直流系統微機絕緣監測裝置的應用與接地故障點檢測探討

介紹了WZJ-1型直流系統微機絕緣監測裝置的特點和在現場調試應用情況，通過五年來對直流系統發生的接地故障點查找實例和分析判別的運行經驗，提出運用綜合分析判別的方法快速對故障點進行定位隔離，并對微機監測裝置的實用性進行了探討，以提高水電站直流系統的運行可靠性。
　　關鍵詞：直流系統 絕緣監測 接地 微機

Application of microprocessor insulation monitoring device in DC system and Study on　detecting of fault grounding point

Zhou Erbao

(Chencun Hydropower Station of Datang Corporation,242500,Anhui,China)

　　Abstract:This paper presents characteristics and debug application on site type of WZJ-1 insulation monitoring and detecting of microprocessor device in DC system. Through five years finding example and analysis distinguish operation experiences at occur fault grounding point in DC system. Propose method of exercise analysis by synthesis take align and insulation quick on fault point. Study on applicability of microprocessor insulation monitoring device. Advance operation reliability in DC system of Hydropower Station.
　　keywords：DC system；insulation monitoring and detecting；grounding；microprocessor


1 引言
　　 水電站因廠房環境潮濕導致直流系統對地絕緣情況不太好，直流回路電纜分布廣，元器件多，故障點很難查找。當直流系統絕緣下降后，將影響機組控制系統的安全運行。對此我們進行了直流系統微機絕緣監測裝置的應用研究，目的在于快速查出故障點，及時消除隱患，提高直流系統的運行可靠性。
　　陳村水電站是目前安徽省最大的水電站，其中陳村站有3×50 MW機組，紀村站有2×17 MW機組。1998年和1999年分別在紀村站和陳村站各安裝了一臺WZJ-1型微機直流絕緣監測裝置，兩臺裝置經人工模擬接地試驗和各項技術參數實測正確后投入運行。裝置在發生直流絕緣故障時能正確反應和檢測故障點，在生產現場發揮了重要的作用。
　　造成直流系統發生接地的主要原因是：電纜或設備元器件的絕緣老化、受潮、破損以及裝置電源板發生損壞的故障。直流系統多點接地的危害：可能造成繼電保護和自動裝置誤動、拒動、燒壞繼電器接點和熔斷保險。
　　傳統查找直流接地采用拉路尋找分段處理的方法，人工解線找出故障點。在短時拉回路電源時可能因直流失電引起保護裝置或自動裝置由于抗干擾性能或故障判據的問題造成誤動跳閘，采用拉合直流支路法檢測故障點所帶來的危害是嚴重的。因此國電公司發輸電綜函[2001]238號《水電廠無人值班的若干規定》7.6.1條中指出：嚴禁在設備運行中采取切直流負荷的方法，查找和處理直流接地故障。在用500V搖表測試絕緣時，要將弱電回路全部退出，以防損壞。這種方法不能對故障點進行精確定位，使現場人員在查找直流接地時感到無從下手，困難重重。另外老式絕緣監測裝置采用電橋平衡原理的缺點是不能真正反映直流母線的絕緣，只能反映正、負母線絕緣電阻的不平衡情況，在接地檢測回路中的接地監測繼電器使母線的絕緣電阻限制在30kΩ的水平。而采用WZJ-1裝置可克服以上不足。
　　通過調研目前國內的微機直流絕緣監測裝置各有利弊，檢測原理和精度受直流系統本身特點的影響只能采用間接的方法測量，要提高檢測精度會帶來裝置的結構復雜化，對直流系統帶來不利的影響及安裝維護困難（如加裝大量的支路電流傳感器及二次接線）等，因此對微機直流絕緣監測裝置在滿足現場檢測精度要求的實用化和對故障點的綜合分析判斷處理就顯得尤其重要。本文就這方面的問題作出一些分析和探討。

2 裝置特點與現場應用
2．1 裝置原理簡介及特點
　　WZJ-1裝置主機實現在線檢測直流系統電壓及正、負母線絕緣電阻和故障判斷；當直流系統發生一點接地時投入低頻小信號振蕩器，利用便攜式直流接地點探測卡鉗表，在不拉開直流電源的情況下進行接地故障點具體位置的查找。
　　裝置利用單片機分別向直流系統正、負極自動投入一個檢測電阻，實時計算直流系統對地的絕緣電阻并顯示，異常時報警；可提高檢測靈敏度，克服絕緣監測裝置的檢測死區。為避免直流系統電纜對地分布電容較大對檢測接地電阻測量精度的影響，在原理上采用了綜合判據對分布電容的影響進行修正，使判斷接地故障準確率達100%，解決了誤判接地的問題。采用信號注入法（經電容耦合）可以準確查出故障點位置。裝置實時顯示便于及時了解直流系統的絕緣狀況，給現場運行人員提供了很大方便。
　　WZJ-1裝置主要技術指標：裝置內阻大于200kΩ，接地電阻檢測靈敏度可達20kΩ，裝置不影響直流系統的可靠運行。
2．2 裝置現場應用技術參數實測
　　在110kV旁母#410保護屏后模擬直流負極經4kΩ電阻接地，WZJ-1裝置顯示：R+＝ 72kΩ（正常時R+＝100kΩ）；R-=3kΩ （正常時R-= 98kΩ）。此時裝置上接地信號燈亮,并發出直流絕緣下降GP信號，將裝置上低頻小信號開關投入,正極燈亮,負極燈不亮,表示直流負極有接地故障。用便攜式探測接受器上的卡鉗表準確查出了接地支路和故障點。通過人工模擬直流系統接地故障，裝置反應正確，用卡鉗表可準確找出故障點位置。
　　在實際運行中若發生直流一點接地（≦20 kΩ）時，合上低頻小信號開關，檢查正極、負極自檢燈，燈滅為故障母線，由現場人員用卡鉗表即可查找接地支路的故障點位置。

3．直流接地故障點的檢測查找實例和分析判別
3．1 WZJ-1裝置在現場檢測故障情況統計
　　 WZJ-1裝置在現場投運五年來檢測的故障情況統計表如下：

3．2 WZJ-1裝置在現場檢測故障實例
　　2000年6月5日紀村站110kV#402開關控制回路絕緣下降檢測示意圖如圖1所示，開關處于分閘狀態，用卡鉗表實現了對接地故障點的精確定位，發現電容C的一端引出頭絕緣破損，更換C后正常。可見裝置對故障點查找比較方便快捷。

3．3 WZJ-1裝置提供實時信息及時發現重大設備隱患
　　2002年4月5日陳村站運行人員監盤發現“110kV#487線路開關異常”光字牌GP微亮，WZJ-1顯示R+ 24kΩ。經檢查發現系#487線路SF6開關的密度計因滲進雨水引起接點間的絕緣下降和直流系統絕緣下降。根據故障現象進行綜合分析快速查出了故障點，GP微亮說明密度計的接點絕緣已被水短路，若不及時發現危害很大。2002年4月16日暴雨時，WZJ-1顯示R+＝25kΩ；R-＝100kΩ，雨停幾小時后，R+＝50kΩ。綜合分析為天氣下雨使設備受潮引起，比原來能更清楚地觀察和反映設備的運行狀態，可以及時采取防范措施，杜絕隱患的擴大。
　　隨后檢查發現陳村站九臺110kVSF6開關（型號FXT-11型）密度計均存在接點引出電纜連接部分易受雨水侵入的隱患。SF6氣壓降低有兩對閥值接點，第一閥值報警，第二閥值禁止開關跳合閘。由于該密度計與電纜連接的接插件正上方防雨罩有縫隙，導致兩對接點易進水，引起絕緣下降，第一閥值使中控室誤發報警信號，第二閥值將閉鎖開關操作回路，在雷雨天氣線路發生故障時，會造成開關拒動，擴大事故。對此重大設備隱患及時采取了室外設備防雨水侵入的改進措施。
3．4 運用綜合分析方法快速對故障點檢測定位和隔離
　　統計表明目前直流系統絕緣下降的故障率比以前減少，而以往僅水輪機層的電纜回路、主令控制器、端子箱等絕緣受潮薄弱的地方絕緣下降故障頻繁，處理故障點很困難。通過以前現場故障的處理情況來看：接線工藝質量問題和電纜、設備老化問題較多，以前的電纜絕緣材料是橡膠，長期運行后老化嚴重，絕緣性能下降，特別是水電站的事故照明回路電纜老化嚴重。老廠要加快技術改造步伐，以提高直流系統的整體絕緣水平。
　　目前機組設備技改后采用的自動化元器件質量較好（合資或進口產品），元器件的可靠性有很大提高，密封性好，受潮及絕緣下降的情況較少發生，而以前這是最薄弱環節。新型開關設備重視了戶外端子箱的防潮設計（如ABB開關、ALSTHOM開關機構箱的防潮性能很好）使室外電氣設備絕緣受潮情況大為減少。同時將戶外端子箱的膠木端子更換為新型材料的端子后，提高了戶外環境下的電氣絕緣性能。特別是控制電纜更換后，直流系統絕緣水平有了很大提高。
　　從目前現場運行情況看：機組勵磁回路、調速回路的設備故障；開關操作回路跳、合閘線圈燒壞；裝置開關電源板故障等易引發直流接地故障。近幾年發生的直流接地故障主要是戶外高壓開關的控制回路、事故照明回路、新設備投運時因設計問題或接線問題造成的直流接地故障。為此必須有重點的做好現場技術管理工作，對薄弱環節采取防范措施。
　　通過我站近5-6年的技術改造實踐分析，新技術新材料的應用使直流系統本身的絕緣水平有了很大提高，全廠控制電纜更換為抗干擾性能好的屏蔽電纜并在二端接地后，直流系統的分布電容量也大大下降，因此直流系統的絕緣下降故障特征與以前有很大不同，主要表現為突發性的絕緣突然下降故障，而以前經常發生的直流系統絕緣多處不好或下降的情況現在很少發生。因此采用WZJ-1裝置的監測技術原理在新形勢下仍有較高的精度和實用價值，并且不至于使檢測回路過于復雜化，查找故障簡單快捷，物理概念清晰，便于現場人員掌握。通過WZJ-1裝置的實時顯示可看出現場設備絕緣電阻的一些變化規律，若引入到上位機進行綜合分析，有利于掌握現場設備的絕緣狀況。

4 裝置應用中有關問題探討
　　我站在2000年和2003年分別對陳村站、紀村站的直流系統及蓄電池進行了全部更新的技術改造，但在直流絕緣監測裝置這一塊仍保留了WZJ-1裝置，滿足了現場運行要求，節省了設備投資，但在設備接口處理上需注意以下問題。
　　陳村站因新電池屏上有直流絕緣監測回路與WZJ-1的監測回路相并聯后，導致WZJ-1顯示對地絕緣電阻為5kΩ，并發報警信號。改進辦法是將新電池屏上的直流絕緣監測裝置的對地電阻回路解除，僅使WZJ-1裝置的監測回路投入運行。紀村站新GZDW智能直流柜自帶平衡電橋繼電器式絕緣監測報警裝置，解除其監測回路不用，僅用WZJ-1裝置。
　　裝置有待改進的方面：裝置采用了AC220V電源，在倒換廠用電后須對裝置進行手動復位恢復運行，在現場采用DC220V供電比較好。建議采用高可靠性的電子開關代替進口微型繼電器切換電阻的方案來實測直流系統的對地絕緣電阻。將LED顯示器采用有源液晶顯示，可顯示更多的信息。對整定值的輸入采用EEPROM存儲，增加裝置故障診斷功能，具有故障報告存儲功能和與上位機通訊的功能。按規程要求：在直流系統絕緣下降到15-20kΩ時，裝置應能動作并報警，應將整定值由5kΩ提高到15-20kΩ較為合適。因采用切換電阻的方案來實測直流系統的對地絕緣電阻，R+、R-因并聯100kΩ后，實際的絕緣電阻大于100kΩ時也只能顯示到100kΩ。
　　由于在正常情況下低頻振蕩器不投入運行，而每年發生接地故障的次數一般不超過5次，每次的檢測時間按1小時統計，可見信號幅值較小的低頻振蕩器對直流系統的影響實際上是微不足道的。
　　我站在現場大量采用了南瑞保護公司的LFP-900型和RCS-9000型微機保護裝置，其在硬件結構上的抗干擾電容量很小。根據1994年10月IEEE文獻介紹：微機保護抗干擾電容采用0.05μf已足夠，既達到了抗干擾的目的，又不會使直流系統對地電容過大。同時控制電纜屏蔽層的二端接地也減小了直流系統的對地電容。這對現場運行的微機直流絕緣監測裝置來說可減少檢測誤差。
自從微機保護推廣應用后，現場人員對二次回路的絕緣檢測擔心試驗中高壓串入保護裝置損壞電子元器件，因而研究試行二次回路的絕緣在線監測，也是勢在必行。長期運行表明WZJ-1的實時檢測功能在現場比較實用。
　　現場運行表明：WZJ-1裝置在檢測精度、抗干擾能力、和對直流系統影響等方面可以滿足中型水電站直流系統的運行要求。

5 應用體會
　　WZJ-1型微機直流絕緣監測裝置在我站投運兩臺，裝置在現場連續運行五年未發生故障，運行穩定，在直流系統發生接地故障時反應正確，可準確找出故障點位置。裝置安裝在中控室的控制屏上，可便于運行人員隨時了解直流系統對地的絕緣情況，自投運以來受到了現場人員的歡迎。
　　對老電站直流系統絕緣監測的改進不宜采用對每個支路增加輔助磁環的檢測方式，采用WZJ-1裝置檢測較為合適。現場對所取得的效果比較滿意。在直流系統對地電容不是很大的電廠，此方案的檢測精度較高，可以滿足現場的需要。
　　有必要提出的是：由于直流系統本身的特殊性，要求絕緣監測裝置的功能首先要能正確檢測到系統絕緣下降故障，但對故障點或支路的自動并準確定點判別報警功能的技術實現遠未達到交流系統中繼電保護正確動作切除故障的技術性能，在技術原理和技術實現方法上仍有待于進一步突破。在現場為保證直流系統安全運行的行之有效的方法是：對機組控制回路絕緣老化的電纜、老舊元器件、密封性能不好的端子箱及SF6密度計、事故照明回路等進行技術更新改造；同時在設備檢修時要加強絕緣檢查工作，特別是開關機構箱內的跳、合閘線圈及其回路的絕緣情況，由于是可動部件，其故障率相對較高。通過技改使直流系統絕緣水平提高后，在發生絕緣下降的故障時反而好查故障點了，采用信號注入和卡鉗表檢測的靈敏度也會有較大提高。以前全廠絕緣水平很低，查絕緣下降故障反而無從下手，采用信號注入和卡鉗表檢測的靈敏度也較低。通過總結現場的運行經驗和采用技術先進的微機監測裝置二者相結合將會進一步提高直流系統的安全運行水平。
　　WZJ-1在現場對故障點的檢測結果全部正確，從沒有發生誤報警的現象。但磁環支路型據了解存在誤報警的問題，在原理判據上可能仍存在不足之處，有待于進一步完善改進。對于公用-XM的音響小母線信號回路，若發生信號回路絕緣下降，必須每個支路、回路逐一檢查，即使采用磁環支路報警也不能解決。因此微機直流絕緣監測裝置配合便攜式探測卡鉗表是目前在現場查找直流系統接地故障點的最有效的檢測設備。