直流系統(tǒng)微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用與接地故障點(diǎn)檢測(cè)探討

介紹了WZJ-1型直流系統(tǒng)微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的特點(diǎn)和在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)用情況，通過(guò)五年來(lái)對(duì)直流系統(tǒng)發(fā)生的接地故障點(diǎn)查找實(shí)例和分析判別的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出運(yùn)用綜合分析判別的方法快速對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位隔離，并對(duì)微機(jī)監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性進(jìn)行了探討，以提高水電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
　　關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng) 絕緣監(jiān)測(cè) 接地 微機(jī)

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(huán)境潮濕導(dǎo)致直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣情況不太好，直流回路電纜分布廣，元器件多，故障點(diǎn)很難查找。當(dāng)直流系統(tǒng)絕緣下降后，將影響機(jī)組控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。對(duì)此我們進(jìn)行了直流系統(tǒng)微機(jī)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的應(yīng)用研究，目的在于快速查出故障點(diǎn)，及時(shí)消除隱患，提高直流系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)組，紀(jì)村站有2×17 MW機(jī)組。1998年和1999年分別在紀(jì)村站和陳村站各安裝了一臺(tái)WZJ-1型微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置，兩臺(tái)裝置經(jīng)人工模擬接地試驗(yàn)和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)實(shí)測(cè)正確后投入運(yùn)行。裝置在發(fā)生直流絕緣故障時(shí)能正確反應(yīng)和檢測(cè)故障點(diǎn)，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮了重要的作用。
　　造成直流系統(tǒng)發(fā)生接地的主要原因是：電纜或設(shè)備元器件的絕緣老化、受潮、破損以及裝置電源板發(fā)生損壞的故障。直流系統(tǒng)多點(diǎn)接地的危害：可能造成繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)、燒壞繼電器接點(diǎn)和熔斷保險(xiǎn)。
　　傳統(tǒng)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(diǎn)。在短時(shí)拉回路電源時(shí)可能因直流失電引起保護(hù)裝置或自動(dòng)裝置由于抗干擾性能或故障判據(jù)的問(wèn)題造成誤動(dòng)跳閘，采用拉合直流支路法檢測(cè)故障點(diǎn)所帶來(lái)的危害是嚴(yán)重的。因此國(guó)電公司發(fā)輸電綜函[2001]238號(hào)《水電廠無(wú)人值班的若干規(guī)定》7.6.1條中指出：嚴(yán)禁在設(shè)備運(yùn)行中采取切直流負(fù)荷的方法，查找和處理直流接地故障。在用500V搖表測(cè)試絕緣時(shí)，要將弱電回路全部退出，以防損壞。這種方法不能對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，使現(xiàn)場(chǎng)人員在查找直流接地時(shí)感到無(wú)從下手，困難重重。另外老式絕緣監(jiān)測(cè)裝置采用電橋平衡原理的缺點(diǎn)是不能真正反映直流母線的絕緣，只能反映正、負(fù)母線絕緣電阻的不平衡情況，在接地檢測(cè)回路中的接地監(jiān)測(cè)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(guò)調(diào)研目前國(guó)內(nèi)的微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置各有利弊，檢測(cè)原理和精度受直流系統(tǒng)本身特點(diǎn)的影響只能采用間接的方法測(cè)量，要提高檢測(cè)精度會(huì)帶來(lái)裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，對(duì)直流系統(tǒng)帶來(lái)不利的影響及安裝維護(hù)困難（如加裝大量的支路電流傳感器及二次接線）等，因此對(duì)微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置在滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度要求的實(shí)用化和對(duì)故障點(diǎn)的綜合分析判斷處理就顯得尤其重要。本文就這方面的問(wèn)題作出一些分析和探討。

2 裝置特點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
2．1 裝置原理簡(jiǎn)介及特點(diǎn)
　　WZJ-1裝置主機(jī)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)直流系統(tǒng)電壓及正、負(fù)母線絕緣電阻和故障判斷；當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)投入低頻小信號(hào)振蕩器，利用便攜式直流接地點(diǎn)探測(cè)卡鉗表，在不拉開(kāi)直流電源的情況下進(jìn)行接地故障點(diǎn)具體位置的查找。
　　裝置利用單片機(jī)分別向直流系統(tǒng)正、負(fù)極自動(dòng)投入一個(gè)檢測(cè)電阻，實(shí)時(shí)計(jì)算直流系統(tǒng)對(duì)地的絕緣電阻并顯示，異常時(shí)報(bào)警；可提高檢測(cè)靈敏度，克服絕緣監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)死區(qū)。為避免直流系統(tǒng)電纜對(duì)地分布電容較大對(duì)檢測(cè)接地電阻測(cè)量精度的影響，在原理上采用了綜合判據(jù)對(duì)分布電容的影響進(jìn)行修正，使判斷接地故障準(zhǔn)確率達(dá)100%，解決了誤判接地的問(wèn)題。采用信號(hào)注入法（經(jīng)電容耦合）可以準(zhǔn)確查出故障點(diǎn)位置。裝置實(shí)時(shí)顯示便于及時(shí)了解直流系統(tǒng)的絕緣狀況，給現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員提供了很大方便。
　　WZJ-1裝置主要技術(shù)指標(biāo)：裝置內(nèi)阻大于200kΩ，接地電阻檢測(cè)靈敏度可達(dá)20kΩ，裝置不影響直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
2．2 裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)參數(shù)實(shí)測(cè)
　　在110kV旁母#410保護(hù)屏后模擬直流負(fù)極經(jīng)4kΩ電阻接地，WZJ-1裝置顯示：R+＝ 72kΩ（正常時(shí)R+＝100kΩ）；R-=3kΩ （正常時(shí)R-= 98kΩ）。此時(shí)裝置上接地信號(hào)燈亮,并發(fā)出直流絕緣下降GP信號(hào)，將裝置上低頻小信號(hào)開(kāi)關(guān)投入,正極燈亮,負(fù)極燈不亮,表示直流負(fù)極有接地故障。用便攜式探測(cè)接受器上的卡鉗表準(zhǔn)確查出了接地支路和故障點(diǎn)。通過(guò)人工模擬直流系統(tǒng)接地故障，裝置反應(yīng)正確，用卡鉗表可準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)位置。
　　在實(shí)際運(yùn)行中若發(fā)生直流一點(diǎn)接地（≦20 kΩ）時(shí)，合上低頻小信號(hào)開(kāi)關(guān)，檢查正極、負(fù)極自檢燈，燈滅為故障母線，由現(xiàn)場(chǎng)人員用卡鉗表即可查找接地支路的故障點(diǎn)位置。

3．直流接地故障點(diǎn)的檢測(cè)查找實(shí)例和分析判別
3．1 WZJ-1裝置在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)故障情況統(tǒng)計(jì)
　　 WZJ-1裝置在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)五年來(lái)檢測(cè)的故障情況統(tǒng)計(jì)表如下：

3．2 WZJ-1裝置在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)故障實(shí)例
　　2000年6月5日紀(jì)村站110kV#402開(kāi)關(guān)控制回路絕緣下降檢測(cè)示意圖如圖1所示，開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)，用卡鉗表實(shí)現(xiàn)了對(duì)接地故障點(diǎn)的精確定位，發(fā)現(xiàn)電容C的一端引出頭絕緣破損，更換C后正常?？梢?jiàn)裝置對(duì)故障點(diǎn)查找比較方便快捷。

3．3 WZJ-1裝置提供實(shí)時(shí)信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)重大設(shè)備隱患
　　2002年4月5日陳村站運(yùn)行人員監(jiān)盤(pán)發(fā)現(xiàn)“110kV#487線路開(kāi)關(guān)異?！惫庾峙艷P微亮，WZJ-1顯示R+ 24kΩ。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)系#487線路SF6開(kāi)關(guān)的密度計(jì)因滲進(jìn)雨水引起接點(diǎn)間的絕緣下降和直流系統(tǒng)絕緣下降。根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析快速查出了故障點(diǎn)，GP微亮說(shuō)明密度計(jì)的接點(diǎn)絕緣已被水短路，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)危害很大。2002年4月16日暴雨時(shí)，WZJ-1顯示R+＝25kΩ；R-＝100kΩ，雨停幾小時(shí)后，R+＝50kΩ。綜合分析為天氣下雨使設(shè)備受潮引起，比原來(lái)能更清楚地觀察和反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以及時(shí)采取防范措施，杜絕隱患的擴(kuò)大。
　　隨后檢查發(fā)現(xiàn)陳村站九臺(tái)110kVSF6開(kāi)關(guān)（型號(hào)FXT-11型）密度計(jì)均存在接點(diǎn)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(duì)閥值接點(diǎn)，第一閥值報(bào)警，第二閥值禁止開(kāi)關(guān)跳合閘。由于該密度計(jì)與電纜連接的接插件正上方防雨罩有縫隙，導(dǎo)致兩對(duì)接點(diǎn)易進(jìn)水，引起絕緣下降，第一閥值使中控室誤發(fā)報(bào)警信號(hào)，第二閥值將閉鎖開(kāi)關(guān)操作回路，在雷雨天氣線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，擴(kuò)大事故。對(duì)此重大設(shè)備隱患及時(shí)采取了室外設(shè)備防雨水侵入的改進(jìn)措施。
3．4 運(yùn)用綜合分析方法快速對(duì)故障點(diǎn)檢測(cè)定位和隔離
　　統(tǒng)計(jì)表明目前直流系統(tǒng)絕緣下降的故障率比以前減少，而以往僅水輪機(jī)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(diǎn)很困難。通過(guò)以前現(xiàn)場(chǎng)故障的處理情況來(lái)看：接線工藝質(zhì)量問(wèn)題和電纜、設(shè)備老化問(wèn)題較多，以前的電纜絕緣材料是橡膠，長(zhǎng)期運(yùn)行后老化嚴(yán)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(yán)重。老廠要加快技術(shù)改造步伐，以提高直流系統(tǒng)的整體絕緣水平。
　　目前機(jī)組設(shè)備技改后采用的自動(dòng)化元器件質(zhì)量較好（合資或進(jìn)口產(chǎn)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(fā)生，而以前這是最薄弱環(huán)節(jié)。新型開(kāi)關(guān)設(shè)備重視了戶外端子箱的防潮設(shè)計(jì)（如ABB開(kāi)關(guān)、ALSTHOM開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱的防潮性能很好）使室外電氣設(shè)備絕緣受潮情況大為減少。同時(shí)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(huán)境下的電氣絕緣性能。特別是控制電纜更換后，直流系統(tǒng)絕緣水平有了很大提高。
　　從目前現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況看：機(jī)組勵(lì)磁回路、調(diào)速回路的設(shè)備故障；開(kāi)關(guān)操作回路跳、合閘線圈燒壞；裝置開(kāi)關(guān)電源板故障等易引發(fā)直流接地故障。近幾年發(fā)生的直流接地故障主要是戶外高壓開(kāi)關(guān)的控制回路、事故照明回路、新設(shè)備投運(yùn)時(shí)因設(shè)計(jì)問(wèn)題或接線問(wèn)題造成的直流接地故障。為此必須有重點(diǎn)的做好現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理工作，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)采取防范措施。
　　通過(guò)我站近5-6年的技術(shù)改造實(shí)踐分析，新技術(shù)新材料的應(yīng)用使直流系統(tǒng)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(tǒng)的分布電容量也大大下降，因此直流系統(tǒng)的絕緣下降故障特征與以前有很大不同，主要表現(xiàn)為突發(fā)性的絕緣突然下降故障，而以前經(jīng)常發(fā)生的直流系統(tǒng)絕緣多處不好或下降的情況現(xiàn)在很少發(fā)生。因此采用WZJ-1裝置的監(jiān)測(cè)技術(shù)原理在新形勢(shì)下仍有較高的精度和實(shí)用價(jià)值，并且不至于使檢測(cè)回路過(guò)于復(fù)雜化，查找故障簡(jiǎn)單快捷，物理概念清晰，便于現(xiàn)場(chǎng)人員掌握。通過(guò)WZJ-1裝置的實(shí)時(shí)顯示可看出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備絕緣電阻的一些變化規(guī)律，若引入到上位機(jī)進(jìn)行綜合分析，有利于掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的絕緣狀況。

4 裝置應(yīng)用中有關(guān)問(wèn)題探討
　　我站在2000年和2003年分別對(duì)陳村站、紀(jì)村站的直流系統(tǒng)及蓄電池進(jìn)行了全部更新的技術(shù)改造，但在直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置這一塊仍保留了WZJ-1裝置，滿足了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求，節(jié)省了設(shè)備投資，但在設(shè)備接口處理上需注意以下問(wèn)題。
　　陳村站因新電池屏上有直流絕緣監(jiān)測(cè)回路與WZJ-1的監(jiān)測(cè)回路相并聯(lián)后，導(dǎo)致WZJ-1顯示對(duì)地絕緣電阻為5kΩ，并發(fā)報(bào)警信號(hào)。改進(jìn)辦法是將新電池屏上的直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置的對(duì)地電阻回路解除，僅使WZJ-1裝置的監(jiān)測(cè)回路投入運(yùn)行。紀(jì)村站新GZDW智能直流柜自帶平衡電橋繼電器式絕緣監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，解除其監(jiān)測(cè)回路不用，僅用WZJ-1裝置。
　　裝置有待改進(jìn)的方面：裝置采用了AC220V電源，在倒換廠用電后須對(duì)裝置進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位恢復(fù)運(yùn)行，在現(xiàn)場(chǎng)采用DC220V供電比較好。建議采用高可靠性的電子開(kāi)關(guān)代替進(jìn)口微型繼電器切換電阻的方案來(lái)實(shí)測(cè)直流系統(tǒng)的對(duì)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(duì)整定值的輸入采用EEPROM存儲(chǔ)，增加裝置故障診斷功能，具有故障報(bào)告存儲(chǔ)功能和與上位機(jī)通訊的功能。按規(guī)程要求：在直流系統(tǒng)絕緣下降到15-20kΩ時(shí)，裝置應(yīng)能動(dòng)作并報(bào)警，應(yīng)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(lái)實(shí)測(cè)直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻，R+、R-因并聯(lián)100kΩ后，實(shí)際的絕緣電阻大于100kΩ時(shí)也只能顯示到100kΩ。
　　由于在正常情況下低頻振蕩器不投入運(yùn)行，而每年發(fā)生接地故障的次數(shù)一般不超過(guò)5次，每次的檢測(cè)時(shí)間按1小時(shí)統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)信號(hào)幅值較小的低頻振蕩器對(duì)直流系統(tǒng)的影響實(shí)際上是微不足道的。
　　我站在現(xiàn)場(chǎng)大量采用了南瑞保護(hù)公司的LFP-900型和RCS-9000型微機(jī)保護(hù)裝置，其在硬件結(jié)構(gòu)上的抗干擾電容量很小。根據(jù)1994年10月IEEE文獻(xiàn)介紹：微機(jī)保護(hù)抗干擾電容采用0.05μf已足夠，既達(dá)到了抗干擾的目的，又不會(huì)使直流系統(tǒng)對(duì)地電容過(guò)大。同時(shí)控制電纜屏蔽層的二端接地也減小了直流系統(tǒng)的對(duì)地電容。這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置來(lái)說(shuō)可減少檢測(cè)誤差。
自從微機(jī)保護(hù)推廣應(yīng)用后，現(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)二次回路的絕緣檢測(cè)擔(dān)心試驗(yàn)中高壓串入保護(hù)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(jiān)測(cè)，也是勢(shì)在必行。長(zhǎng)期運(yùn)行表明WZJ-1的實(shí)時(shí)檢測(cè)功能在現(xiàn)場(chǎng)比較實(shí)用。
　　現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明：WZJ-1裝置在檢測(cè)精度、抗干擾能力、和對(duì)直流系統(tǒng)影響等方面可以滿足中型水電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

5 應(yīng)用體會(huì)
　　WZJ-1型微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置在我站投運(yùn)兩臺(tái)，裝置在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行五年未發(fā)生故障，運(yùn)行穩(wěn)定，在直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)反應(yīng)正確，可準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)位置。裝置安裝在中控室的控制屏上，可便于運(yùn)行人員隨時(shí)了解直流系統(tǒng)對(duì)地的絕緣情況，自投運(yùn)以來(lái)受到了現(xiàn)場(chǎng)人員的歡迎。
　　對(duì)老電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的改進(jìn)不宜采用對(duì)每個(gè)支路增加輔助磁環(huán)的檢測(cè)方式，采用WZJ-1裝置檢測(cè)較為合適。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所取得的效果比較滿意。在直流系統(tǒng)對(duì)地電容不是很大的電廠，此方案的檢測(cè)精度較高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。
　　有必要提出的是：由于直流系統(tǒng)本身的特殊性，要求絕緣監(jiān)測(cè)裝置的功能首先要能正確檢測(cè)到系統(tǒng)絕緣下降故障，但對(duì)故障點(diǎn)或支路的自動(dòng)并準(zhǔn)確定點(diǎn)判別報(bào)警功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)未達(dá)到交流系統(tǒng)中繼電保護(hù)正確動(dòng)作切除故障的技術(shù)性能，在技術(shù)原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法上仍有待于進(jìn)一步突破。在現(xiàn)場(chǎng)為保證直流系統(tǒng)安全運(yùn)行的行之有效的方法是：對(duì)機(jī)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(jì)、事故照明回路等進(jìn)行技術(shù)更新改造；同時(shí)在設(shè)備檢修時(shí)要加強(qiáng)絕緣檢查工作，特別是開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的跳、合閘線圈及其回路的絕緣情況，由于是可動(dòng)部件，其故障率相對(duì)較高。通過(guò)技改使直流系統(tǒng)絕緣水平提高后，在發(fā)生絕緣下降的故障時(shí)反而好查故障點(diǎn)了，采用信號(hào)注入和卡鉗表檢測(cè)的靈敏度也會(huì)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(wú)從下手，采用信號(hào)注入和卡鉗表檢測(cè)的靈敏度也較低。通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和采用技術(shù)先進(jìn)的微機(jī)監(jiān)測(cè)裝置二者相結(jié)合將會(huì)進(jìn)一步提高直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。
　　WZJ-1在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果全部正確，從沒(méi)有發(fā)生誤報(bào)警的現(xiàn)象。但磁環(huán)支路型據(jù)了解存在誤報(bào)警的問(wèn)題，在原理判據(jù)上可能仍存在不足之處，有待于進(jìn)一步完善改進(jìn)。對(duì)于公用-XM的音響小母線信號(hào)回路，若發(fā)生信號(hào)回路絕緣下降，必須每個(gè)支路、回路逐一檢查，即使采用磁環(huán)支路報(bào)警也不能解決。因此微機(jī)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置配合便攜式探測(cè)卡鉗表是目前在現(xiàn)場(chǎng)查找直流系統(tǒng)接地故障點(diǎn)的最有效的檢測(cè)設(shè)備。