變電站直流系統(tǒng)的故障分析及策略探討

祁晗

國(guó)網(wǎng)遼寧電力有限公司檢修分公司 遼寧 遼陽(yáng) 111000

引言

現(xiàn)階段，在變電站中因直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不科學(xué)、設(shè)備選型存在誤差，從而引發(fā)經(jīng)常性的電力系統(tǒng)設(shè)施損壞、系統(tǒng)故障頻發(fā)、更甚者導(dǎo)致人員的傷亡等重大安全事故。假使變電站直流系統(tǒng)遇到突發(fā)故障時(shí)，相關(guān)的運(yùn)行、檢修人員未能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不能排除故障，甚至擴(kuò)大了事故發(fā)生的范圍，如此一來(lái)，就會(huì)給電力系統(tǒng)和國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成巨大的、不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。故而當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)有效、科學(xué)合理地發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并將其排除，是當(dāng)下電力系統(tǒng)應(yīng)該最先考慮并解決的問(wèn)題。

1 直流系統(tǒng)主要的故障種類及危害

1.1 變電站直流系統(tǒng)接地的概念

通常情況下，在變電站內(nèi)，直流系統(tǒng)大多采取浮充電的方式。屆時(shí)，直流電源的正、負(fù)母線分別對(duì)地絕緣，如何判定該直流系統(tǒng)是否存在接地故障時(shí)，應(yīng)看其任一支路或母線的絕緣電阻是否能夠降低到某一整定值。如果答案肯定，則存在接地故障，反之，則不存在接地故障。一般情況下，直流系統(tǒng)內(nèi)只發(fā)生一點(diǎn)接地故障并不會(huì)對(duì)正常運(yùn)行帶來(lái)絲毫影響。但當(dāng)該系統(tǒng)故障點(diǎn)變?yōu)閮牲c(diǎn)甚至是多點(diǎn)接地時(shí)，則會(huì)使變電站設(shè)備保護(hù)產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，產(chǎn)生假象的異常情況，開關(guān)也會(huì)繼續(xù)誤判，自動(dòng)誤跳閘或拒跳閘，從而造成運(yùn)行過(guò)程中不可預(yù)知的嚴(yán)重后果。

1.2 變電站直流系統(tǒng)接地的危害

接地點(diǎn)對(duì)變電站直流系統(tǒng)造成危害的情況是指兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上，如果只有一點(diǎn)接地，那么對(duì)變電站直流系統(tǒng)不會(huì)造成直接的影響，但也應(yīng)引起重視，及時(shí)找出故障點(diǎn)并消除故障[1]。如果掉以輕心，抱有僥幸心理，一旦變電站直流系統(tǒng)中新增一點(diǎn)接地，兩點(diǎn)接地聯(lián)合，那時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成危害程度則是十分嚴(yán)重的。在變電站直流系統(tǒng)中發(fā)生斷路器的誤動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，可以斷定系統(tǒng)是在用正極接地，因?yàn)橥ǔＧ闆r下跳閘線圈都是接在負(fù)極電源上。這里面所指的跳閘線圈包括出口中間的繼電器線圈、跳合閘線圈等。變電站直流系統(tǒng)回路中，存在系統(tǒng)接地異?；蚪^緣不良時(shí)，跳閘線圈就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，自主接在正、負(fù)兩極之間，此時(shí)如有電流通過(guò)繼電器的話，就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的自動(dòng)保護(hù)現(xiàn)象。反過(guò)來(lái)，當(dāng)變電站直流系統(tǒng)出現(xiàn)跳閘線圈短路的現(xiàn)象，同樣可以判定系統(tǒng)是在用負(fù)極接地，這時(shí)，會(huì)使斷路器產(chǎn)生拒動(dòng)現(xiàn)象。綜上所述，針對(duì)變電站直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地的情況，基于問(wèn)題所造成的危害，便需要在系統(tǒng)中設(shè)置對(duì)地絕緣檢測(cè)裝置，如此一來(lái)，當(dāng)變電站直流系統(tǒng)一旦出現(xiàn)一點(diǎn)接地或?qū)Φ亟^緣嚴(yán)重降低的情況，對(duì)地絕緣檢測(cè)裝置便會(huì)立刻發(fā)出警示信號(hào)。與此同時(shí)，相關(guān)運(yùn)行人員應(yīng)把接地點(diǎn)盡快找出來(lái)，進(jìn)行立即消除或隔離處理。

1.3 變電站直流環(huán)網(wǎng)的危害

變電站直流環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行異常，也是引起系統(tǒng)故障的因素之一。那么，何為變電站直流環(huán)網(wǎng)，大意是因?yàn)槟撤N或某些原因，兩套完全獨(dú)立的直流系統(tǒng)意外出現(xiàn)了電氣連接的現(xiàn)象，造成變電站直流系統(tǒng)發(fā)生了異常的運(yùn)行情況。因此，必須杜絕此現(xiàn)象的發(fā)生，并加以重視。

1.4 交流竄入直流的危害

一般情況下，變電站的直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)是兩個(gè)相互獨(dú)立的且互不干擾的系統(tǒng)。直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的區(qū)別就在于是否接地，直流系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，反之交流系統(tǒng)則為接地系統(tǒng)。所謂交流竄直流的概念就是說(shuō)兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了異常連接，即電氣連接。致使交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)誤連在一起，交流系統(tǒng)竄入直流系統(tǒng)，使本不該接地的直流系統(tǒng)產(chǎn)生了接地現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，便會(huì)造成系統(tǒng)的開關(guān)直接跳閘。舉個(gè)例子，若直流系統(tǒng)從負(fù)電源側(cè)竄入交流系統(tǒng)，因交流分量為零，當(dāng)其通過(guò)直流路徑進(jìn)入絕緣監(jiān)測(cè)裝置時(shí)，絕緣監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果為“正、負(fù)兩極同時(shí)接地”的狀態(tài)。另一方面，交流電流可以自主通過(guò)電纜對(duì)地電容形成回路，造成斷路器直接跳閘的現(xiàn)象，即“無(wú)故障跳閘”。若直流系統(tǒng)從正電源側(cè)竄入交流，電纜對(duì)地電容和充電裝置濾波電容二者的相疊加，絕緣監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果同樣會(huì)出現(xiàn)“正、負(fù)兩極同時(shí)接地”的狀態(tài)。相比之下，對(duì)于直流系統(tǒng)而言，負(fù)極電源竄入的容抗值要更大一些，故交流從負(fù)電源側(cè)竄入比從正電源側(cè)竄入造成“無(wú)故障跳閘”的風(fēng)險(xiǎn)要更高一些。

2 造成故障的原因

眾所周知，變電站直流系統(tǒng)本身有涉及面廣泛的特點(diǎn)，遇上復(fù)雜的系統(tǒng)便會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，不能確保時(shí)時(shí)、處處都是正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。然而，無(wú)論先進(jìn)與否，任何系統(tǒng)的運(yùn)行都會(huì)出現(xiàn)或多或少的故障問(wèn)題，理想中的完美運(yùn)行狀態(tài)是不符合實(shí)際情況的。所以說(shuō)，變電站直流系統(tǒng)難免也會(huì)產(chǎn)生不同原因、不同程度的直流接地故障。而對(duì)變電站故障產(chǎn)生影響的因素大致可以分為環(huán)境因素和人為因素，這兩種因素會(huì)直接致使系統(tǒng)的防御能力降低。而且往往會(huì)因?yàn)橐恍┖苄〉募?xì)節(jié)帶來(lái)不可逆的影響。

2.1 設(shè)備因素

設(shè)備本身必須有質(zhì)量保證，技術(shù)水平過(guò)硬。如因出廠時(shí)檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，技術(shù)上有缺陷或者因長(zhǎng)期使用造成損耗未及時(shí)更換，如變電站二次設(shè)備破損、絕緣老化等情況。再舉個(gè)例子，設(shè)備在采購(gòu)時(shí)期未按照新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，依照舊標(biāo)準(zhǔn)采購(gòu)的設(shè)備在長(zhǎng)期使用中會(huì)產(chǎn)生如絕緣性能下降的情況，這里只舉其一個(gè)故障隱患說(shuō)明，任何情況也都可能發(fā)生。

2.2 外界因素

變電站的運(yùn)行環(huán)境不可控，難免會(huì)遇到在各種環(huán)境下運(yùn)行的情況?；谖覈?guó)各地具體環(huán)境的不同，對(duì)于設(shè)備自身使用上也是一種考驗(yàn)。而往往在設(shè)備設(shè)計(jì)之初，有些看似微小的問(wèn)題未給出充分考慮，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，便會(huì)出現(xiàn)故障問(wèn)題。如特定情況下，在電力設(shè)備中會(huì)進(jìn)入部分導(dǎo)電物質(zhì)，這樣就會(huì)導(dǎo)致接地故障的發(fā)生。

2.3 人為操作因素

在變電站運(yùn)行過(guò)程中，一旦操作人員沒有嚴(yán)格按照規(guī)章制度操作，長(zhǎng)此以往，錯(cuò)誤的操作習(xí)慣便會(huì)帶來(lái)隱患，從而造成故障的發(fā)生。例如，在電廠設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，在沒有任何防護(hù)措施的前提下，備用芯隨意裸露的放置在鐵桿上，這都將成為接地故障的隱患。持續(xù)下去就會(huì)將小隱患變成大故障。

3 變電站直流系統(tǒng)故障的處理方法及策略

3.1 如何避免直流環(huán)網(wǎng)及處理方法

通常情況下，變電站直流電壓系統(tǒng)的兩組蓄電池都是相互獨(dú)立的。直流環(huán)網(wǎng)的特征如下：

①絕緣監(jiān)察裝置（兩套）發(fā)出的均為直流接地信號(hào)。②兩組直流系統(tǒng)分別為正極絕緣能力降低和負(fù)極絕緣能力降低，二者的對(duì)地電壓絕對(duì)值相接近，通常均不為零。③當(dāng)找到接地支路，隨意拉開任一組直流開關(guān)后，二者的直流系統(tǒng)接地現(xiàn)象會(huì)同步消失。

3.2 如何避免交流竄入直流

根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)網(wǎng)公司總結(jié)出十八項(xiàng)反事故措施，減少交流竄入直流最有效的方法便是嚴(yán)格遵守其事故措施中的設(shè)計(jì)要求及規(guī)定。

變電站直流系統(tǒng)的饋出網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格禁止采用環(huán)狀的供電方式，而應(yīng)采用輻射狀的供電方式。對(duì)于直流系統(tǒng)而言，其電纜應(yīng)采用阻燃電纜，兩組蓄電池的電纜盡量避免與交流電纜并排鋪設(shè)，應(yīng)各自獨(dú)立的鋪設(shè)在通道內(nèi)。與此同時(shí)，兩組蓄電池電纜應(yīng)加穿金屬套管，防止在穿越電纜豎井時(shí)發(fā)生斷裂的問(wèn)題。并且控制電纜在交、直流回路中不允許共同使用一根電纜。現(xiàn)場(chǎng)交、直流的端子箱不能混裝，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的交、直流接線需在同一段路徑或串端子排上。

如有新建或改造的變電所，必須裝有直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，并且具備交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警等功能。如此，才能及時(shí)監(jiān)測(cè)到交流竄入直流的情況，并第一時(shí)間進(jìn)行處理。

3.3 直流系統(tǒng)故障的策略

當(dāng)變電站直流系統(tǒng)被絕緣監(jiān)測(cè)裝置給出告警信號(hào)時(shí)，應(yīng)及時(shí)到繼保室查明情況，對(duì)直流系統(tǒng)的+KM（正控母）、-KM（負(fù)控母）、對(duì)地電阻、電壓重點(diǎn)關(guān)注[2]。并以此判定故障類別，如直流接地類故障、蓄電池過(guò)壓、欠壓類故障又或是充電機(jī)故障等。如果絕緣監(jiān)測(cè)裝置面板出現(xiàn)了電壓、電阻降低等信息，即可知是直流系統(tǒng)出現(xiàn)了接地故障。此判斷僅做初判，因?yàn)殡妷?、電阻降低還有可能是其他問(wèn)題導(dǎo)致的，如傳感器故障、保險(xiǎn)熔斷、節(jié)點(diǎn)松動(dòng)抑或是絕緣監(jiān)測(cè)儀故障等。所以，當(dāng)裝置面板上出現(xiàn)母線對(duì)地電阻、電壓降低等情況時(shí)，還需要進(jìn)行更深入的判斷。通常選用的方法是利用萬(wàn)用表直接測(cè)量變電站直流系統(tǒng)主接線母線與另外一、兩條饋線支路的電壓。如果測(cè)得的結(jié)果仍然是電壓降低，則可準(zhǔn)確判定該站存在絕緣接地故障。反之，就可能是信號(hào)節(jié)點(diǎn)或絕緣監(jiān)測(cè)裝置的問(wèn)題。

一旦對(duì)變電站的故障問(wèn)題得出判定后，如變電站確實(shí)存在直流系統(tǒng)接地故障，應(yīng)立刻找出接地故障點(diǎn)，力求用最短的時(shí)間將故障盡快排除。就目前的情況來(lái)看，變電站相關(guān)工作人員應(yīng)采取以下策略[3]：第一，利用絕緣監(jiān)測(cè)裝置的“支路查找”功能測(cè)查饋線支路的故障點(diǎn)。在得出故障支路的號(hào)碼后，找出支路號(hào)碼所對(duì)應(yīng)的下級(jí)設(shè)備，進(jìn)行深入查找；第二，如遇見饋線支路故障的下級(jí)負(fù)荷較少的情況時(shí)，則可用萬(wàn)用表法，將其有序的斷開一些可能性的節(jié)點(diǎn)（戶外設(shè)備的機(jī)構(gòu)箱、直流電纜），進(jìn)而確定故障點(diǎn)；第三，如上述第一點(diǎn)無(wú)法分析出支路故障，則需相關(guān)人員立即到變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行查找。天氣條件如果允許的情況下，變電站相關(guān)人員應(yīng)到戶外檢查刀閘機(jī)構(gòu)箱等進(jìn)水的設(shè)備，核實(shí)故障點(diǎn)；第四，繼保人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先應(yīng)對(duì)變電站直流系統(tǒng)的圖紙進(jìn)行核對(duì)，了解系統(tǒng)的整體情況。這其中的關(guān)鍵點(diǎn)在于直流負(fù)荷是否參與環(huán)網(wǎng)供電，或者有無(wú)寄生回路等問(wèn)題；第五，上述操作確定故障點(diǎn)后，接下來(lái)的工作就是對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行消缺。舉個(gè)例子，如機(jī)構(gòu)進(jìn)水，則對(duì)其進(jìn)行排水并加熱風(fēng)干，更換該機(jī)構(gòu)箱的防水膠圈；如果是直流電纜破損，則需更換電纜。第六，當(dāng)故障點(diǎn)清除后，需重新查看絕緣監(jiān)測(cè)裝置的母線對(duì)地電壓、電阻是否已經(jīng)控制在合格的范圍內(nèi)。如果恢復(fù)正常值，說(shuō)明故障已消除。如果仍未恢復(fù)，則說(shuō)明還存在其他故障點(diǎn)，進(jìn)而需要重復(fù)上述環(huán)節(jié)，直到變電站直流系統(tǒng)母線電壓恢復(fù)到合格范圍內(nèi)為止。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然科技不斷發(fā)展，變電站設(shè)備的更新?lián)Q代、絕緣監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)化升級(jí)，直流系統(tǒng)故障仍然頻頻發(fā)生，眾所周知，變電站直流系統(tǒng)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著極大的危害。這就需要運(yùn)維人員具備足夠的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)硬的專業(yè)技術(shù)水平和及時(shí)排除故障的能力，遇事不亂，有條不紊，熟練掌握變電站直流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，同時(shí)企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)維人員對(duì)系統(tǒng)故障的分析與應(yīng)對(duì)水平,如此一來(lái)，才能更有效地提高變電站直流系統(tǒng)的安全性和可靠性，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。