直流系统接地检测装置问题分析及改进措施
【摘 要】 提出要从电网的高度、系统的角度去看待直流系统接地的危害性；对目前国内现有的直流系统接地检测的技术原理及装置进行了简要分析，指出其存在的问题；介绍了一种新型的微机直流监测装置在原理上的改进及实用效果。
运行实践证明，直流系统接地的危害不仅使继电保护装置误动、拒动，甚至会造成采用直流控制的一次设备误动、拒动，严重危及电力系统安全稳定运行。国内现有的各种直流接地的检测装置难以充分满足现场需要，对于直流接地查找不能做到及时、准确判断。我们通过对其技术原理的创新，研制了一种新型的直流监测装置。
1 直流系统接地的危害
要站在电网的高度，从系统的角度去看待直流接地的危害。众所周知电力系统中直流操作系统采用对地绝缘运行方式，当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使继电保护发生误动、拒动。
运行实践中发现，直流接地不仅会造成继电保护误动、拒动，甚至会造成采用直流控制的设备误动、拒动，以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦解的严重后果。因此，对于直流接地问题，不能仅从一个变电站、一个电厂角度分析问题，要从整个电网高度去考虑。
如2000年7月6日在暴雨天气下，石家庄220kV大河枢纽变电站，站内发生了直流接地。273－1电动刀闸在运行中自动分闸，无任何信号。经查找分析，273－1刀闸控制箱渗水受潮，确认为因直流两点接地，造成该刀闸误分。石家庄500kV廉州枢纽变电站，因大雪天气，直流两点接地，造成站用380V交流电源控制开关跳闸。
2 直流绝缘检测监测系统的现状
目前各类绝缘监察检测装置所采用的技术原理，与现场实际情况存在一定的差距，造成了装置的功能难以完全满足现场实际需要。
2.1 绝缘监察装置技术原理存在的问题
对于生产现场而言，电厂、变电站多年运行后，电缆绝缘普遍下降，各种端子箱、机构箱、刀闸辅助接点箱等生锈损坏，密封性下降，遇雨、雪、湿雾天气，易发生接地；而且，往往为非金属性接地(对地阻值高)、多点接地、正负极均有接地以及正、负极绝缘电阻之差较小，形成对称性接地故障接地性质。
而目前各种直流绝缘监察装置(含常规型、微机型)对于直流系统接地的监察报警均采用电桥平衡原理，对上述高阻对称性接地无法有效检测。
因受电桥平衡原理的限制，装置只能监测非对称性直流接地故障，在正、负极绝缘电阻均等下降或其值相接近时，装置不能反应。现有各类装置的对地直流绝缘监测装置的灵敏度均在两极绝缘电阻之比为2：1至10：1的范围。而且，若两极绝缘电阻相差较大，而实际上任一级的绝缘水平并未低于允许值的情况下，也可能报警，使检测人员误认为绝缘水平下降。
2.2 支路检测原理存在的问题
随着微机保护大量抗干扰电容的安装使用，直流系统开环辐射供电运行方式的采用使直流系统的对地电容电流增大。现国内广泛使用向系统注入信号方式的微机型绝缘支路选线装置，实际上已无法实现对接地支路的有效查找。当电容电流大于检测装置对绝缘电阻泄漏电流的整定值时，将造成误发信号，影响装置的正确判断。
河北省电力公司曾对4个厂家的产品进行了现场试验检测，结论：(1)某支路电阻性接地20kΩ时，支路查找判断准确性相差较大；电阻性接地30kΩ时，接地支路判断均不正确。(2)某二支路分别电阻性接地10kΩ时，支路查找误报、漏报。(3)加入40μF电容后支路检测失效。
运行实践也证明：如石家庄500kV廉州枢纽变电站，安装有国内某厂的接地选线仪。在380V控制电源直流接地时，报出220kV、500kV回路直流接地，对运行、检修人员查找接地造成了极大的干扰，危及电网安全运行。
2.3 接地支路的分支接地支路的查找，无有效手段
目前，随着继电保护反事故措施的落实，直流系统中保护、控制熔断器越分越细，数量越来越多，造成直流屏馈出支路下的分支支路数量越来越多。现有的微机支路检测装置采用的加装检测互感器的方法从技术上、成本上已难以满足要求。有的厂家推出了便携式定点查点设备，原理仍为注入信号式，其缺点前面已述。特别需要指出的是，此型装置的电流传感器必须为卡钳式，有气隙检测分散性大。
2.4 现有的各类绝缘监察装置不能自动满足直流系统运行方式变化的要求
按照国电公司新下发的反事故技术措施“防止电力生产重大事故的25项重点要求”，枢纽变电站直流系统广泛采用双组蓄电池、单母线分段接线方式。两段直流的母线在并列运行方式下(如单组蓄电池容量试验时)，要求及时停运某一段母线的直流绝缘监察装置，以保证直流系统对地绝缘电阻不降低，否则可能造成在直流一点接地时继电器误动；在两段直流母线分列运行方式下，要求及时投运两段母线的绝缘监察装置，否则会造成一段直流母线失去绝缘监视。
以常规直流绝缘监察装置为例：两段直流母线分列运行时，是两个独立的直流系统，每段母线均投运一套监察装置。为了测量对地电位，每个绝缘监察装置设有一个人为的接地点。为防止在直流网络中其它任何地方再发生一点接地时而引起继电器误动，要求绝缘监察继电器的线圈具有足够大的电阻值。(对220V直流系统该线圈的电阻值为30kΩ，其起动电流为1.4mA。系统中其它继电器的起动电流都应选择大于1.4mA)。在并列运行时，相当于一条直流母线一个直流系统，必须在并列前停运一段母线的绝缘监察装置，否则会造成两个30kΩ电阻并列，对地绝缘电阻变为15kΩ，造成一点接地(220kV直流系统对地绝缘报警值为20kΩ)。此时如再有另一点接地，其接地电流足以造成某些继电器误动。(几年前石家庄市内某电厂就因为绝缘监察装置对地电阻偏小，再有一点接地就造成保护误动事故)。同理，在两段母线由并列运行转分列运行后，应及时将已停运的一段母线绝缘监察装置投入，否则会造成该段母线及其系统失去对地绝缘监察。
现有的各类直流绝缘装置均不能自动适应两段直流母线的分、并列运行方式，一般采用在二次接线上利用手动开关或母线联络开关辅助接点切换停运一套装置的接地方式。有的厂家产品甚至不设手动开关，通过断开一套装置的接于直流母线的熔断器而停运装置。
(1)手动开关一般采用如下方式(参见图1)：
两段母线分列运行时，Q置位置三，1－3、2－3均接通，两套装置独自运行；
两段母线并列运行时，Q置位置一(或二)，一套装置无接地点停运，一套运行，同时监视两段母线。
(2)或者采用固定停、投一套装置的方法(参见图2)：
手动方式受人员因素影响大，而且母线运行方式的变化是较少进行的操作，运行检修人员对此易忽略。
利用辅助接点方式原理与
上图相似，只是手动开关换成了联络开关的辅助接点。此方式受接点可靠性因素的影响，特别对于较复杂的接线，两段母线间有多个联络开关以及动控母线分开时，需多个接点组合判别的情况，难以满足运行可靠性的要求。
3 对策及效果
为解决上述问题，我们与协作单位联合研制一种新型的微机直流接地选线监测装置——GYM直流接地选线监测仪，并做为河北省电力公司2001年科技项目。
该装置相比以往各类装置，通过在技术原理上的改进，使之更好地满足现场实际需要。
3.1 GYM的工作原理
采用平衡电桥与不平衡电桥相结合，可有效地检测正、负极同时接地或延续发展正、负极接地，对地绝缘电阻不受正、负极接地电阻是否相同或接近的影响，见图3。
其工作原理：当设备工作在平衡状态时，K1、K2合上，为Ⅰ段母线提供一个接地点，记录下此时的正母线对地电压、负母线对地电压，以及Ⅰ段各支路的对地漏电流值。如果此时有一点接地发生，此时的|V正|≠ |V负|，根据电压的偏差值就可得出接地电阻的阻值。
当发生正负同时接地时，则此方法不能准确测出接地电阻，而需要使用不平衡方法检测母线对地绝缘。当设备处于自动检测方式时，首先采用平衡电桥K1、K2合上，当接地的正负母线的对地电阻不相等，或不同时相等，则会造成正母线对地及负母线对地的电压偏差，此偏差一旦超过设定的值(10V)时，设备将启动一次不平衡检测，即将K1、K2分别合上一次，记录K1合上时的正负母线对地电压及支路漏电流；K2合上时正负母线对地电压及支路漏电流，根据母线对地的4个电压值，即可计算出正负母线的对地电阻
R＋=(V3－V1)R0/V1 R－=(V2－V4) R0/V4
再结合支路的2个漏电流值，即可计算出支路对地的电阻Rn＋及Rn－，Ⅱ段母线的检测方法同Ⅰ段母线。为了克服系统电容的影响，我们采用切换后延时采样，以避开电容充放电的过渡过程的影响。
3.2 对直流系统运行方式的影响
采用将电桥改为分别投入两段母线的方法，使直流系统的Ⅰ、Ⅱ段母线是否并列运行不影响本装置的检测，不影响系统对地绝缘电阻，自动满足直流系统运行方式变化的要求。
采用将电桥改为分别投入两段母线，这样在同一时刻，两段母线上只有一段的平衡电阻，另一段没有，采集数据根据投入的电桥在哪一段上就记录哪一段的办法。这样，系统两段母线是否并列运行就不会影响到对绝缘的监测，不会降低直流系统对地绝缘电阻，从而实现了自动满足直流系统运行方式变化的要求。
3.3 支路检测不注入信号，采用高灵敏度的直流传感器
我们采用高灵敏度的直流传感器(精度达0.1mA)，结合不平衡电桥可以测出多支路同时接地或同时平衡接地的情况，并可直接显示接地漏电流数值。不需注入信号。并通过多次实验，将直流传感器的抗过载能力提高，过载恢复后能即刻恢复其检测性能。利用系统在绝缘良好的时候，每月进行一次零点扫描，将传感器的零点误差消除。
3.4 在装置中设置定检方式，方便对接地支路的分支支路的查找
在装置中设置定检方式，通过传感器对报警支路的漏电流的高速检测与监视，直接显示在装置的液晶屏幕上，配合拉合报警支路的分支路熔断器，有助于查找具体的接地支路，特别是对于多路、多点接地的情况。
3.5 采用防误技术，提高装置的抗干扰能力
对支路电流的采集，因信号小、易受环境的影响，我们采用采集母线对地电压的办法。因电压量是比较强的信号量，且检测不易受到外界的影响，用母线电压计算出的阻抗如果正常，则支路就不可能有报警发生。我们在软件上封锁支路报警的输出，但同时计算支路的信号电压值与零点值的误差。如果误差过大，则给出支路检测元件故障的告警信息，显示在屏幕上，以便及时排除。
4 GYM型直流接地选线监测仪的测试、运行及鉴定情况
4.1 检测、鉴定
装置研制成功后，样机于2000年4月6日通过了电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心的检测并颁发了检测报告(继电自动)检字2000第X017号，检测结论：检测结果满足检测依据的要求，合格。并于2001年6月11日，该装置通过了由河北省电力公司组织的产品鉴定。
4.2 现场运行
首台样机于2000年9月安装于220kV许营变电站，运行良好。在2000年12月22日下午，许营站发生直流接地，该装置准确报警，并给出相应接地支路编号。经人工检查，确认接地点在该支路上。在随后的几天，因现场施工问题，许营站多次发生直流接地，该装置均准确判别报警。在2001年4月16日，220kV大河变电站在进行直流改造过程中，系统发生直流接地。大河站使用新装的GYM型监测仪查找，该装置准确判断出接地支路，并显示接地电流为2mA；为确认其查找的准确性，采用直流倒负荷、分环等多种运行方式，利用多个直流支路带接地支路，该装置均准确辨别接地支路，接地电流2mA。经实际拉路查找，接地点在202回路，证实装置检测准确。
运行实践证明，该装置能够同时监视两段直流母线的电压及正、负级对地绝缘阻抗，不受两段母线分、并列运行影响。对接地支路的检测准确，有利于现场值班员、检修人员快速准确地处理直流接地故障，对确保电网运行安全起到了重要的作用。达到了研制工作预期的目的。
目前，该装置已在石家庄、沧州、衡水、安阳、长治等地变电站投运20余套。
运行实践证明，直流系统接地的危害不仅使继电保护装置误动、拒动，甚至会造成采用直流控制的一次设备误动、拒动，严重危及电力系统安全稳定运行。国内现有的各种直流接地的检测装置难以充分满足现场需要，对于直流接地查找不能做到及时、准确判断。我们通过对其技术原理的创新，研制了一种新型的直流监测装置。
1 直流系统接地的危害
要站在电网的高度，从系统的角度去看待直流接地的危害。众所周知电力系统中直流操作系统采用对地绝缘运行方式，当发生一点接地时，并不引起任何危害，但必须及时处理，否则，当发生另一点接地时，有可能使继电保护发生误动、拒动。
运行实践中发现，直流接地不仅会造成继电保护误动、拒动，甚至会造成采用直流控制的设备误动、拒动，以至损坏设备，造成大面积停电、系统瓦解的严重后果。因此，对于直流接地问题，不能仅从一个变电站、一个电厂角度分析问题，要从整个电网高度去考虑。
如2000年7月6日在暴雨天气下，石家庄220kV大河枢纽变电站，站内发生了直流接地。273－1电动刀闸在运行中自动分闸，无任何信号。经查找分析，273－1刀闸控制箱渗水受潮，确认为因直流两点接地，造成该刀闸误分。石家庄500kV廉州枢纽变电站，因大雪天气，直流两点接地，造成站用380V交流电源控制开关跳闸。
2 直流绝缘检测监测系统的现状
目前各类绝缘监察检测装置所采用的技术原理，与现场实际情况存在一定的差距，造成了装置的功能难以完全满足现场实际需要。
2.1 绝缘监察装置技术原理存在的问题
对于生产现场而言，电厂、变电站多年运行后，电缆绝缘普遍下降，各种端子箱、机构箱、刀闸辅助接点箱等生锈损坏，密封性下降，遇雨、雪、湿雾天气，易发生接地；而且，往往为非金属性接地(对地阻值高)、多点接地、正负极均有接地以及正、负极绝缘电阻之差较小，形成对称性接地故障接地性质。
而目前各种直流绝缘监察装置(含常规型、微机型)对于直流系统接地的监察报警均采用电桥平衡原理，对上述高阻对称性接地无法有效检测。
因受电桥平衡原理的限制，装置只能监测非对称性直流接地故障，在正、负极绝缘电阻均等下降或其值相接近时，装置不能反应。现有各类装置的对地直流绝缘监测装置的灵敏度均在两极绝缘电阻之比为2：1至10：1的范围。而且，若两极绝缘电阻相差较大，而实际上任一级的绝缘水平并未低于允许值的情况下，也可能报警，使检测人员误认为绝缘水平下降。
2.2 支路检测原理存在的问题
随着微机保护大量抗干扰电容的安装使用，直流系统开环辐射供电运行方式的采用使直流系统的对地电容电流增大。现国内广泛使用向系统注入信号方式的微机型绝缘支路选线装置，实际上已无法实现对接地支路的有效查找。当电容电流大于检测装置对绝缘电阻泄漏电流的整定值时，将造成误发信号，影响装置的正确判断。
河北省电力公司曾对4个厂家的产品进行了现场试验检测，结论：(1)某支路电阻性接地20kΩ时，支路查找判断准确性相差较大；电阻性接地30kΩ时，接地支路判断均不正确。(2)某二支路分别电阻性接地10kΩ时，支路查找误报、漏报。(3)加入40μF电容后支路检测失效。
运行实践也证明：如石家庄500kV廉州枢纽变电站，安装有国内某厂的接地选线仪。在380V控制电源直流接地时，报出220kV、500kV回路直流接地，对运行、检修人员查找接地造成了极大的干扰，危及电网安全运行。
2.3 接地支路的分支接地支路的查找，无有效手段
目前，随着继电保护反事故措施的落实，直流系统中保护、控制熔断器越分越细，数量越来越多，造成直流屏馈出支路下的分支支路数量越来越多。现有的微机支路检测装置采用的加装检测互感器的方法从技术上、成本上已难以满足要求。有的厂家推出了便携式定点查点设备，原理仍为注入信号式，其缺点前面已述。特别需要指出的是，此型装置的电流传感器必须为卡钳式，有气隙检测分散性大。
2.4 现有的各类绝缘监察装置不能自动满足直流系统运行方式变化的要求
按照国电公司新下发的反事故技术措施“防止电力生产重大事故的25项重点要求”，枢纽变电站直流系统广泛采用双组蓄电池、单母线分段接线方式。两段直流的母线在并列运行方式下(如单组蓄电池容量试验时)，要求及时停运某一段母线的直流绝缘监察装置，以保证直流系统对地绝缘电阻不降低，否则可能造成在直流一点接地时继电器误动；在两段直流母线分列运行方式下，要求及时投运两段母线的绝缘监察装置，否则会造成一段直流母线失去绝缘监视。
以常规直流绝缘监察装置为例：两段直流母线分列运行时，是两个独立的直流系统，每段母线均投运一套监察装置。为了测量对地电位，每个绝缘监察装置设有一个人为的接地点。为防止在直流网络中其它任何地方再发生一点接地时而引起继电器误动，要求绝缘监察继电器的线圈具有足够大的电阻值。(对220V直流系统该线圈的电阻值为30kΩ，其起动电流为1.4mA。系统中其它继电器的起动电流都应选择大于1.4mA)。在并列运行时，相当于一条直流母线一个直流系统，必须在并列前停运一段母线的绝缘监察装置，否则会造成两个30kΩ电阻并列，对地绝缘电阻变为15kΩ，造成一点接地(220kV直流系统对地绝缘报警值为20kΩ)。此时如再有另一点接地，其接地电流足以造成某些继电器误动。(几年前石家庄市内某电厂就因为绝缘监察装置对地电阻偏小，再有一点接地就造成保护误动事故)。同理，在两段母线由并列运行转分列运行后，应及时将已停运的一段母线绝缘监察装置投入，否则会造成该段母线及其系统失去对地绝缘监察。
现有的各类直流绝缘装置均不能自动适应两段直流母线的分、并列运行方式，一般采用在二次接线上利用手动开关或母线联络开关辅助接点切换停运一套装置的接地方式。有的厂家产品甚至不设手动开关，通过断开一套装置的接于直流母线的熔断器而停运装置。
(1)手动开关一般采用如下方式(参见图1)：
两段母线分列运行时，Q置位置三，1－3、2－3均接通，两套装置独自运行；
两段母线并列运行时，Q置位置一(或二)，一套装置无接地点停运，一套运行，同时监视两段母线。
(2)或者采用固定停、投一套装置的方法(参见图2)：
手动方式受人员因素影响大，而且母线运行方式的变化是较少进行的操作，运行检修人员对此易忽略。
利用辅助接点方式原理与
上图相似，只是手动开关换成了联络开关的辅助接点。此方式受接点可靠性因素的影响，特别对于较复杂的接线，两段母线间有多个联络开关以及动控母线分开时，需多个接点组合判别的情况，难以满足运行可靠性的要求。
3 对策及效果
为解决上述问题，我们与协作单位联合研制一种新型的微机直流接地选线监测装置——GYM直流接地选线监测仪，并做为河北省电力公司2001年科技项目。
该装置相比以往各类装置，通过在技术原理上的改进，使之更好地满足现场实际需要。
3.1 GYM的工作原理
采用平衡电桥与不平衡电桥相结合，可有效地检测正、负极同时接地或延续发展正、负极接地，对地绝缘电阻不受正、负极接地电阻是否相同或接近的影响，见图3。
其工作原理：当设备工作在平衡状态时，K1、K2合上，为Ⅰ段母线提供一个接地点，记录下此时的正母线对地电压、负母线对地电压，以及Ⅰ段各支路的对地漏电流值。如果此时有一点接地发生，此时的|V正|≠ |V负|，根据电压的偏差值就可得出接地电阻的阻值。
当发生正负同时接地时，则此方法不能准确测出接地电阻，而需要使用不平衡方法检测母线对地绝缘。当设备处于自动检测方式时，首先采用平衡电桥K1、K2合上，当接地的正负母线的对地电阻不相等，或不同时相等，则会造成正母线对地及负母线对地的电压偏差，此偏差一旦超过设定的值(10V)时，设备将启动一次不平衡检测，即将K1、K2分别合上一次，记录K1合上时的正负母线对地电压及支路漏电流；K2合上时正负母线对地电压及支路漏电流，根据母线对地的4个电压值，即可计算出正负母线的对地电阻
R＋=(V3－V1)R0/V1 R－=(V2－V4) R0/V4
再结合支路的2个漏电流值，即可计算出支路对地的电阻Rn＋及Rn－，Ⅱ段母线的检测方法同Ⅰ段母线。为了克服系统电容的影响，我们采用切换后延时采样，以避开电容充放电的过渡过程的影响。
3.2 对直流系统运行方式的影响
采用将电桥改为分别投入两段母线的方法，使直流系统的Ⅰ、Ⅱ段母线是否并列运行不影响本装置的检测，不影响系统对地绝缘电阻，自动满足直流系统运行方式变化的要求。
采用将电桥改为分别投入两段母线，这样在同一时刻，两段母线上只有一段的平衡电阻，另一段没有，采集数据根据投入的电桥在哪一段上就记录哪一段的办法。这样，系统两段母线是否并列运行就不会影响到对绝缘的监测，不会降低直流系统对地绝缘电阻，从而实现了自动满足直流系统运行方式变化的要求。
3.3 支路检测不注入信号，采用高灵敏度的直流传感器
我们采用高灵敏度的直流传感器(精度达0.1mA)，结合不平衡电桥可以测出多支路同时接地或同时平衡接地的情况，并可直接显示接地漏电流数值。不需注入信号。并通过多次实验，将直流传感器的抗过载能力提高，过载恢复后能即刻恢复其检测性能。利用系统在绝缘良好的时候，每月进行一次零点扫描，将传感器的零点误差消除。
3.4 在装置中设置定检方式，方便对接地支路的分支支路的查找
在装置中设置定检方式，通过传感器对报警支路的漏电流的高速检测与监视，直接显示在装置的液晶屏幕上，配合拉合报警支路的分支路熔断器，有助于查找具体的接地支路，特别是对于多路、多点接地的情况。
3.5 采用防误技术，提高装置的抗干扰能力
对支路电流的采集，因信号小、易受环境的影响，我们采用采集母线对地电压的办法。因电压量是比较强的信号量，且检测不易受到外界的影响，用母线电压计算出的阻抗如果正常，则支路就不可能有报警发生。我们在软件上封锁支路报警的输出，但同时计算支路的信号电压值与零点值的误差。如果误差过大，则给出支路检测元件故障的告警信息，显示在屏幕上，以便及时排除。
4 GYM型直流接地选线监测仪的测试、运行及鉴定情况
4.1 检测、鉴定
装置研制成功后，样机于2000年4月6日通过了电力工业部电力设备及仪表质量检验测试中心的检测并颁发了检测报告(继电自动)检字2000第X017号，检测结论：检测结果满足检测依据的要求，合格。并于2001年6月11日，该装置通过了由河北省电力公司组织的产品鉴定。
4.2 现场运行
首台样机于2000年9月安装于220kV许营变电站，运行良好。在2000年12月22日下午，许营站发生直流接地，该装置准确报警，并给出相应接地支路编号。经人工检查，确认接地点在该支路上。在随后的几天，因现场施工问题，许营站多次发生直流接地，该装置均准确判别报警。在2001年4月16日，220kV大河变电站在进行直流改造过程中，系统发生直流接地。大河站使用新装的GYM型监测仪查找，该装置准确判断出接地支路，并显示接地电流为2mA；为确认其查找的准确性，采用直流倒负荷、分环等多种运行方式，利用多个直流支路带接地支路，该装置均准确辨别接地支路，接地电流2mA。经实际拉路查找，接地点在202回路，证实装置检测准确。
运行实践证明，该装置能够同时监视两段直流母线的电压及正、负级对地绝缘阻抗，不受两段母线分、并列运行影响。对接地支路的检测准确，有利于现场值班员、检修人员快速准确地处理直流接地故障，对确保电网运行安全起到了重要的作用。达到了研制工作预期的目的。
目前，该装置已在石家庄、沧州、衡水、安阳、长治等地变电站投运20余套。
文章版权归西部工控xbgk所有，未经许可不得转载。
上一篇：论小型断路器的保护性能和作用
下一篇：中软创新配电网自动化系统解决方案
服务咨询