水力发电厂直流系统故障分析与处理
中国长江电力股份有限公司的研究人员董德、魏林邦、江雨、刘胜利、曹铁山，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，水力发电厂直流系统是控制系统、继电保护及自动装置的工作电源，是机组安全稳定运行的重要保证。通过对直流系统接地检测原理的比较，探索直流系统接地故障的查找分析方法，以及如何处理发电厂直流系统的接地故障等问题。
本文从直流系统接地检测原理出发，结合具体案例探讨了运用现有检测手段对直流系统接地故障查找的可行性，对直流系统安全稳定运行具有重要意义。
水力发电厂直流系统主要为保护、控制、调速器、测量、励磁、事故照明等提供操作电源。直流系统的可靠与否，对发电厂的安全稳定运行起着至关重要的作用，是发电厂正常运行的重要保证。当发生直流一点接地时，并不会对直流系统带来重要影响，其危害主要在于此时再有一点接地，除会造成保护装置、安稳装置、控制系统、操作机构等误动、拒动外，还可能造成直流回路保险的熔断，使保护及自动装置等的控制回路失去电源，在复杂保护回路中同极两点接地，还可能将某些电器短接，不能动作跳闸，致使越级跳闸，造成事故扩大，所以直流系统接地故障检测作为系统正常运行的保证正在日益受到关注[1][2]。
1直流系统接地检测原理
1.1母线检测原理（略）
1)平衡电桥检测法
图1 平衡电桥检测原理图
2)不平衡电桥检测法
1.2 支路检测原理
1)交流法
较早的绝缘监测仪对支路电阻检测基本上都采用了小信号注入法，即当母线检测接地异常时，将一个约5～10V，10～20Hz的低频信号注入母线，交流CT通过锁相技术等方式便可检测到不平衡电流即漏电流，然后再通过数据线将检测信号送至主机做响应处理。图3为交流法支路检测原理图。
图3 交流法支路检测原理图
由于向直流母线注入交流信号，容易引起设备误动或干扰设备，检测精度受接地电容影响，不能识别母线接地极性，已经逐渐被淘汰。
2)直流法
采用直流有源CT，不需注入交流信号。当出现接地时，直流CT将直流漏电流变换为0-5V或4-20mA的电信号上传接地监测仪。缺点是成本高于交流CT，环境温度和工作电压的波动影响测量精度[3]。
2直流系统接地故障处理原则
目前水电厂检测判断直流接地的方法及处理原则一般是：1）首先分析直流回路上是否有工作或因漏水等原因造成接地故障；2）检查绝缘监测仪是否正常，运行中对绝缘监测仪进行复位重启，对比复位前后的报警信号；3）在检测过程中，先检测直流母线电压，确认是否系统接地。
总的来说，应遵循先室外后室内、先备用机组后运行机组、先次要负荷后重要负荷、先双路负荷再单路负荷最后环路负荷的原则，用监控器或绝缘监测仪检查是否存在支路接地及接地支路号。
在需分/合负荷开关选择直流接地时，做好防止相关装置误动的安全措施，若支路无接地，则可判断接地点在母线侧，直流母线元件作重点检查，若支路有接地，则应对接地支路作重点检查，找出接地点（注意防止在查找接地点过程中发生第二点直流接地）。并应在找出接地点后，做好隔离措施，及时消除接地点。
直流系统接地，首先运用固定式绝缘监测仪（直流CT测漏电流，如原理1.2 2）中所提到的）巡检接地支路。其优点是不用在直流系统中添加其他设备，不会对直流系统本身带来干扰，缺点是检测精度受环境和系统电压波动的影响，对于存在环路（电厂机组直流多条负荷支路存在二极管环路；某些机组励磁调节器存在二极管环路）负荷的直流系统，固定式绝缘监测仪无法准确测量出接地支路，常常会误报出多条支路接地的现象。目前厂内普遍采用的WJY3000A型微机绝缘监测仪基本原理如下图4。
图4 WJY3000A原理框图
母线电压检测电桥可在平衡电桥和非平衡电桥之间人工选择，母线电压检测采用独立的双积分型A/D转换器，检测速度快。WJY3000A型绝缘监测仪所配CT与上述（1.2支路检测原理中提到）的交流CT和普通的直流有源CT两种方式已有了较明显的变化，每个CT内含CPU，漏电流在CT内直接转换为数字量，由CPU通过串行口上传至绝缘监测仪主机。
数字滤波采用256次的平均值，测量精度高，抗干扰能力强。CT自身保存校准值，CT测量精度与主机性能无关。由于检测的是波形相对变化量，所以电源的波动不影响检测精度。
当该绝缘检测仪在实际应用过程中出现问题，可采用逐个断开负荷开关，观察正负母线对地电压是否恢复正常来确定接地支路。其优点是简单、明确，缺点是针对负荷比较重要不能停电或者停电措施很复杂的系统而言就不适用了，且不能确定接地点的具体位置。
另外还可以采用便携式接地仪来检测接地支路。其优点是能够比较准确的查找出接地支路甚至接地点的位置，缺点是采用注入一低频交流电源的方式进行检测可能干扰设备的正常运行，导致设备误动作。考虑到电厂安全可靠运行的重要性，建议谨慎使用便携式接地仪进行接地支路检测，防止发生误跳闸[4]。
3直流系统断电危险源分析与统计
当前我厂每套直流系统均采用两组充电机两组蓄电池双母线无降压装置结构，两组充电机两组蓄电池双母线接线。正常操作时需要注意事项有：1）充电机不能单独带母线运行；2）两组蓄电池不能并联运行。
每段直流负荷有：机组保护电源、励磁操作电源、调速器PG1柜电源、主变控制电源、纯水控制电源、电气制动、快速门、水机后备（II段上）、调速器PG2柜（II段上）。电厂直流系统典型接线方式如下图5。
图5 直流系统配置图
在采用断开负荷开关查找接地点过程中，应始终注意相应机组危险源的分析。尤其不能造成运行过程中的机组保护及控制直流失电。直流母线短时失电危险源分析如下：
1）机组保护误动危险源分析
根据《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》要求，机组保护均为两套保护独立一路电源[5]。以X#机组为例：X#机组检修期间对发变组保护盘的电源回路进行了技改，改造后PR1盘的985GW发电机保护、985TW变压器保护均由直流盘Q101供电。
但PR1盘上20HZ定子接地信号发生器电源由直流盘上Q101、Q201两路经9665直流切换装置供电，PR2盘仅由直流盘Q202供电，PR3盘由Q102、Q202经9665供电。如下图6所示。
如果一段直流消失，相当于一套主保护退出，此时在进行直流母线联络运行操作前，应先申请调度退出失电保护装置的保护连片，待联络正常后，观察保护装置无异常后，申请调度加用保护连片。否则，相当于保护装置掉电重启，保护存在误动作的风险。
图6 保护系统电源配置图
2）水机后备保护误动作风险分析
虽然，水机后备保护失电后误动作风险很小，但是防止二次回路上电回路紊乱，应退出水机后备保护连片。
3）调速器危险源分析
调速器直流有三路：两路到调速器电气柜，一路到液压系统控制柜。调速器电气柜一路交流输入为主用，两路直流输入为备用；液压系统控制柜一路交流输入为主用，一路直流输入为备用。故调速器部分风险较小。
4 故障案例分析
值班期间监控系统报：直流系统故障、X#机组直流系统I段直流系统接地、X#机组直流系统II段直流系统接地，随即复归。
现场检查X#机组直流绝缘监测仪显示：I段正母线对地电压40V，负母线对地电压-190V，正母线对地绝缘17KΩ，负母线对地绝缘999KΩ；II段正母线对地电压180V，负母线对地电压-50V，正母线对地绝缘999KΩ，负母线对地绝缘18KΩ，且上述示值均呈不规律变化。I、II段正负母线对地绝缘值交替显示绝缘有降低，但所有支路绝缘均未报警（初步判读为非金属性接地，故监测仪未判断到具体接地支路）。
检查该直流系统所带相关机组单控室绝缘监测仪情况与上述一致（正常时绝缘监测仪状态：正负控母线绝缘999K，正、负母线电压110V。母线有接地时，绝缘及电压数值均降低）。
现场处理故障，遵照处理原则选择接地线时有个反复验证的过程，比如断开某开关后，接地消失了，再合上、断开该开关一次后，仍会显示接地存在，这很可能是监测仪自身的缺陷导致的，此时将绝缘监测仪重启，接地就会消失。
发生直流系统接地后，出现接地信号在接地点断开后还不能复归的现象，系因直流系统盘柜上的绝缘监测装置自身缺陷导致进入报警死循环，可将绝缘监测仪断电重启，即可恢复正常。因此，要通过绝缘监测仪判断是否有接地，要及时进行重启，以免造成误判断。
检查接地故障时所做的安全措施包括：监控系统相应机组保护画面机械事故及电气事故软连片退出；发电机出口开关失灵保护退出；两路总直流开关可以同时断开。运行中的机组，断开关时必须要保证有一路变压器保护和冷却器直流电源合闸，同时要考虑机组中其他重点供电负荷是否存在失电风险（如以上3直流系统断电危险源分析所述）。具体处理流程可参见图7所示。
图7 故障处理流程图
综合考虑上述因素，现场最先检查出X#机组单控室直流母线绝缘较低，其他相关机组正常，由于绝缘降低需要个过程，故初步判断故障点很可能就在最开始机组直流绝缘有降低的那台机组，即X#机组。当时因为两段直流母线的正负母线交替且不规则的均报接地，给判断造成了一定干扰，怀疑是绝缘监测仪本身的问题。
后来经过重启观察，大部分时间是X#机组II段负控母线绝缘降低。将绝缘监测仪接线甩开后单独测量母线电压，负控母线的电压确有降低，约为-48V左右（正常的母线电压应是正、负110V）。通过单独测量母线电压的方法更准确地验证接地点。
检查出故障后恢复时应注意：转子接地保护装置上电需先交流后直流，励磁盘柜有信号需要复归，400V BZT因直流消失会退出，应及时恢复。查找接地过程中，防止保护设备误动。同时注意防止在查找接地点过程中发生第二点直流接地。利用便携式接地仪来检测接地支路时，需防止注入的低频交流电源干扰设备的正常运行，导致设备误动作。
5 结论
水力发电厂直流系统运行正常对机组的安全稳定运行至关重要，发生直流接地不仅会造成保护装置误动、拒动，甚至会造成相关事故的扩大。本文结合直流系统接地检测原理提出直流系统接地检测的相关方法，并根据此原则及处理方法考虑在执行过程中涉及到的相关问题，通过结合实际工作中的直流系统故障案例的解决论证了该原则方案的可行性。实际运行效果良好，具备较好的工程实用价值。