yuǎn)

直流系統(tǒng)是繼電保護(hù)、自動裝置、遙控電源、操作回路、信號回路、微機以及五防系統(tǒng)的直流供電電源，包括交流充電裝置、饋電屏、蓄電池組、電池巡檢裝置、監(jiān)控單元和絕緣監(jiān)測等。直流系統(tǒng)的故障主要是饋線屏后所帶的各支路負(fù)荷間的相互影響造成的，即饋線屏后端出現(xiàn)故障是導(dǎo)致保護(hù)拒動和誤動的根源，接地故障是最常見的故障類型。絕緣降低故障主要體現(xiàn)在正極或負(fù)極絕緣降低，若不及時處理有可能發(fā)展成金屬接地。交流竄入直流系統(tǒng)，由于直流回路是正負(fù)極對地絕緣系統(tǒng)，而交流回路是接地系統(tǒng)，若發(fā)生混線勢必會造成直流接地。

在電力二次系統(tǒng)構(gòu)建過程中，直流系統(tǒng)是其結(jié)構(gòu)重要的構(gòu)成因素，對繼保、運行及通訊設(shè)施等安全性能和穩(wěn)定性方面具有關(guān)鍵的影響作用，因此其發(fā)展情況受到了國內(nèi)外相關(guān)人員的廣泛重視[1]。電網(wǎng)在現(xiàn)實運行階段，直流系統(tǒng)對保護(hù)設(shè)施的誤動和拒動具有一定的影響效果，對電網(wǎng)安全運行起到了決定性作用。

1 接地故障發(fā)生原因及危害

1.1 產(chǎn)生的原因

在發(fā)生接地故障中，發(fā)生較為頻發(fā)的故障主要是端子排具有污濁、不具備良好的干燥性以及絕緣發(fā)生損壞，電纜的彎曲處或通過金屬位置過程中接地故障極易發(fā)生，倘若備用的電纜芯并沒有給予絕緣處理同樣會導(dǎo)致接地情況發(fā)生。本文其進(jìn)行了總結(jié)列舉了四個層面：線路由于長時間的運行而發(fā)生絕緣老化，此種情況會導(dǎo)致漏電接地現(xiàn)象[2]；由于周邊環(huán)境不具備良好的干燥性，端子排上灰塵等異物而導(dǎo)致接地現(xiàn)象發(fā)生；由于不同因素的干擾線路自身質(zhì)量問題而發(fā)生損壞導(dǎo)致接地現(xiàn)象；由于工作人員工作中的失誤導(dǎo)致接線出現(xiàn)錯誤從而導(dǎo)致接地現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 直流接地的危害性

在鐵路用電系統(tǒng)總控制室中，控制室內(nèi)外都配置有微機控制保護(hù)設(shè)施，而此些設(shè)施的正常運行都需要直流電源給予提供穩(wěn)定的電量，倘若直流接地故障較輕對設(shè)施的運行不會產(chǎn)生過大的干擾，對于二次回路而言同樣不會導(dǎo)致相關(guān)事故的發(fā)生[3]?？墒前l(fā)生兩點接地情況便會對二次回路產(chǎn)生較大的影響，若發(fā)生正極兩點接地情況會極易導(dǎo)致開關(guān)按鈕和接觸器出現(xiàn)短路現(xiàn)象，進(jìn)而促使開關(guān)出現(xiàn)跳閘。若正負(fù)極兩點發(fā)生接地極易導(dǎo)致跳閘線圈發(fā)生短接現(xiàn)象，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題過程中，跳閘線圈會發(fā)生停止運動，促使開關(guān)不能實現(xiàn)跳閘進(jìn)而使故障不斷的擴張。倘若使正負(fù)極發(fā)生接地故障時，會導(dǎo)致保險被熔斷而直流設(shè)施發(fā)生斷電。因此一旦直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地預(yù)警情，為確保設(shè)施正常運行以及防止重大事故的產(chǎn)生，應(yīng)對根據(jù)預(yù)警對故障進(jìn)行及時的排查和處理。

倘若直流正極發(fā)生接地現(xiàn)象，保護(hù)設(shè)備和自動設(shè)備則極易發(fā)生誤動[4]。主要是由于負(fù)極和大多數(shù)斷路器的閘線圈及繼電器線圈之間連接，倘若回路中另外一端出現(xiàn)接地現(xiàn)象，對保護(hù)設(shè)施極易發(fā)生誤觸。若直流負(fù)極發(fā)生接地現(xiàn)象自動裝備和保護(hù)裝備會停止運轉(zhuǎn)。由于負(fù)極接地發(fā)生后，假如回路中另外一端同樣出現(xiàn)接地情況，兩處的接地點相當(dāng)于將斷路器中的分合閘線圈和繼電器保護(hù)線圈直接短接，促使保護(hù)設(shè)施不能正常運行。若此種情況沒有得到及時控制，會使較大的短路電流將直流電源的保險絲熔斷，最終導(dǎo)致每個設(shè)施的連接點被短路電流燒斷，導(dǎo)致直流系統(tǒng)不能正常運行而出現(xiàn)的癱瘓情況。

2 查找直流系統(tǒng)接地故障的方法及其優(yōu)缺點

2.1 拉回路法

拉回路法是直流接地故障排查過程中常用的措施，其使用步驟為：結(jié)合回路的重點方面，將每個回路的直流電源給予關(guān)閉，將回路電進(jìn)行逐個查找，并確保每次回路失電時間在三秒以內(nèi)。此種方式的實質(zhì)在于對接地預(yù)警有無停止進(jìn)而將接地點范疇予以縮小[5]。此種方式在操作便捷并向自動化方向發(fā)展，直流系統(tǒng)在其發(fā)揮的效用不容小視，此種檢驗方式對其他系統(tǒng)運行會具有影響性。更加重要的是，由于目前需求日益提高，二次系統(tǒng)設(shè)計具有復(fù)雜性，對部分電場而言二次回路具有復(fù)雜、互相干擾、不易辨別等特點，部分還會發(fā)生閉環(huán)回路不同于正常回路，此種情況增加了拉回路排查接地問題的難度。

2.2 信號注入法

屬于直流系統(tǒng)接地故障的選線裝備，工作步驟為：將直流系統(tǒng)中每個支路上配置具有反饋檢查信號的電流互感設(shè)備，將傳輸收集到的反饋信號給予編號處理，其同接地檢查設(shè)備呈現(xiàn)的編號相互對應(yīng)，使各個支路中的互感設(shè)備對電流信號進(jìn)行實施檢測和反饋，并傳輸給直流地選線裝備、進(jìn)而對反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，若信號出現(xiàn)異常現(xiàn)象，接地檢測設(shè)備便可將相應(yīng)的支路予以顯示，進(jìn)而使工作人員對出現(xiàn)故障的支路進(jìn)行快速的確定[6]。以下對兩種信號注入法進(jìn)行講述。

第一種為低頻信號注入法（圖1），其排查直流接地步驟為：當(dāng)直流母線電橋?qū)拥毓收蠙z查到后，低頻信號會由信號發(fā)生傳輸?shù)椒种Щ芈分?，如此對?yīng)的支路自身的反饋信號便可由電路互感器獲取，并對該信號變化特點給予分析，便可將接地故障具體部位進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[7]。當(dāng)電流互感器在檢測過程中每條線路和設(shè)施都會給予細(xì)致的檢查，不會發(fā)生遺漏現(xiàn)象，而工作者對每個支路反饋信號進(jìn)行及時的收集，一旦發(fā)現(xiàn)回路內(nèi)部中的低頻電流信號出現(xiàn)異常波動情況，便可對此處出現(xiàn)接地現(xiàn)象給予初步確定。此種注入法的核心是計算機反饋電流，依賴于直流系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，因此可導(dǎo)入一個觀念即瞬時I-R邊際替換率：

圖1 低頻信號注入法運行圖

對于瞬時邊際替換率，其臨界值體現(xiàn)出一定的特殊性，等同于整定值，當(dāng)電壓有所差異時系統(tǒng)數(shù)值也存在一定差異性，m為該點斜率的絕對值，如直流系統(tǒng)支路并未接地，那么全部支路的瞬時邊際替換率將在m以上；如果某一支路處在接地的范圍內(nèi)，此點的瞬時邊際替換率的值將在m以下，所以此方法對不同系統(tǒng)均具有適用性，能夠?qū)拥刂樊a(chǎn)生明確認(rèn)知[8]。

變頻信號注入法。此種方法同低頻信號注入法使用原理相似，各支路上的發(fā)射幅穩(wěn)定而頻率時變的信號，對互感器收集的電流幅值給予計算，便可獲取到各條分支回路中的阻性電流。其同低頻信號注入法的區(qū)別在于變頻信號輸入法應(yīng)用頻率替換變化中的低頻信號為檢查信號。通過此可看出，信號注入法可將拉回路法中存在的不足予以彌補，對故障發(fā)生電進(jìn)行檢測過程中不需對每個回路進(jìn)行逐個排查，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性，在將電流互感器當(dāng)做檢測設(shè)備的基礎(chǔ)上完成了線上的實時監(jiān)測，當(dāng)故障發(fā)生時檢測設(shè)備便可迅速的將故障支路給予針對性的提示，從而使排查故障和處理故障的時間得到有效的降低。

但是信號注入法同時也存在一些不足，因此電力系統(tǒng)通常會保持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，而此種方式會貿(mào)然的向各個工作支路發(fā)送檢測信號，此種方式會對沒有發(fā)生故障運行正常的支路造成一定的影響，尤其是對工作精度要求較高的電路和設(shè)施的影響會更大[9]。信號注入法對故障查找較為迅速，但僅能具體到某條支路，對出現(xiàn)接地故障的準(zhǔn)確位置還需對此支路給予細(xì)致的排查和檢測。若電容配置具有密集性的電路，注入信號以后獲得到的反饋信號通常會摻雜較多的干擾信號（圖2），此種情況的存在會導(dǎo)致檢測發(fā)生錯誤。

圖2 互感器反饋的原始信號

信號注入法的優(yōu)勢填補了平衡電橋在線檢測的基礎(chǔ)上細(xì)化到各條支路上，對各條支路的詳細(xì)狀態(tài)予以掌控。但此種方法由于不具備精準(zhǔn)的準(zhǔn)確性能、抗干擾能力不高及電路狀況復(fù)雜等情況，其使用具備一定的制約性。

2.3 便攜式直流接地查找裝置定位法

當(dāng)直流系統(tǒng)接地故障出現(xiàn)后，通常使用便捷式直流接地故障查找設(shè)備對地接位置進(jìn)行排查。此中方式工作原理同信號注入法相近，最大的區(qū)別在于其方便攜帶，使現(xiàn)場排查具有便利性。此種設(shè)備在對故障位置進(jìn)行排查過程中，不需將回路電源進(jìn)行關(guān)閉，同信號注入法對比可把故障范疇極大程度給予縮小，并將故障發(fā)生位置給予準(zhǔn)確確定，給工作人員故障排查提供了極大幫助。在電路較為復(fù)雜或設(shè)施數(shù)量過多情況下，此裝置的便捷性和故障查找的快速性尤為突出[10]。

可是在具體故障中，當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地現(xiàn)象時，有可能會通過過渡電阻的情況發(fā)生，因為電阻中限流的影響，導(dǎo)致發(fā)生故障的支路低頻信號電流發(fā)生降低，此種情況給故障支路查找增加了難度。在多少情況下出現(xiàn)的接地故障通常是由于發(fā)生絕緣異常、但是過渡電阻均通過了該些接地，在該種情況下便攜式直流系統(tǒng)接地故障查找裝置的局限性被凸顯出來。

3 故障查找中的注意事項

在接地故障排查階段，應(yīng)確保設(shè)施和工作人員的安全性，因此在接地故障排查過程中應(yīng)注意以下幾點[11]。

若直流系統(tǒng)出現(xiàn)單點接地故障的情況下，不可在二次回路上進(jìn)行工作；倘若需用拉回路法，將直流電源進(jìn)行停止時，首先要獲得調(diào)度工作人員允許，并確保斷電時間不能超過三秒鐘，操作要具有快速性，防止失去保護(hù)電源；為進(jìn)一步降低誤判的發(fā)生幾率，在對地接故障進(jìn)行判斷時，應(yīng)結(jié)合信號、光字牌等多個層面給予整體的分析和判斷，確保判斷的準(zhǔn)確性；在進(jìn)行故障查找過程中應(yīng)避開電負(fù)荷峰值期；在對故障進(jìn)行排查過程中應(yīng)避免短路和另一端接地的發(fā)生，防止跳閘情況；在進(jìn)行接地故障查找時，應(yīng)根據(jù)設(shè)施的接線圖紙進(jìn)行正確的操作，盡量降低端子誤拆和恢復(fù)線路錯接的情況發(fā)生，在拆線過程中應(yīng)將線路進(jìn)行標(biāo)記。

在故障排查過程中，使用的儀器表的內(nèi)阻在2000Ω/V以上；排除故障過程中，需要確保兩人以上在場，不但能夠進(jìn)行安全監(jiān)管，同時可防止觸電事故發(fā)生，保障安全[12]；為有效規(guī)避出現(xiàn)保護(hù)誤操作，除必要情況外，只有排除可能出現(xiàn)誤操作保護(hù)后方可對順斷操作電源實施操作，操作電源恢復(fù)正常情況時可重新投入保護(hù)；嚴(yán)禁在主流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障之后通過燈泡照明的方式尋找接地點，以避免造成直流回路出現(xiàn)短路情況。