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直流系统接地危害及其处理要点

摘要

直流电源作为电力系统的重要组成部分，为一些重要常规负荷、继电保护及自动装置、远动通讯装置提供不间断供电电源，并提供事故照明电源。

因此直流系统的稳定运行、并保持良好的工作状态是安全运行的主要保障。

直流系统接地是影响变电站安全稳定运行的重大问题，而且对整个电力系统的安全构成威胁。

因此在其发生时要在最短的时间内进行处理，才能真正保证设备安全可靠运行。

直流系统的可靠性是保障变电所安全运行的决定条件之一。

关键词：

接地危害故障排查实例

Abstract

DCpowersupplyisanimportantpartofpowersystem,foranumberofimportantconventionalload,relayprotectionandautomaticdevice,remotecommunicationdevicewithuninterruptedpowersupply,andprovideemergencylightingpowersupply.ThustheDCstableoperationofthesystem,andtomaintaingoodworkingconditionisthemainguaranteeofsafeoperation.DCsystemgroundingistheeffectofsafeandstableoperationofmajorissues,butalsototheentirepowersystemsecuritythreat.Thusthehappenstobeintheshortestpossibletimeforprocessing,inordertoensurethatthesafetyandreliabilityoftheequipmentrunning.ThereliabilityofDCsystemistoprotectthetransformersubstationsafeoperationdecisioncondition.

KEYWORD：

GroundinghazardTroubleshootingInstances

目录

第一章引言1

第二章直流系统的构成及对其的要求2

第一节直流系统的构成2

第二节对直流系统的基本要求5

第三章直流系统的绝缘检测6

第四章直流系统接地位置的检查12

第五章查找直流系统接地故障的几点讨论16

第六章案例分析20

结束语22

谢辞23

参考文献24

第一章引言

直流电源作为电力系统的重要组成部分，为一些重要常规负荷、继电保护及自动装置、远动通讯装置提供不间断供电电源，并提供事故照明电源。

因此直流系统的稳定运行、并保持良好的工作状态是安全运行的主要保障。

蓄电池一般采用浮充电方式运行，用浮充电机组、硅整流器或可控硅整流器作为浮充电源，（蓄电池与可控硅整流装置应并联运行，正常时直流负荷应由可控硅整流装置供给，蓄电池以浮充电方式运行。

严禁整流装置单独带负荷。

）浮充电源与蓄池并列运行于直流母线上。

（充电机电源：

接入电源、三相380VAC，分别引自动力屏14D-3，14D-4，两路电源均投入，输入电源能自动切换。

直流系统发生一点接地，不会产生短路电流，则可允许运行2小时。

但是必须及时查找接地点并尽快消除接地故障，否则当发生另一点接地时，就有可能引起信号装置、继电保护及自动装置、断路器的误动作或拒绝动作，有可能造成直流电源短路，引起熔断器熔断，或快分电源开关断开，使设备失去操作电源，引发电力系统严重故障乃至事故。

因此，不允许直流系统在一点接地情况下长时间运行，必须加强在线监测，迅速查找并排除接地故障，杜绝因直流系统接地而引起的电力系统故障。

直流系统在变电站中具有重要的位置。

要保证一个变电站长期安全运行，其因素是多方面的，其中直流系统的绝缘问题是不容忽视的。

变电站的直流系统比较复杂，通过电缆沟与室外配电装置的端子排、端子箱、操作机构箱等相连接，因电缆破损、绝缘老化、受潮等原因发生接地的可能性较多，发生一极接地时，由于没有短路电流，熔断器不会熔断，仍可继续运行，但也必须及时发现、及时消除。

通常，要求直流系统的各种小母线、端子回路、二次电缆对地的绝缘电阻值，用500V摇表测量其值不得小于0.5MΩ。

（直流系统整个二次回路绝缘电阻应不小于2MΩ。

柜内主回路（断开所有支路）的绝缘电阻应不小于10MΩ。

）直流回路绝缘的好坏必须经常地进行监视。

否则，会给运行带来许多不安全因素。

第二章直流系统的构成及对其的要求

目前，发电厂及中、大型变电站的控制回路、继电保护装置及其出口回路、信号回路，皆采用由直流电源供电。

重要发电厂及变电站的事照明也采用直流供电方式。

另外，为确保发电机等主设备的安全，某些动力设备（例如电动油泵等）也由直流电源供电。

完成对上述回路，装置及动力设备供电的系统称之为直流系统。

直流系统是发电厂和变电站的重要系统。

在发电厂及大、中型变电站，由于被操作和被保护的主设备众多，使直流系统分布面广，它遍布厂或站的各个角落。

因此，为确保发电厂和变电站的安全、经济运行，有完善而可靠的直流系统是非常必要的。

第一节直流系统的构成

发电厂和变电站的直流系统，主要由直流电源、直流母线及直流馈线等组成。

直流电源包括蓄电池及充电设备；直流馈线由主干线及支馈线构成

（1）蓄电池

发电厂及变电站常用的蓄电池，主要有酸性的和碱性的两大类。

常用的酸性蓄电池是铅蓄电池，而常用的碱性蓄电池是镉－镍蓄电池。

1）铅蓄电池

铅蓄电池的正极为二氧化铅，负极为铅（海绵铅），电解液是硫酸溶液。

工作时，蓄电池内部有化学反应；电池在放电时，正极、负极上均生成硫酸铅，而消耗硫酸，充电时与放电过程相反，其正、负极的硫酸铅分别反应成二氧化铅及海绵铅，同时生成硫酸。

2）镉-镍蓄电池

镉－镍蓄电池的正极为氧化镍，而负极为镉－铁，其电解液采用氢氧化钠或氢氧化钾溶液，并加入少量的氢氧化铝。

3）电气参数

蓄电池的主要电气技术参数有

①额定电压

发电厂及变电站常用的铅蓄电池的额定电压为2-2.5V/只，镉－镍蓄电池的额定电压为1.25V/只。

②额定容量（安时）

不同型号的蓄电池，其额定容量不同。

所谓额定容量是指：

放电时间10小时（或5小时）、放电终止电压为1.8V（或1V）时的计算放电容量。

铅蓄电池的容量，小的有几十安时，大的有1600安时；而镉－镍蓄电池的容量，小的有10安时，大的有500安时。

短路电流

短路时蓄电池供出电流的大小，决定于蓄电池的电动势、内阻及外回路的电阻。

当外回路的内阻等于零时，镉－镍蓄电池可供出的最大短路电流为15－58A。

4）蓄电池的充电

蓄电池的充电方法，通常采用定电流充电方法。

充电的种类有初充电、正常充电和均衡充电三种。

为提高蓄电池的放电性能，对新电池的首次充电称之为初充电。

对已经放过电的蓄电池充电称之为正常充电。

均衡充电，实际上是定期充电。

在电池用5－20小时的放电之后，进行充电。

5）蓄电池组

发电厂及变电站直流系统的额定电压，通常48V、110V及220V三种。

为取得上述各种电压，需要将多个蓄电池串联起来。

另外，为使直流电源能输出较大的电流，需将几个蓄电池组并联使用。

直流系统的电压越高，需串联的蓄电池个数越多；要求直流系统输出的电流越大，需并联的支路数越多。

6）蓄电池组的浮充

为延长蓄电池组的使用寿命并及时补充电池的容量损耗，需充电设备经常对蓄电池组进行充电。

该充电方式叫做浮充。

此时，充电电源与蓄电池组并联运行。

浮充方式有全浮充和半浮充两种。

（2）充电设备

为补偿蓄电池运行中的功率损耗，维持电源电压及增大短路容量，需对蓄电池经常进行充电。

充电设备通常采用将三相交流进行整流、滤波及稳压的交流－直流变换装置。

它应满足以下要求：

1）输出电压及输出电流的调节范围

充电设备输出电压及输出电流的调节范围，应满足蓄电池组各种充电方式的需要。

对于直流电压为110V的直流系统，充电设备输出电压的调节范围应为90~160V；对于额定电压为220V的直流系统，充电设备输出电压的调节范围为180~310V.

2）具有维持恒定输出电压及恒定输出电流的调节功能

对于用可控硅整流设备作为充电装置时，当其输入电压在额定电压的＋5%~－15%范围内变化及输出负荷电流在额定电流的20%~100%范围内变化时，其输出电压的变化≤＋2%；输入电压在＋5%~－15%额定电压的范围内变化时，输出稳定电流的误差小于±5%。

3）输出电压的纹波系数小

当充意设备不与蓄电池并联运行时，其纹波系数不大于5%。

4）充电时应维持直流母线电压的变化小于5%。

5）充电设备的额定电流应按下式进行选择

浮充电设备的输出电流，应能承担正常运行时直流系统的负荷电流和蓄电池的自放电电流。

其额定电流应为

　　………………………………………………………（1－3）

在式1－3中：

－额定电流，安培；　　　　　　　

－蓄电池放电容量；

T－蓄电池长期放电时间，取12个小时；　　　　

－直流系统正常负荷电流。

考虑到核对性充放电，也可按最大充电电流选择

…………………………………………（1－4）

在式1－4中：

－额定电流；　　　

－蓄电池10小时放电容量。

（3）直流母线及输出馈线

蓄电池组的输出与充电设备的输出并接在直流母线上。

直流母线汇集直流电源输出的电能，并通过各直流馈线输送到各直流回路及其他直流负载（例如事故照明、直流电动机等）。

直流母线的接线方式，取决于蓄电池组的数量、对直流负荷的供电方式及充电设备的配置方式。

在中、大型发电厂及变电站，直流母线的接线方式多为单母线分段或双母线。

根据需要，从每段或每条直流母线上引出多路直流馈线，将直流电源引至全厂或全站的配电室及控制室的直流小母线上，或引至直流动力设备的输入母线上。

从各直流小母线上又分别引出多路出线，分别接至保护盘、控制盘、事故照明盘或其他直流负荷盘。

（4）直流监控装置

为测量、监视及调整直流系统运行状况及发出异常报警信号，对直流系统应设置监控装置。

直流监控装置应包括测量表计、参数越限和回路异常报警系统等。

第二节对直流系统的基本要求

为确保发电厂及变电站的安全、经济运行，其直流系统应满足以下要求

（1）正常运行时直流母线电压的变化应保持在10%额定电压的范围内。

若电压过高，容易使长期带电的二次设备（例如继电保护装置及指示灯等）过热而损坏；若电压过低，可能使断路器、保护装置等设备不能正常动作。

（2）电池的容量应足够大，以保证在浮充设备因故停运而其单独运行时，能维持继电保护及控制回路的正常运行；此外，还应保证事故发生后能可靠切除断路器及维持直流动力设备（例如直流油泵等）的正常运行。

（3）充电设备稳定可靠，能满足各种充电方式的要求，并有一定的冗余度。

（4）直流系统的接线应力求简单可靠，便于运行及维护，并能满足继电保护装置及控制回路供电可靠性要求。

（5）具有完善的异常、事故报警系统及分级保护系统。

当直流系统发生异常或运行参数越限时，能发出告警信号；当直流系统发生短路故障时，能快速而有选择性地切除故障馈线，而不影响其他回路的正常运行。

第三章直流系统的绝缘检测

前已述及，发电厂及变电站的直流系统分布面广，回路繁多，很容易发生故障或异常，其中最常见的不正常状态是直流系统接地。

1．直流系统接地的危害

运行实践表明，直流系统一点接地，容易致使运行中的断路器偷跳。

此外，当直流系统中发生一点接地之后，若再发生另外一处接地，将可能造成直流系统短路，致使直流电源中断供电，或造成运行中的断路器误跳或拒跳的事故发生。

（1）断路器的偷跳

前几年，由于直流系统一点接地，而造成断路器偷跳的事例较多。

其原因在二次回路中讲述。

对于

断路器接线的母线，各串中间的断路器容易偷跳；而对于双母线接线，其母联断路器容易偷跳。

（2）断路器的误跳及拒跳

当控制回路中发生两点接地时，可能造成断路器的拒跳或误跳。

断路器的简化跳闸回路如图3－1所示。

图3－1　简化的断路器跳闸回路

在图1－1中：

K－继电保护出口继电器的常开接点；A、B、C、D、E－分别为接地点位置；

KM－跳闸中间继电器；SA－断路器操作开关的辅助接点；TQ－断路器的跳闸线圈；RKM－电阻；RD、2RD－熔断器或快速开关刀口；DL－断路器辅助接点，断路器在合位时闭合；＋WC、－WC－控制回路直流正、负小母线。

由图3－1可以看出：

当A、B两点接地或A、C两点接地、或A、D两点接地时，跳闸线圈TQ将有电流通过，致使断路器跳闸；而当C、E两点接地、或B、E两点接地、或D、E两点接地时，可导致断路器拒跳，或由于跳闸中间继电器不能启动而在继电保护动作后，断路器不能跳闸现象的发生。

（3）直流回路短路

另外，当图3－1中的A、E两点同时发生接地时，将造成直流电源的正极与负极之间的短路故障，致使熔断器（或快速开关）1RD、2RD要熔断（或快速开关跳闸），导致控制回路直流电源消失。

2．直流绝缘检测装置

当直流系统发生一点接地之后，为避免发生两点接地故障，应立即进行检查及处理。

这就需要设置直流系统对地绝缘的检测装置，当直流系统对地绝缘严重降低或出现一点接地之后，立即发出告警信号。

（1）直流绝缘检测装置的构成机理

直流绝缘检测装置是根据电桥平衡原理构成的。

其检测原理的示意图如图3－2所示。

图3－2　直流绝缘检测装置检测原理示意图

在图3－2中：

R1、R2－监测装置内P的辅加电阻；R3、R4－分别为直流电源两极对地的绝缘电阻；XJ－电压信号继电器；V－直流电压表；＋WC、－WC－直流电源的正、负小母线。

正常工况下，直流系统正、负两极对地的绝缘电阻R3＝R4，由于装置内电阻R1＝R2，因此，在由R1、R2、R3、R4构成的四臂电桥中R1R4＝R2R3，满足电桥平衡条件。

A点的电位与地电位相等，直流电压表

的指示等于零。

信号继电器XJ两端无电压，它不动作。

当某一极对地的绝缘电阻下降或直接接地时，R3不再等于R4，故R1R4≠R2R3电桥平衡被破坏，A点对地产生电压，信号继电器XJ动作，发出告警信号。

图3－2中直流电压

的刻度为电压和电阻的双刻度，电压的刻度应与直流系统的额定电压相对应

（2）绝缘检测和电压监视装置

直流系统的绝缘检测装置的种类很多。

但是，不管是哪种装置，其构成原理均为电桥平衡原理。

不同处的是：

构成元件不同，功能多少不同。

以下简要介绍最基本的由继电器构成的绝缘检测装置及微机型绝缘检测装置的原理接线图。

1）继电器构成的绝缘检测装置

由继电器构成的典型绝缘监察装置的原理接线如图3－3所示。

图3－3　直流绝缘监察装置原理接线图

在图3－3中：

1ZK－测量转换开关；2ZK－绝缘测量及对地电阻测量转换开关；CK－电压监视及接地位置选测切换开关；XTJ－接地信号继电器；

－电压和电阻双刻度测量表计；

－直流电压表。

由图1－3可以看出：

该装置将直流系统的绝缘监测与电压监视集为一体，它适用于双母线或单母线分段的直流系统。

装置由一、二段母线测量转换、绝缘监测、绝缘测量及母线电压测量等部分构成。

①母线测量转换

两段母线测量的转换，主要由测量转换开关1ZK来完成。

当测量I段母线的对地绝缘时，将测量开关拨至“I母”位置。

此时，开关接点

及

闭合，将I段母线的正极和负极接入监视装置。

当测量II段母线的绝缘时，将测量开关拨至“II母”位置，开关接点

及

闭合，将二段母线的两极引至装置。

②绝缘测量及绝缘监测

绝缘测量及绝缘监测部分由电阻1R、3R、电位器2R、开关2ZK、信号继电器XTJ及

表计构成。

正常工况下，开关2ZK的接点

和、

闭合，开关CK的接点

闭合。

与电位器2R连接的表通过CK的

接点接地。

此时，由于直流系统对地绝缘良好，其正、负两极的对地电阻相等，并与电阻1R、3R构成的四臂电桥处于平衡状态。

表计的指示电压值近似等于零，信号继电器XTJ不动作。

当直流系统某一极对地绝缘严重降低或直接接地时，例如负极接地，则四臂电桥平衡破坏，

表计的两端出现较大的电压，即继电器XTJ线圈两端出现电压，继电器XTJ动作，发出“直流接地”告警信号。

当出现“直流接地”告警信号之后，可通过调节电位器2R及

表计的指示值，测量及计算直流系统正极和负极的对地电阻。

方法如下：

通过开关CK的切换及电压表

的测量值，首先判断出是正极的绝缘降低还是负极的绝缘降低。

将开关2ZK置于“I位置”或“II位置”。

当直流系统的正极对地绝缘降低时，开关2ZK置于“I位置”，而当直流系统的负极对地绝缘降低时，开关2ZK置于“II位置”。

开关2ZIK置于“I位置”时，其接点

闭合；而置于“II位置”时，开关2ZK的接点

闭合。

调节电位器2R的滑动头，使表计的电压指示值等于零。

再将开关2ZK切换到与正常位置上，通过

表计分别观察并记录直流系统的对地电阻

。

计算正极与负极的对地电阻

设此时电位器2R所在位置电阻占其全电阻的百分数为X，正极对地的绝缘电阻为

，负极对地的绝缘电阻为

。

当正极的对地绝缘降低时

而当负极绝缘降低时

③直流母线电压的监视

正常工况时开关CK的接点

和

闭合，电压表V的电压指示值即为直流电源的母线电压。

当直流系统对地绝缘降低时，可通过对CK的切换及观察V2表的指示，分别测量出直流母线正极及负极的对地电压，以判断是正极还是负极的对地绝缘降低。

2）微机型绝缘监测装置

采用上述接地监测装置，可以监测全直流系统对地绝缘状况，当发生接地时可判断出接地的极性。

但当直流系统的正极与负极绝缘同时降低，且对地电阻相差不大时，装置无法正确检测；另外，当直流系统中出现接地时，也无法判断接地点在哪条馈线上。

采用微机型绝缘检测装置，除能检测出直流系统是否有接地之外，还能检测出具体发生接地的直流馈线。

该装置的原理接线如图1－4所示。

图3－4　微机型绝缘监测装置原理接线图

在图3－4中：

＋WC、－WC－分别表示直流电源的正、负极母线；

　　L1、L2、L3－直流馈线；LH1、LH2、LH3－直流绝缘监测回路辅助电流互感器。

图3－4中所示的微机型绝缘检测仪的检测原理也是电桥平衡原理。

不同的是装置内部有一低频电压信号发生器，该信号发生器产生的低频电压加在直流母线与地之间。

当直流系统中某一馈线回路出现接地故障时，该馈线上将流过一低频电流信号。

该低频电流信号经辅助电流互感器传递给检测仪，经计算判断出接地馈线及接地电阻的大小。

也有采用霍尔传感器来代替图中辅助电流互感器的。

3．对直流绝缘监测装置的要求

直流系统是不接地系统，直流系统的两极（正极和负极）对地应没有电压，大地也应没有直流电位。

但是，由于绝缘检测装置的电压表（即图1－3中的表）及信号继电器的一端是接地的，就使得直流系统通过该仪表及信号继电器与大地连接。

实际上，发电厂及变电站的直流系统是经高阻接地的接地系统。

又由于图1－3中的R1等于R2，因此在正常工况下，地的直流电位应等于直流系统电压的

。

对于直流电压为220V的直流系统，其所在大地的地电位应为110V左右。

对直流绝缘监测装置的要求，除了动作可靠之外，还要求其内测量电压表计的内阻要足够大，否则将可能造成继电保护出口继电器误动、拒动及断路器的拒跳和误跳。

这是因为，如果绝缘检测装置中测量电压表的内阻过小（极限情况下为零），使直流系统在正常工况下已有一点接地，当再发生另一点接地时，就像两点接地一样，使断路器拒跳或误跳。

对直流系统绝缘监测装置用直流表计内阻的要求是：

用于测量220V回路的电压表，其内阻不得低于20K，而测量110V回路的电压表，其内阻不低于10K。

第四章直流系统接地位置的检查

直流系统分布范围广、外露部分多、电缆多、且较长。

所以，很容易受尘土、潮气的腐蚀，使某些绝缘薄弱元件绝缘降低，甚至绝缘破坏造成直流接地。

直流接地故障中，危害较大的是两点接地，可能造成严重后果，不仅对设备不利，而且对整个电力系统的安全构成威胁。

因此，规程上规定有直流接地情况时，应停止直流网络上的一切工作，并进行有选择性的查找接地点。

1．直流接地故障的原因

直流接地故障发生的原因很多，也比较复杂。

这里概括性地归纳为以下几点：

（1）设计方面原因：

由于设计人员掌握专业知识的局限性、与相关专业的协调不够细致、对设备性能了解不深、以及对控制、保护装置内部原理吃不透，而造成交、直流回路串接。

在系统送电调试时或者保护装置动作时，造成交、直流回路串电而引发的直流系统接地故障。

（2）设备自身原因：

设备厂家在设备制造过程中，由于工作失误、选材不合格、设计缺陷以及制作粗糙等原因造成设备本身回路绝缘低和直流带电设备直接与设备外壳相接或相碰，从而在送电调试过程中，发生直流系统绝缘低或接地现象。

如：

充电设备、蓄电池本身接线柱、不停电电源装置、直流供电部分与设备外壳及各直流用电设备的接地柱和内部回路以及电缆损坏、不合格等。

（3）施工过程造成的原因：

这是引起直流系统接地故障发生的最常见的原因。

由于施工过程中，施工人员业务技术素质不同，环境的好坏及诸多外部因素的影响等，均会发生接地故障或造成隐患。

如：

1）电缆接线过程中，施工人员将芯线绝缘外皮损坏。

2）电缆敷设过程中由于施工不慎将电缆小绕、挤压、损伤。

3）电缆头制作过程中，不按规范施工造成绝缘不良。

4）电缆保护管处理不当，使电缆外皮损伤而造成绝缘不良。

5）接线过程中由于技术人员工作失误或施工人员粗心造成接线错误，而发生与其它回路或外壳接到一起。

6）直流母线在联接过程中，因绝缘板绝缘不合格，使直流电源系统对地绝缘太低。

7）直流小母线压接过程中，绝缘端子损坏与外壳接触。

8）两个直流系统连接错误。

9）事故照明回路中灯座因安装不合格与地接触。

10）由于施工工期或设计原因、控制电缆一端已施工完毕而另一端未施工，造成控制电缆芯线接地或因潮湿造成绝缘降低。

11）信号光字牌接线柱与底座设计安装不合理，线柱与外壳相碰。

12）交流回路和直流回路合用同一根电缆，等等。

（4）运行、检修维护的原因：

由于运行、检修维护人员受业务技术水平限制，运行检修维护不到位，或在回路检查和消除故障的过程中，错误地将直流系统接地，以及在检修、测量和检查过程中，由于误操作而造成的直流系统接地故障。

还有以下的原因：

1）由于气候恶劣、潮湿，加热装置未开或者坏了，开关端子箱的门没有关好造成户外开关端子箱内电缆或端子对地绝缘降低或爬电。

2）由于气候恶劣、潮湿，加热装置未开或者坏了，开关控子箱的门没有关好造成户外开关控制箱内二次回路辅助接点对地绝缘降低或爬电。

3）由于气候恶劣、潮湿或漏雨，造成户外闸刀接线箱内电缆或端子对地绝缘降低或爬电。

4）由于蓄电池维护不好造成对地绝缘降低或爬电。

5）由于运行检修维护不到位，端子或接线柱结灰对地绝缘降低。

6）由于检修工作不到位，保护内部对地绝缘降低或爬电。

7）由于是气候原因，老式变电所内绝缘水平整体下降造成的直流系统接地，等等。

还有其它原因造成的直流系统接地故障。

2．怎样查找、排除直流系统接地故障

直流系统发生一点接地之后，绝缘监测装置发出报警信号。

运行及维护人员应尽快检测出