直流接地引发的一次“异常”现象分析

     摘 要：变电站直流系统的稳定运行对整个电网的安全运行至关重要，最常见的故障为直流接地，直流系统出现接地故障排除后即可恢复正常运行，一般不会出现反复接地，本文介绍了直流接地异常现象的查找处理过程及分析的理论依据，对异常现象给出了合理解释，并指出必须重视产品选型及设备检修质量管理。

1  引言
    变电站直流系统的稳定运行对继电保护及自动装置的可靠正确动作至关重要。对整个电网的安全运行起决定性作用，直流系统出现异常或故障，应尽快处理。一般情况下，直流接地故障是一个独立的故障现象，取决于直流二次回路对地的绝缘水平。直流接地故障(即使是重复接地)排除后直流系统即可恢复正常运行，很少出现连续接地故障。在一次220KV变电站35KV的3516馈线开关检修过程中发生了一次“直流母线接地故障”反复出现且受控于3516开关分合影响的异常现象。

2  起因及经过
    2002年11月29日该站一条35KV馈线(3516)发生BC相短路，电流保护I段动作切除故障后启动重合闸装置，但重合未成功(原因：重合过程中开关拒合烧坏合闸线圈，未实现重合指令。该开关为户内少油式手车断路器，配CD-10型电磁合闸机构)。14：30分我们组织检修人员对开关机构进行检修调试，对烧坏的合闸线圈进行更换处理， 16：30分事故抢修结束后在对3516开关进行分合试验过程中，直流装置及中央信号打出了“直流母线接地”的信号。直流系统异常现象出现后对直流母线接地故障先进行了处理。用UT-52型数字表直流1000V档对直流母线电压进行实测，结果：U=231V、U+=231V、U-=0V，得出了负极直接接地的结论。本着“先易后难、先次后主”的原则进行接地点查找：首先断开3516的控制、保护、合闸电源，直流接地依旧，排除了3516单元直流回路存在接地的可能，当拉开“10KVⅠⅡ段保护信号电源”时“一套直流母线接地"故障消失，直流母线负极对地电压上升为115V。进一步查找发现10千伏116电容器保护装置内部电源负极绝缘降低(10KV馈线及电容器保护装置型号MDM—B1C，该型号保护装置曾多次出现过故障，运行极不稳定)。用数字表测得该装置电源负对地电阻值247Ω，断开装置的直流电源后，直流系统恢复正常运行，我们认为直流系统接地故障已经排除。
    直流母线接地故障处理结束后，继续进行3516开关的分合试验，“奇怪”现象发生了，再次出现了“直流母线接地"的告警信号。此时怀疑3516控制单元确有问题，重点对3516单元进行全面检查，数次拉合3516单元的控制、保护及合闸电源，均未发现异常情况，U=231.00V、U+=231.00V、U-=0.00V的测量数值未变，证明直流接地点在其他回路，再次排除了3516单元出问题的可能。进一步查找中发现10千伏115电容器保护装置内部电源负极存在接地，断开115保护装置的电源后，"直流母线接地"信号消失，直流系统恢复正常运行(常理认为直流母线接地与3516开关操作无关)，与10千伏单元保护装置直流接地怎么也联系不起来。
    直流母线接地故障再次处理结束后，为了进一步核实“直流母线接地与3516开关分合试验”无关，对3516开关又进行了一次分合操作，"直流母线接地" 现象再次发生。经查找：10KV的133馈线保护装置内部又出现负接地，“不是巧合，有必然的联系”，重新对3516开关直流控制回路进行了更详细的检查，最终得到了准确答案。
　　(1)测试方案
　　 1)为防止10千伏单元保护装置再次损坏，在进行3516开关分合闸操作时短时将10KV保护信号电源断开。
　　 2)在进行3516开关分合闸操作过程中，对直流母线：负对地、正对地的电压进行严格监测，观察其数值变化范围。
　　 (2)测试结果
　　 合闸过程：直流母线电压U=231V降为225V，U+：由116V降到0V又升到116V；U-：由115V上升到225V又降到115V。
    分闸过程：U=231V、U+=116V 、U-=115V数值保持不变。
    (3)结论
　　 1)从以上实测结果看：3516直流回路存在瞬时正极接地故障。
　　 2)接地点的理论确定，从3516开关直流控制回路(图1)得到以下结论：

　　 ①、分闸线圈TQ、合闸接触器HC及控制回路不存在接地点。
　　 ②、保护装置及其操作箱不存在接地点。
　　 ③、合闸线圈HQ及开关机构的二次引线存在正接地。
　　(4)、实际验证
　　在对3516开关机构的直流控制引线及合闸线圈详细检查中发现合闸线圈绝缘已损坏，与金属外壳直接相碰，由于合闸线圈短时带电出现瞬间正接地的现象，用数字表对3516开关合闸线圈进行测试，测的正对地电阻为0Ω，验证了以上推论。

3　重复直流接地现象的解释
3.1　分析
　　根据直流系统绝缘监察装置的工作原理得知，直流系统正常运行时，其正、负极对地绝缘电阻为无穷大均远远大于Rb，如(图2)：

图中： R+：正极对地绝缘等效电阻；由若干无穷大电阻并联之和

　　R-：负极对地绝缘等效电阻；由若干无穷大电阻并联之和，约等于R+
　　Rb：直流绝缘监察的标准电阻，是人为设置的标准电阻(20K )；
　　R1...R4...Rn：用集中参数表示直流两极对地的模拟绝缘电阻；
　　 U：直流母线电压；
　　U+：正级对地电压；
　　U-：负极对地的电压。
　　在图中的参考方向下由KVL定律得知：
　　U=U++U-，当直流母线对地绝缘良好的条件下，存在R-≈R+≈∞的关系， (实际情况由于负电源延伸范围广，R-略小于R+)，得出直流正负母线对地实际绝缘电阻：R=R+∥Rb≈R-∥Rb≈Rb的结论。
　　 当R≤Rb(检测直流回路绝缘降低的判据)时，直流绝缘监察装置发出直流母线绝缘降低的告警信号。
　　由此可知：
　　(1)、正极绝缘降低而负极绝缘良好时：

U 得出U-＞U+，而当正极直接接地时正极对地短接即：R+=0 ，得出 U+=0V，由于电源电压保持不变、所以U-=U，负极对地电压直接上升为母线电压。
　　(2)同理 ：负极绝缘降低时，U+＞ U-，而当负极直接接地时，负极对地短接，U+=U，正极对地电压直接上升为母线电压。
3.2　解释
　　应用以上分析的结论来解释“直流母线接地受操作3516开关影响”的奇怪现象；由于3516开关在合闸过程出现了正极接地使U+=0V，U-=U=225V，这样就加在R-两端的电压由U/2 突然上升为电源电压U，使本来就脆弱的R-的工作条件变的更加严酷(R-此时主要指10KV馈线和电容器保护装置电源负极对地绝缘等效电阻)当R-中的某一个环节承受不了突然上升为电源电压的冲击时，便被击穿，进而演变为负极绝缘降低导致“直流接地的故障”再现，即使直流接地故障排除，因为3516开关正接地还存在，当对3516开关进行合闸时，导致直流接地现象重复出现。
　　 综上所述，引起直流反复接地的原因可以总结为以下几点：
　　 ①、3516开关在合闸过程的瞬间正极接地是造成直流接地反复出现的诱因。
　　 ②、MDM-B1C型保护装置电源负极对地绝缘电阻降低是造成直流接地反复出现的主要原因。
　　 ③、设备检修工艺不良是这次事故的导火线。
　　 ④、运行人员未对检修设备进行全面把关验收，便通电试验，为这次事故点燃了火种。

4　结束语
　　1) 应该加强对设备检修质量的管理，进一步提高检修工艺。
　　2) 设计部门对产品进行选型时，尽量选用成熟可靠且具有运行经验的大中型企业的产品，提高运行可靠性。