檢測(cè)橋電阻對(duì)直流電源系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響分析

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(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

變電站直流電源系統(tǒng)是站用電源系統(tǒng)的重要組成部分，而直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)儀作為監(jiān)測(cè)直流電源系統(tǒng)絕緣狀態(tài)的專用裝置，對(duì)直流電源系統(tǒng)正負(fù)極接地、系統(tǒng)外電源串入等故障造成的電壓異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)和告警[1-3]。然而，由于直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)儀技術(shù)規(guī)范的長(zhǎng)期缺失，造成目前在運(yùn)的大部分直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置與國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 1969-2013《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》的要求存在較大差距。其中，該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置中檢測(cè)橋?qū)χ绷麟娫聪到y(tǒng)直流電壓的影響范圍和對(duì)直流互串故障的查找能力。因此，確定檢測(cè)橋中平衡橋電阻值和不平衡橋電阻值的合理范圍，并開(kāi)展直流互串下的微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行分析就顯得尤為關(guān)鍵。

這里探討了變電站雙套直流電源系統(tǒng)的平衡橋電阻和不平衡橋電阻的選取，并仿真分析了發(fā)生直流互串時(shí)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行情況，為檢測(cè)電阻的選擇提供了參考。

1 站用直流電源系統(tǒng)中直流互串問(wèn)題

變電站雙套直流電源系統(tǒng)的直流母線正常時(shí)，均采用母線分段運(yùn)行方式。在系統(tǒng)需要時(shí)，也可合上兩段直流母線間的聯(lián)絡(luò)刀閘成為并列運(yùn)行方式，即I段母線的正、負(fù)極分別與II段母線的正、負(fù)極對(duì)應(yīng)相連。而直流互串是指一段直流母線一極與另一段直流母線一極出現(xiàn)非正常聯(lián)接，兩段直流母線的剩余一極并不相連的情況，典型直流互串有共正(負(fù))極和異極相連兩種情況[4]。直流互串不僅會(huì)造成變電站兩段直流母線的正、負(fù)極對(duì)地電壓及其絕緣狀況發(fā)生變化，若此時(shí)直流電源系統(tǒng)中再出現(xiàn)接地故障，必將給直流電源系統(tǒng)帶來(lái)巨大的安全問(wèn)題。

據(jù)調(diào)查分析，產(chǎn)生直流電源系統(tǒng)直流互串的原因主要有[5]以下3點(diǎn)。

① 在新建、擴(kuò)建或技術(shù)改造的施工過(guò)程中，將負(fù)荷的電源線分別接入兩段直流母線。

② 在倒負(fù)荷操作時(shí)，將某些負(fù)荷從一段母線轉(zhuǎn)移到另一段母線后，未將其原來(lái)的一路空氣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，致使兩套直流電源系統(tǒng)并列運(yùn)行。

③ 老舊站由絕緣性能下降或外力等因素電纜芯線間的絕緣，造成同一根電纜中有兩套直流電源系統(tǒng)的供電回路相連。

2 絕緣監(jiān)測(cè)裝置的基本工作原理

目前，在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置的工作原理如圖1所示。其主要由平衡橋檢測(cè)電阻R、不平衡橋檢測(cè)電阻Rs、直流電源系統(tǒng)正極對(duì)地絕緣電阻Rz、直流電源系統(tǒng)負(fù)極對(duì)地絕緣電阻Rf、采用計(jì)算電路模塊、通信電路模塊等構(gòu)成[6]。

圖1 微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置原理圖

裝置分別處于平衡橋或不平衡橋運(yùn)行方式[7]。平衡橋運(yùn)行方式下，不平衡橋電阻Rs不投入，平衡橋電阻R運(yùn)行。而不平衡橋的運(yùn)行是通過(guò)手動(dòng)或定期自動(dòng)投入不平衡橋?qū)崿F(xiàn)的，主要是為了檢測(cè)平衡橋運(yùn)行方式下無(wú)法發(fā)現(xiàn)的正、負(fù)兩極絕緣等值接地故障，由不平衡橋運(yùn)行下正、負(fù)極對(duì)地電壓，從而計(jì)算出正、負(fù)極對(duì)地絕緣電阻值。

3 直流互串下的仿真分析

(1)單套絕緣監(jiān)測(cè)裝置平衡橋電阻R與不平衡橋電阻Rs的選擇

帶有一套微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置的直流電源系統(tǒng)等值電路如圖2所示，圖中VDC1為蓄電池組電壓，R為平衡橋電阻，Rs為不平衡橋電阻，直流電源系統(tǒng)正負(fù)極對(duì)地絕緣電阻分別為Rz1和Rf1，這里只討論220 V的直流電源系統(tǒng)。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 1969-2013《變電站直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范》要求，當(dāng)220 V直流電源系統(tǒng)一極(正極或負(fù)極)絕緣處于良好狀態(tài)，另一極絕緣降低到預(yù)警整定值100 kΩ時(shí)，平衡橋引起的直流對(duì)地電壓偏移不得超過(guò)10 V。同時(shí)，平衡橋電阻值R應(yīng)大于直流電源系統(tǒng)的報(bào)警整定值25 kΩ。設(shè)正極對(duì)地絕緣下降到預(yù)警整定值100 kΩ，有Rz1=100 kΩ

圖2 帶絕緣監(jiān)測(cè)裝置的直流電源系統(tǒng)等值電路圖

(1)

將VDC1=220 V，Rz1=100 kΩ帶入式(1)，可推導(dǎo)得平衡橋電阻值R的范圍為

(2)

圖3 R與Rf1的關(guān)系圖

根據(jù)式(2)，隨著直流電源系統(tǒng)負(fù)極對(duì)地絕緣電阻Rf1的變化，為了滿足電壓偏移的要求，其平衡橋電阻值R應(yīng)滿足如圖3所示曲線。由圖可知，直流電源系統(tǒng)負(fù)極對(duì)地絕緣電阻Rf1越大，則要求平衡橋電阻R越小，電壓偏移也越小。但實(shí)際監(jiān)測(cè)中，若平衡橋電阻R過(guò)小，又將直接影響系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。

當(dāng)220 V直流電源系統(tǒng)一極(正極或負(fù)極)絕緣降低到接地電阻報(bào)警限值25 kΩ時(shí)，投切不平衡橋電阻Rs引起的直流對(duì)地電壓波動(dòng)不得超過(guò)22 V。設(shè)正極對(duì)地絕緣下降到接地電阻報(bào)警限值25 kΩ，有Rz1=25 kΩ，合上開(kāi)關(guān)k1將不平衡橋電阻Rs投入正極，則直流電源系統(tǒng)正極對(duì)地電壓波動(dòng)的計(jì)算公式為

(3)

(2)兩段直流電源系統(tǒng)共正極或共負(fù)極運(yùn)行

兩段直流電源系統(tǒng)共正極或共負(fù)極運(yùn)行，往往是誤接線或電纜絕緣下降造成的，若此時(shí)其中一段直流電源系統(tǒng)再發(fā)生接地故障，必將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)接地。兩段直流電源系統(tǒng)共正極的等值電路如圖4所示。

圖4 兩套絕緣監(jiān)測(cè)裝置共正極的等值電路圖

如圖4所示，設(shè)直流電源系統(tǒng)中VDC1=VDC2=220 V，R為25 kΩ，Rs為120 kΩ，Rg為兩套直流電源系統(tǒng)互串電路的等值電阻。兩套直流電源系統(tǒng)正負(fù)極對(duì)地絕緣良好，系統(tǒng)正常運(yùn)行0.5 s后發(fā)生共正極互串，并在故障發(fā)生0.5 s后，每0.5 s交替投入第一套直流電源系統(tǒng)的不平衡橋電阻至正極和負(fù)極。設(shè)互串電路的等值電阻Rg分別為1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ，其V1、V2的仿真電壓波形見(jiàn)圖5。

由圖5可知，共正極互串并不會(huì)引起絕緣良好的直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)電壓偏移，不平衡橋電阻的投入使得電壓出現(xiàn)波動(dòng)，互串電路等值電阻越大，則電壓波動(dòng)越明顯。

(3)一段直流電源系統(tǒng)正極與另一段直流電源系統(tǒng)負(fù)極互串

一段直流電源系統(tǒng)正極與另一段直流電源系統(tǒng)負(fù)極互串，往往是直流電源系統(tǒng)在改造中接線錯(cuò)誤等人為因素造成的，這時(shí)直流電壓將出現(xiàn)較大偏移。兩段直流電源系統(tǒng)正負(fù)極互串的等值電路如圖6所示。

設(shè)兩套直流電源系統(tǒng)正、負(fù)極對(duì)地絕緣良好，系統(tǒng)正常運(yùn)行0.5 s后發(fā)生正、負(fù)極互串，并在故障發(fā)生0.5 s后，每0.5 s交替投入第一套直流電源系統(tǒng)的不平衡橋電阻至正極和負(fù)極。設(shè)互串電路的等值電阻Rg分別為1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ，其V1、V2的仿真電壓波形見(jiàn)圖7。

圖5 共正極互串下的電壓波形圖

圖6 兩段直流電源系統(tǒng)正負(fù)極互串的等值電路圖

(a)等值電阻Rg=1 kΩ

(b)等值電阻Rg=10 kΩ

(c)等值電阻Rg=100 kΩ圖7 正負(fù)極互串下的電壓波形圖

由圖7可知，正、負(fù)互串將直接引起絕緣良好的直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)電壓偏移，互串電路等值電阻越小，電壓偏移越大。不平衡橋電阻的投入使電壓出現(xiàn)波動(dòng)，互串電路等值電阻越大，則電壓波動(dòng)越明顯。

由圖5、圖7可見(jiàn)，雙套直流電源系統(tǒng)的兩段直流母線絕緣監(jiān)測(cè)宜采用一臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)兩段母線或采用具備交互信息、協(xié)調(diào)控制功能的兩臺(tái)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)出現(xiàn)直流互串時(shí)避免投切不平衡橋電阻，以減少電壓波動(dòng)。

3 結(jié) 論

依據(jù)對(duì)微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)電阻安全性驗(yàn)證研究，從降低直流母線電壓偏移和波動(dòng)范圍的角度，對(duì)裝置的平衡橋檢測(cè)電阻和不平衡橋檢測(cè)電阻值的選擇進(jìn)行分析。同時(shí)，針對(duì)直流電源系統(tǒng)直流互串的問(wèn)題，分別對(duì)共正極和正負(fù)極互串兩種方式進(jìn)行了仿真研究，探討了互串電路等值電阻對(duì)直流母線電壓偏移和波動(dòng)的影響，為微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行和參數(shù)選擇提供了參考。

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