直流接地故障检测原理分析及接地故障种类.查找方法介绍

直流接地故障检测原理分析 及故障种类、查找方法介绍

李传文

2015年6月

主要内容

1、直流接地故障检测基本原理  2、直流接地故障种类分析  3、接地故障的危害  4、直流接地故障查找方法介绍  5、直流系统环网故障的危害及查找



1.1 接地故障的定义

接地电阻值

当直流系统发生接地故障(正接地、 负接地或正负同时接地)，绝缘电阻低 于整定值时，应发出声光报警信号

直流系统电压(V) 220 110 绝缘整定值(kΩ ) 25 15

1.1接地故障的定义

对地电压偏移

220V：40V；110V：20V

额定电压(V)

110

220

母线对地位移电压 ±5%（±5.5V） ±5%（±11V）

1.1接地故障的定义

 

 

交流窜电 当直流电源系统正负母线对地电压中， 存在10V及以上的工频交流电压时。 直流窜电（环网） 当两套直流电源系统发生互窜时：即2套 直流系统母线之间绝缘电阻小于10kΩ

1.2直流接地形成的原因

 



  

绝缘老化、破损：如电缆、绝缘座 机械振动：电缆距金属较近，机械振动磨损电 缆绝缘 灰尘沉淀、潮湿：如接线端子、PCB板集有灰 尘，在空气湿度较大的情况下，绝缘下降 生锈：如仪器仪表的金属外壳 漏水：如端子箱、压力表密封不好； 裸露：如备用电缆芯没有包好、垫片或螺杆掉 在空开上同时接触到柜体和任一极。

1.3目前国内直流绝缘监测装置的 主要技术原理

目前国内运行的直流绝缘监测装置的原理 绝大部分采用平衡桥检测原理; 在绝缘正常时，正负极电压基本平衡，当 直流系统的绝缘下降时（直流接地），系统正、 负极对地电压会发生偏差,装置通过检测对地电 压的变化进行接地告警。 同时由于正负极对地电压压差的存在,在接 地支路会产生直流漏电流或装置在系统注入一 个交变信号，通过装置附带的互感器（CT）检 测,进行支路选线。

1.3装置检测原理种类

根据检测方式目前国内直流绝缘监测装 置选线采用的技术原理主要分为： 1.平衡桥原理 2.双桥原理 3. 乒乓桥原理 4.平衡桥+乒乓桥原理 5.交流电源窜入直流检测原理

平衡桥方式

平衡桥方式



当系统发生单极接地，对地电压偏移，如正极 接地时，正极对地电压降低，负极对地电压升 高，装置通过计算，若阻值达到告警整定值时 装置告警并选线： 计算公式：



若系统发生两极接地，对地电压不偏移，即正 负极平衡接地时，装置则默认为系统绝缘正常：



因此平衡桥存在检测死区，为了解决特殊的直 流接地(两极接地)的检测问题,在平衡桥检测 方式上又延伸出以下几种方式:



乒乓方式 双桥方式（多桥） 平衡桥加切换桥方式





双桥方式

双桥方式



因

为R1、R2电阻值不相同，因此不管接地电阻如何， K1 、K2切换时，系统对地电压均有变化， K1闭合时， 系统对地电压偏移为:V+1、V-1，则可以得到公式 （1）；K2闭合时，系统对地电压偏移为:V+2、V-2， 则可以得到公式（2），通过两个方程计算出R+、R两个接地电阻；



因为装置工作时，K1 、K2不停切换，则造成系统对地 电压一直有波动，波动幅度取决于R1、R2的比值，两 者相差越大，波动就越大。

乒乓方式

乒乓方式



若K1闭合时，系统对地电压偏移为:V+1、V-1，则可以 得到公式（1）；K2闭合时，系统对地电压偏移 为:V+2、V-2，则可以得到公式（2），通过两个方程 计算出R+、R-两个接地电阻；



因为装置工作时，K1 、K2不停切换，则造成系统对地 电压一直有波动，在直流系统对地绝缘无穷大时，正 负极对地电压的波动幅度则为0V到母线电压范围在波 动；

平衡桥加切换桥方式

平衡桥加切换桥方式



在K1 、K2切换时，由于电阻R1交替切换到系统正负 极，若K1闭合时，系统对地电压偏移为:V+1、V-1，则 可以得到公式（1）；K2闭合时，系统对地电压偏移 为:V+2、V-2，则可以得到公式（2），通过两个方程 计算出R+、R-两个接地电阻；



 

因为装置工作时，K1 、K2不停切换，则造成系统对地 电压一直有波动，波动幅度取决于R1与R的关系 当R＞R1时，切换过程电压波动大，波动的大小取决 与两者的比值，两者相差越大波动就越大； 当R＜R1时，切换过程电压波动小，两者相差越大波 动就越小；

交流窜入直流检测

交流窜入直流系统接地



当直流系统母线对地电压中，50Hz交流 电压大于等于10V有效值时，绝缘监测装 置须告警，并准确选线

交流窜入直流的危害

交流窜入直流系统接地





直流系统接地故障中，危害最大的应为 交流电源窜入直流系统引起的接地故障。 绝大多数都会造成保护误动。 具备交流窜入直流系统接地故障告警选 线功能，能够发现早期经较高电阻窜入 的交流接地，并及时处理，可避免上述 事故的发生。

交流串电检测

直流220V系统中正极窜入50V交流信号后，正极对地电压直流分量由 110V下降至接近0V

交流串电检测

直流220V系统中，50V交流信号经过20k电阻窜入直流系统正极，正 极对地电压直流分量由110V下降至接近70V左右，50HZ交流成分为 16V左右

交流串电检测

直流220V系统中负极窜入交流110V交流信号后，正极对地电压直流分量由 110V上升至接近220V，50HZ交流分量为110V

交流串电检测

直流220V系统中，交流110V交流信号经过20k电阻窜入直流系统正极，正极 对地电压直流分量由110V下降到70V左右，50HZ交流成分

为34V左右

交流实验总结

通过试验总结可得出：

当发生交流窜入后，直流系统母线对地电压中存在交 流成分。其幅值与直流系统桥电阻大小及窜入回路电 阻有关系。所以在取样母线对地电压交流成分时需要 充分考虑隔除直流分量的因素。

交流窜电检测

交流窜入直流系统检测：

当交流电源发生窜入直流系统时，系统母线对地电压中存在着直流分量和 交流分量，利用电阻R1、R2进行分压取样，在经过电容C的隔离作用后， 从而使得取样到的信号里不存在直流成分，只有交流分量，再经过电气隔 离后进行放大处理后进行 AD 采样处理。利用快速傅立叶变换计算其中 50HZ谐波成分的幅值，当该幅值达到装置所设置的告警值时，装置发出 第25页 告警信号。并将采样到的离散序列记录保存，同时可以通过曲线形式展示。

2.接地故障种类

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

  

电缆接地 元件接地 蓄电池接地 交流窜电接地 直流窜电接地 绝缘装置引起的接地 人为引起接地

2.1电缆接地

端子箱－操作机构箱电缆接地

2.1电缆接地

端子箱－操作机构箱电缆接地

2.1电缆接地

蓄电池电缆接地

2.1电缆接地

金属转角或过孔处电缆破损

2.1电缆接地

备用电缆芯

2.2元件接地

多个继电器绝缘下降

2.2元件接地

多个继电器绝缘下降

2.2元件接地

抗干扰电容盒接地

2.2元件接地

装置内部元器件烧坏导致 接地

2.2元件接地

压力表进水

2.3蓄电池接地

产生原因



 

①蓄电池长期过充电、过温，导致壳体 膨胀裂开； ②壳体老化； ③蓄电池底部微小颗粒，在应力的作用 下，将蓄电池底部壳体顶坏。

2.3蓄电池接地

故障现象

2.3蓄电池接地

危害及处理





危害：蓄电池漏液将使该蓄电池失去电 解液，导致蓄电池失效，进而使整组蓄 电池容量下降。 处理：将漏液的该单体蓄电池退出运

2.3蓄电池接地

现状







现有绝缘装置大都没有2极接地告警检测 功能，蓄电池接地故障未被发现 蓄电池接地漏电流小于正常接地产生的 漏电流，即使能够告警，也常常不能选 线，显示为母线接地 有些厂家的接地查找设备钳形互感器口 径太小，无法检测蓄电池是否接地

2.3蓄电池接地

特殊两极接地故障

2.3蓄电池接地

2.3蓄电池接地

2.4交流窜电接地

产生原因





220V交流照明电源与电压互感器二次回 路电压源，由于绝缘下降、误碰、误接 等原因，串入直流系统。 设备交流电源由于绝缘下降、误碰、误 接等原因，串入直流系统。

2.4交流窜电接地

故障现象

C＝0.13微法（∠1km电缆）

继电器回路电压波动图

最大值＝178Ｖ；有效值＝５８Ｖ

C＝0.13微法（∠1km电缆

）

继电器回路电压波动图

最大值＝192Ｖ；有效值＝69Ｖ

2.5绝缘装置引起的接地



一侧平衡桥断开

2.5绝缘装置引起的接地



正负极平衡桥全部断开

2.5绝缘装置引起的接地



切换桥电阻太小

2.6人为引起的接地

测量压板电位引起接地

3.直流接地的危害-误动1

一般说来，直流系统一点接地故障，不会 引起严重的后果，但要求运行维护人员及 时处理。

+ -

主变瓦斯继电器在长电缆正极接地时易误动

3.直流接地的危害-误动2

+

KA

KM

-

发生多点接地，可能导致保护等 KM KS 设备的误动或拒动，影响电力系 QF LT HW J 统的安全稳定运行。

KA接点短接，出口继电器KM动作跳闸。

3.直流接地的危害-误动3

+

KA KM KS HW J QF LT KM

-

KM接点短接开关跳闸。

3.直流接地的危害-拒动1

+

KA KM KS HW J QF LT KM

-

动作继电器KM线圈短接，保护拒动。

3.直流接地的危害-拒动2

+

KA KM KS HW J QF LT KM

-

开关跳闸线圈短接，开关拒动。

3.直流接地的危害-拒动3

+

KA KM KS HW J QF LT KM

-

熔丝熔断导致保护或控制回路失电

4.直流接地查找的方法





接线要求如图所示，接入信号源“正极”端子的红色导线，夹在 蓄电池正极保险，接入信号源“负极”端子的黑色导线，夹在蓄 电池负极保险，接入信号源“地”端子的黄色导线，夹在接地铜 排上。 最好关掉在线装置（退出平衡桥）

4.1查找步骤1

第一步，测量信号源接地线校验设备 好坏，如果接地信号与信号源总信号 相同，则设备良好即可进行接地点的 查找。

4.1查找步骤2

R正对地 22.8K R负对地 222K 母线电压 221V

4.1查找步骤3

第二步，测量告警装置的接地线。如果

接地信号与信号源总信号基本相同，则说明告警装 置桥电阻损坏；如果接地信号不稳定，时大时小， 则说明告警装置也在产生接地信号，与接地探测器 接地信号有冲突，请关掉告警装置的电源；如果接 地信号稳定且小于信号源接地总信号，则说明告警 装置完好且不影响接地查找。

4.1查找步骤4

第三步，检测蓄电池是否接地。如蓄电池有 接地，则处理好蓄电池的接地故障（后面有 具体方法）。否则进入下一步接地查找。

4.1查找步骤5

第四步，依次测量各段直流馈线。

4.7查找步骤6



交直流串电接地测试

测量交流接地电压： 100-250V―――一般为用于照明等交流电源引起串电 接地 50-60V―――一般为PT引起串电接地





2 1 6. 3 2 2 0. 9

V V

4.8查找步骤7



正负极对地电阻测试 (有接地） 237.6 KΏ 042.2 KΏ 220.0 V

4.9查找步骤8



正负极对地电阻测试 (无接地）

5、直流系统环网故障的危害及查找

环网的定义 新直流系统绝缘监测装置技术规范：



 



当独立运行的2套直流系统，其母线间绝缘 电阻小于10kΩ，绝缘监测装置须告警，并 准确选线 5.5.6直流互窜告警（DL） 5.5.6.1当直流系统发生直流互窜故障时， 产品应能发出直流互窜故障告警信息。 5.5.6.2产品应能选出直流互窜的故障支路。

5、直流系统环网故障的危害及查找

环网的定义



重要变电站或发电厂的直流系统，为提高 供电可靠性，大都采用两组蓄电池与两组 或以上充电机。正常情况下，两组蓄电池 要求分开运行，即构成两组独立的直流电 源系统。由于各种原因，如施工带来的寄 生回路等，造成两套独立运行的直流系统， 出现了电气连接现象，我们称之为环网 （直流串入直流系统接地故障）。

环网产生的原因











（1）施工过程，负荷电源线连接错误：跨接两 段母线，某个负荷电源线多于两根，多出的电源 线接到另一段母线； （2）倒负荷操作，将某负荷转到另一段母线后， 未将原来的那一段的负荷开关断开；导致该负荷 由两段母线同时供电，从而产生环网 （3）重要的保护回路都有两路电源，正常工作 状态下，只投一路，如果两路都投则造成环网。 （4）某些装置采用两路电源（互为备用），但 装置内部却没有隔离。 （5）在同一电缆中，分属两段母线的供电电缆 内部破损造成环网

环网的危害

      



（1）在较小的直流馈线中，出现环网，由于 环流可能导致该馈线烧毁，甚至引起火灾 （2）缩短蓄电池使用寿命 （3）接地故障检测灵敏度下降，发生接地故 障，不能及时正确告警 （4）接地引起保护误动的机会越大 （5）可能引起设备拒动 （6）空开级差配合失效 （7）引起接地故障告警 （8）两段母线同时接地

1） 可能引起火灾



控制回路电缆线径通常较小，如2.5mm² 、 1mm² ，当存在几安培甚至几十安培环流 时，电缆将长期过热，可能引发火灾，烧 毁直流系统。

2） 缩短蓄电池使用寿命





由于两组蓄电池的实际容量与自放电存在差异， 采用相同浮充电压充电，将导致1组蓄电池过充电， 另1组蓄电池欠充电。而过充电与欠充电都将缩短 蓄电池的寿命。 任何一组蓄电池中出现落后电池，将同时拖垮两 套蓄电池。

3） 接地故障检测灵敏度下降





两套绝缘告警装置并联运行，绝缘电阻测量值变 为2倍；如整定25k告警，当25k接地时，测量的 电阻值为50k，不告警，需要等绝缘电阻降低到 12.5k，才能告警。 并联运行的绝缘装置越多，接地告警检测的灵敏 度下降越多。

4） 接地引起保护误动的机会越大





接地故障告警检测灵敏度下降，有接地 故

障时不能及时告警与处理，极易造成 2点或2点以上接地故障，从而引起保护 误动 接地故障信号电流增加，可能导致一点 接地引起保护误动

环网的种类

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1） 正极环网 2） 负极环网 3） 两极环网 4） 异极环网

1） 正极－正极环网

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



危害： 两段母线在线装置同时告警（或电压同时偏移） 接地引起保护误动机会增加

2 ）负极－负极环网



 

危害： 两段母线在线装置同时告警（或电压同时偏移） 接地引起保护误动机会增加

3） 两极环网

    

危害： 引起直流系统火灾 缩短蓄电池使用寿命 接地故障告警灵敏度下降 接地引起保护误动机会增加

4） 正极－负极环网

 



危害： 引起两套直流系统同时接地故障告警：一 段正极接地，另一段负极接地 造成图中负载“失压”，即没有工作电源， 可能引起设备拒动

5） 正极I－负极II； 负极I－正极II 环网

  

危害： 接地故障告警灵敏度下降 接地引起保护误动机会增加

环网故障的判断方法1

①直流接地法 若一段母线发生接地时两段母线同时告警则存在环网。也 可人为接地方法，在任意段母线的负极与大地之间，接入 100kΩ以上的电阻，若两段段母线的对地电压同时发生变 化，则说明存在环网故障。  ②负荷电流法 直流系统负荷是比较均匀的分配到两段直流电源供电，充 电机在浮充状态时，提供本段负荷电流，从几安培至十几 安培。如果发现其中一段母线充电机正常负荷电流偏小或 为零，则有环网故障，并且是正负极同时直接环网，即电 阻为零的环网故障。



环网故障的判断方法2

③电压调节法 调高任意一套直流系统充电机输出电压，如果另一套直流 系统电压随之升高，并出现充电机输出电流减少，则说明 有两极环网故障。如果被调高电压的直流系统，正极电压 升高，而负极电压基本不变，说明有负极极环网；反之， 负极电压升高，而正极电压基本不变，有正极环网。  ④实时告警法 安装具备环网告警选线功能的在线绝缘监测装置，当两套 直流系统任何地点发生电气连接现象，都能及时检测并告 警。  本公司生产的“ QDA 系列直流绝缘在线告警选线装置” 除具备所有接地故障检测功能，同时具备正极环网、负极 环网、两极环网及异极性环网检测、告警和选线功能。

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环网故障点的查找

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采用“QDJ-01直流系统带电解环仪”， 可查找出以上各种类型的环网故障，并 找到环网故障点。

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