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直流绝缘系统原理


直流绝缘监察装置原理分析及直流 系统接地异常处理的技术工作报告

撰稿人:姚 蓉 盐都供电公司

直流绝缘监察装置原理分析及直流 系统接地异常处理的技术工作报告
盐都供电公司 姚蓉
发电厂和变电所的直流系统比较复杂,而且通过电缆线 路与屋外配电装置的端子箱、操作机构等相连接,发生接地 的机会较多。直流系统发生一点接地时

,由于没有短路电流 流过,熔断器不会熔断,仍能继续运行。但是这种接地故障 必须及早发现,否则当发生另一点接地时,有可能引起信号 回路、控制回路、继电保护回路和自动装置回路的不正确动 作。例如在图 1 所示的控制回路图中,当 A 点存在一点接地 故障,而后又在 B 点发生一点接地时,断路器的跳闸线圈中 就会有电流流过,而引起误跳闸。可见装设经常性的直流系 统绝缘监察装置是十分必要的。 + KK
6 7

DL B BCJ TQ

A

图1

两点接地所引起的误跳闸情况

目前在发电厂和变电所中广泛采用的直流系统绝缘监 察装置的原理图如 2(C)所示,这种装置能在绝缘电阻低于规

定值时,自动的发出灯光和音响信号,并且可以利用它分辨 出哪一极的绝缘电阻降低,还可以测出对地的总的绝缘电阻 值,然后通过换算可以确定出正负极的绝缘电阻值。 + R1 R2

XJJ

R+

R-

+

XJJ 图 2(a)信号部分

发信号

+ 1 2 1 2

○ ○ ○ ○ R xR R+
V

R

ZK R (1-x)R R-

图 2(b)测量部分 +

-

+ XJJ

发信号

102 102 ○ ○ ○ ○ ZK R R R

V

图 2(c)整组原理接线图 图2 绝缘监察装置原理图

整个装置可分为信号和测量两部分,都是根据直流电桥 的工作原理构成的。图 2(a)为信号部分的原理图,其主要 组成元件为电阻 R1、R2 和信号继电器 XJJ。电阻 R1 与 R2 数值相等,并与直流系统正、负极对地绝缘电阻 R+和 R-组 成电桥的四个臂,继电器 XJJ 则接于电桥的对角线上,相当 于直流电桥中检流计的位置。正常状态下直流母线正、负极 的对地绝缘电阻 R+与 R-相等,继电器 XJJ 线圈中只有微小 的不平衡电流流过,继电器不动作。当某一极的绝缘电阻下 降时,电桥失去平衡,继电器的线圈中即有电流通过,当此 电流足够大时,继电器 XJJ 动作,其常开触点闭合,发出预 告信号。下面用具体计算说明:

当电桥失去平衡时,加在继电器 XJJ 上的电压可利用电 桥对角线上电压的计算公式求得。即 Uj= U[R+/(R++R-)-R1/(R1+R2)]Rj/ [R+R-/(R++R-)+Rj+R1R2/(R1+R2)] 式中 U—直流母线电压 Rj—继电器线圈的电阻 由于 R1=R2=R,所以上式可化简为 Uj= U[R+/(R++R-)-0.5]Rj/ [R+R-/(R++R-)+Rj+0.5R] 于是,流过继电器 XJJ 线圈中的电流为 Ij= U[R+/(R++R-)-0.5] / [R+R-/(R++R-)+Rj+0.5R] 或改写成 Ij= U(R+-R-)/[2R+R-+(R++R-)(2Rj+R)] 可见,当 R+=R-时,Ij=0。 由于在这种绝缘监察装置中有一个人工的接地点,这样 当直流网络中其它任何地方发生一点接地时,将形成电流通 路, 如图 3 所示。 为了防止电流足以引起其它继电器误动作, 要求绝缘监察继电器 XJJ 的线圈具有足够大的电阻值,对 220kV 直流系统一般选用 Rj=30 千欧,其启动电流为 1.4 毫 安。于是为了安全起见,其它继电器的起动电流都应选择大 于 1.4 毫安的数值,在 220V 直流系统中当任一极的绝缘电 (4) (3) (2) (1)

阻下降到 15-20 千欧时, 这种绝缘监察装置可立即发出信号。

+ R1
XJJ

R2

R+

R-

XJJ

J

图3

当直流系统发生一点接地时通过 绝缘监察装置形成的电流通路

测量部分由三个数值相等的电阻、一个电压表和一个切 换开关所组成,见图 2(b) ,三个电阻中有一个是带有滑动 触头的电位计,平时切换开关 ZK 是断开的,电位计的滑动 触头放在中间位置上。如果直流系统两极对地的绝缘电阻相 等,则电桥处于平衡状态,电压表 V 上的指示为零。当某一 极的绝缘遭到破坏,信号部分发出预告后,值班人员可根据 发生故障部分的极性,将转换开关投至 1 或 2 的位置,假设 负极绝缘电阻 R-降低,则在测量之前,应先将切换开关 ZK 放在 2 的位置上,使与负极连接的电阻 R 短路,然后调节

电位计的滑动触头,使电压表的指示为零。此时电桥处于一 个新的平衡状态,即

(R+xR)/R+ =(1-x)R/R于是得 R+/(R++R-) =(R+xR)/[(R+xR)+(1-x)R]=(1+x)/2 式中 x----电位计电阻刻度的百分值

(5)

(6)

如何保持电位计滑动触头的位置不变,而将 ZK 切换至 1 的位置,则加在电压表上的电压可利用式(1)求出。此时 Rj 应该用电压表的内阻 Rv 代替,并且 R1=xR,R2=(2-x)R, R1+R2=2R,可得 Uv= U[R+/(R++R-)-xR/2R]Rv/ [R+R-/(R++R-)+Rv+xR(2-x)R/2R] (7)

考虑到,R+R-/(R++R-)为直流系统对地的总绝缘电阻, 并用 RΣ 表示。将式(6)代入,则得 Uv= 0.5URv/[ R∑+Rv+ (1-0.5x)xR] (8)

R 数值比 R∑及 Rv 小得多,可以略去不计。故可简化为 Uv= 0.5URv/(R∑+Rv) (9)

因为 U 和 Rv 都是长常数, 所以 Uv 的数值与 R∑成反比关系, 在电压表上可直接按下式 Rv= 0.5Rv/(U/Uv-2) (10)

刻成欧姆数。通常在绝缘监察电压表盘面上画有电压和电阻 两种刻度,其中电阻刻度应与直流母线的额定电压相对应。 由于电压表 V 测量的是直流系统正负母线对的总绝缘 电阻 R∑,为了知道每极的对地电阻需要进行换算:

当负极绝缘电阻降低时(ZK 先投在 2 的位置) ,根据式 (5)得 R+=(1+x)R-/(1-x) 将其代入式 R∑= R+R-/(R++R-)中,可得 R-=[2/(1+x)] R∑ (12) (11)

R+=[2/(1-x) ]R∑

同理,当正极绝缘电阻降低时(ZK 先投在 1 的位置) , 可得 R+=[2/(2-x)] R∑ R-= (2/x) R∑ (13)

目前许多变电所都新装设了直流系统接地监测仪,其根 本原理基本同上述相同,它更适用于变电所直流系统的监 察,能够较准确地判别哪一条线路接地。

处理直流系统接地事例
2009 年 6 月 6 日 12 点 40 分,监控中心值班员报告 kV 秦南变直流系统接地,值班员测得直流正极对地电压为 +160V,负极对地电压为-59V。 经过对值班员报告的上述信息的分析,认为直流系统负 极不完全接地,但具体是直流母线接地还是线路直流接地还 不清楚。为了弄清直流系统接地的现象及原因以便进行处 理,我们到秦南变电所现场进行检查。 到达秦南变电所后,我们在主控室直流馈线屏的直流接 地监测仪上看到直流正极对地电压为+160V,负极对地电压 为-59V,接地监测仪显示母线接地。为了进一步确认,我们

又用万用表在各个线路及直流充电屏、直流馈线屏测得直流 正、 负极对地电压均为上述数值, 说明直流母线确实有接地。 经过现场认真、仔细的分析,我们认为主控室内直流母 线接地的可能性很小, 35kV 开关场地及 10kV 高压室直流系 统接地的可能性较大。因为近几天连续下雨,35kV 开关场 地及 10kV 高压室比较潮湿,可能有某一部位对地绝缘不良 而造成直流系统接地。 而后, 又对 35kV 开关场及 10kV 高压室进一步分析认为 10kV 高压室直流系统接地的机会更大, 由于 10kV 高压室地 势比较低,当时积存的水位比较高,这对主合闸电缆的绝缘 一定有很大影响。 基于上述原因,我们初步认为 10kV 高压室主合闸电缆 对地绝缘不良是造成直流系统接地的原因。 经过调度批准,将主控室直流馈线屏上的 10kV 主合闸 I 段直流控制开关及 10kV 主合闸 II 段直流控制开关断开后, 直流系统接地信号消除,正、负极对地电压逐渐恢复正常, 这说明直流系统接地是由 10kV 主合闸直流回路接地造成 的。 此情况向调度汇报后,申请将主控室直流馈线屏上的 10kV 主合闸 I 段直流控制开关及 10kV 主合闸 II 段直流控制 开关断开,以便对异常进行处理。 造成直流系统异常的原因弄清楚后,我们进入 10kV 高

压室进行处理。 由于 10kV 主合闸直流回路是由两侧环网的,为了缩小 工作量,我们采用“二分法”进行查找,首先拆开中间位置 开关柜的主合闸电缆,然后用摇表分别对环网的两侧测量绝 缘,对绝缘不良的一侧再采用“二分法” ,最后查出 10kV 砖 瓦线与 10kV 朝阳线之间的主合闸电缆绝缘均不良,开关柜 位置如图 4 所示。

10 kV 秦 义 线 开 关 柜

10 kV 秦 轧 线 开 关 柜

2 号 主 变 10 kV 开 关 柜

10 kV 2 号 电 容 器 开 关 柜

10 kV 秦 北 线 开 关 柜

图4

开关柜位置图

经过研究, 决定更换 10kV 秦北线开关柜与 10kV 秦义线 开关柜之间的主合闸电缆。 由于 10kV 秦轧线开关、2 号主变 10kV 开关、10kV2 号

电容器开关原处于冷备用与停用状态,因此处理此异常时只 要 10kV 秦北线与 10kV 秦义线用 10kV 秦东线开关带出就可 以了。 根据工作需要做好各项安全措施,工作前将主控室直流 馈线屏上的 10kV 主合闸 I 段直流控制开关及 10kV 主合闸 II 段直流控制开关断开,使工作地点主合闸电缆接线端子失去 电压,以确保工作人员的人身安全。 原来绝缘不良的电缆更换为绝缘良好的新电缆,将各个 开关柜主合闸电缆接好联网后,用摇表测量正极对地、负极 对地及正、负极之间的绝缘。 绝缘良好后,投入主控室直流馈线屏上的 10kV 主合闸 I 段直流控制开关, 10kV 主合闸 II 段直流控制开关在断开位 置,用万用表在 10kV 主合闸 II 段直流控制开关输入及输出 端子测量直流电压,进一步确证接线的正确性。 直流系统接地异常处理完毕后,投入 10kV 主合闸 I 段 直流控制开关及 10kV 主合闸 II 段直流控制开关。 10kV 秦义线与 10kV 秦北线恢复正常运行方式。 直流系统接地是各个变电所出现较多的异常现象,它严 重地影响系统的正常运行,可能造成保护拒动或误动。直流 系统接地的查找和处理是一项比较烦琐的工作,需要仔细的 分析,不能盲目处理,应根据运行方式、操作情况、气候影 响进行判断可能接地的处所,采取拉路寻找、分段处理的方

法,以先信号和照明部分后操作部分,先室外部分后室内部 分为原则进行处理。

总结
直流系统是电网正常运行的根本,它的好坏直接影响到 电网能否稳定运行。为了使控制回路、信号回路、继电保护 和自动装置回路能够有可靠的操作电源,各发电厂和变电所 一般都装有电压稳定、容量足够大的直流电源,以保证在电 力系统发生事故时,甚至在全所交流电源全部停电的情况 下,仍能保证控制、信号、继电保护和自动装置能够连续可 靠的工作。因此,直流系统的检修和维护是非常必要的,当 直流系统发生故障时,应尽快地进行排查和处理,以免酿成 电网事故。


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