交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)在清河發(fā)電直流系統(tǒng)的應(yīng)用

曹雷鳴 ，趙立春 ，賀國(guó)賓 ，鄒學(xué)毅 ，劉偉東

(1. 遼寧清河發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112003；2.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181；3.南京國(guó)臣直流配電科技有限公司，江蘇 南京 211100)

火電廠直流電源是廠內(nèi)二次電源的重要組成部分，是繼電保護(hù)和控制的直流供電電源，直流系統(tǒng)的用電負(fù)荷極為重要，對(duì)供電可靠性要求很高，當(dāng)直流電源發(fā)生接地、交流竄入以及短路故障時(shí)都會(huì)造成繼電保護(hù)裝置的不正確動(dòng)作[1-3]。在電廠實(shí)際運(yùn)行中，由于操作人員誤碰、接線錯(cuò)誤以及惡劣天氣等都會(huì)造成交流竄入直流電源系統(tǒng)，帶來安全隱患。為了解決交流竄入直流電源帶來的一系列安全問題，本文分析了交流竄入直流的原因和危害，提出了一種交流竄入直流的主動(dòng)防御技術(shù)，并進(jìn)行原理分析、控制與實(shí)現(xiàn)方案分析以及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。

1 事故概況

2014年12月，清河發(fā)電有限責(zé)任公司9號(hào)機(jī)組發(fā)生空壓機(jī)跳閘、控制盤燒毀導(dǎo)致直流I段母線接地故障，引起B(yǎng)定冷水泵跳閘、汽機(jī)PC9A3L開關(guān)跳閘，從而引起發(fā)電機(jī)斷水保護(hù)等動(dòng)作，最終導(dǎo)致機(jī)組跳閘。原因分析表明，這是一起由多個(gè)復(fù)雜原因共同作用而引起的跳閘事故，具體原因包括元器件過熱、絕緣損壞、直流接地以及交流竄入直流電源等。

2 交流竄入的原因及危害

2.1 交流竄入的原因分析

交流電源一般是接地系統(tǒng)，直流電源是浮地系統(tǒng)，交直流電源是兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)，但在某些特殊情況下會(huì)出現(xiàn)交流竄入直流的現(xiàn)象，即交流的火線或零線與直流電源系統(tǒng)的正或負(fù)母線連接，分析原因如下[4-7]。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)人員操作失誤

由于工作人員不熟悉現(xiàn)場(chǎng)情況，專業(yè)技能不扎實(shí)，思想放松等都會(huì)造成將交流電接到直流回路上，造成交流竄入故障。

2.1.2 電纜或設(shè)備絕緣損壞

由于現(xiàn)場(chǎng)交流電纜和直流電纜大多在同一個(gè)橋架中，若電纜絕緣損壞或下降，電氣設(shè)備絕緣損壞，都會(huì)造成交流和直流電纜的導(dǎo)線互聯(lián)，造成交流竄入故障。

2.1.3 直流系統(tǒng)對(duì)地電容的影響

直流系統(tǒng)對(duì)地電容包括長(zhǎng)距離電纜的對(duì)地分布電容和系統(tǒng)引入的抗干擾濾波電容，由于分布電容的存在，若交直流電纜距離較近，交流電會(huì)通過分布電容對(duì)直流電纜放電，引起交流竄入故障。

2.1.4 自然災(zāi)害

由于自然原因，會(huì)造成室外電源操作箱進(jìn)水或存在大量導(dǎo)電塵埃，進(jìn)一步會(huì)引起交流端子和直流端子存在電氣連接，造成交流竄入故障。

2.2 交流竄入的危害

交流竄入直流電源系統(tǒng)造成的危害：直流電壓出現(xiàn)異?；蛑绷鹘拥毓收希灰鸸怦罨蚶^電器動(dòng)作，開關(guān)跳閘事故，造成保護(hù)誤動(dòng)；造成直流熔斷器熔斷，引起保護(hù)拒動(dòng)。

鑒于交流竄入直流電源系統(tǒng)帶來的重大危害，《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》要求嚴(yán)防交流竄入直流故障的出現(xiàn)。

文獻(xiàn)[5-7]介紹了防范交流竄入的保護(hù)措施，上述措施在一定程度上可以防范交流竄入故障，但各種措施也有自身的缺陷。另外，現(xiàn)有直流系統(tǒng)防范措施只能對(duì)交流竄入故障進(jìn)行報(bào)警，但不能從根本上解決交流竄入故障帶來的危害。

為了解決廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)的交流竄入問題，本文提出了一種基于電力電子技術(shù)和保護(hù)控制技術(shù)的交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)。

3 交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)原理分析

3.1 主動(dòng)防御原理

對(duì)于廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)的交流竄入故障，目前還沒有成熟的保護(hù)技術(shù)和裝備，只是利用絕緣監(jiān)察裝置進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)；在故障發(fā)生后限制故障電流及通過保護(hù)設(shè)備將線路切斷，屬于被動(dòng)防御保護(hù)，且動(dòng)作時(shí)間及切換隔離時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

主動(dòng)防御技術(shù)，即基于電力電子變換技術(shù)和保護(hù)控制技術(shù)，將交流竄入防御保護(hù)的檢測(cè)原理和控制策略“雙融于”電力電子變換器的硬件電路設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)，并有效利用變換器中高頻變壓器的主動(dòng)隔離作用和電力電子器件的開斷來實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)交流竄入故障的主動(dòng)防御、主動(dòng)隔離和故障支路的快速精確定位。

另外，基于變換器自身保護(hù)功能，主動(dòng)防御裝置還可實(shí)現(xiàn)欠壓、過壓、過流、接地和短路保護(hù)等功能。

3.2 基于主動(dòng)防御技術(shù)的廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)

基于主動(dòng)防御保護(hù)技術(shù)，結(jié)合交流竄入故障的檢測(cè)方法與控制算法，即將交流竄入故障檢測(cè)方法融于變換器內(nèi)部的硬件電路設(shè)計(jì)中，將交流竄入故障檢測(cè)保護(hù)控制策略融于變換器自身的保護(hù)控制策略，通過軟硬件“雙融于”的控制方案來實(shí)現(xiàn)交流竄入故障的檢測(cè)、保護(hù)、定位和隔離。將其串聯(lián)在直流電源系統(tǒng)的直流母線和各條直流負(fù)載支路之間，即一條支路對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)主動(dòng)防御裝置，可以減小交流竄入故障影響，提高直流系統(tǒng)的供電可靠性[8]，如圖1所示。

圖1 新型直流電源系統(tǒng)原理圖

3.3 交流竄入主動(dòng)防御裝置主電路拓?fù)渑c主動(dòng)防御實(shí)現(xiàn)形式

交流竄入檢測(cè)電路集成在主動(dòng)防御裝置中，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用隔離型的雙管正激DC/DC變換器，如圖2所示，通過隔離型DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)直流電壓變換以及交流竄入故障的主動(dòng)隔離和防御。

圖2 主動(dòng)防御裝置原理和交流竄入示意圖

主動(dòng)防御功能的實(shí)現(xiàn)：交流竄入直流電源系統(tǒng)主動(dòng)防御保護(hù)集成在電力電子變換器中，高頻變壓器副邊側(cè)的高頻交流方波經(jīng)整流后輸出直流，再經(jīng)電感電容濾波后輸出穩(wěn)定的直流電。如圖2所示，當(dāng)保護(hù)裝置所連接支路發(fā)生交流單點(diǎn)接入時(shí)，交流單點(diǎn)無法構(gòu)成回路，直流系統(tǒng)不受影響；當(dāng)保護(hù)裝置連接的支路發(fā)生交流兩點(diǎn)接入時(shí)，由于副邊側(cè)存在整流電路以及二極管的單向?qū)щ娦裕涣麟娊?jīng)過二極管后變成直流電，而對(duì)于高頻變壓器而言，直流電是無法通過變壓器進(jìn)行傳遞的，可以實(shí)現(xiàn)蓄電池組直流母線和直流支路負(fù)載母線的電氣隔離，當(dāng)負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時(shí)，由于變壓器原副邊電氣隔離，負(fù)載側(cè)的故障不會(huì)傳遞到直流母線側(cè)，將故障限制在故障支路[9]。

交流竄入主動(dòng)防御裝置串聯(lián)在直流母線和直流負(fù)載之間，當(dāng)檢測(cè)到直流負(fù)載支路發(fā)生故障時(shí)，支路裝置發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障的快速與精準(zhǔn)定位。

3.4 交流竄入檢測(cè)原理

交流竄入檢測(cè)電路原理如圖3所示，通過采樣電路來采集正負(fù)母線對(duì)地交流電壓，由內(nèi)部的數(shù)字控制器來計(jì)算交流竄入數(shù)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示，根據(jù)軟件程序中的設(shè)定的閾值來實(shí)現(xiàn)故障的報(bào)警，并通過通信進(jìn)行故障信息上傳。

圖3 交流竄入檢測(cè)原理圖

4 交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)的應(yīng)用

4.1 廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)改造原理

為了解決廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)的交流竄入故障，將廠內(nèi)直流電源進(jìn)行改造，增加交流竄入主動(dòng)防御裝置，實(shí)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)的交流竄入故障的主動(dòng)防御保護(hù)，改造方案原理如圖4所示。兩組蓄電池并聯(lián)輸出，通過主動(dòng)防御裝置給支路直流負(fù)荷供電，主動(dòng)防御裝置內(nèi)部具有交流竄入主動(dòng)防御保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)支路直流母線的交流竄入檢測(cè)與保護(hù)。

圖4 廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)改造原理圖

4.2 廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)改造可靠性分析

廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)改造的重點(diǎn)在于提高系統(tǒng)的供電可靠性，本文將“分散風(fēng)險(xiǎn)”和“提高元件的可靠性”作為設(shè)計(jì)依據(jù)[10]，采取以下措施來提高直流系統(tǒng)的可靠性。

a. “分散風(fēng)險(xiǎn)”：是指兩組蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，一組蓄電池出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能正常工作；進(jìn)行蓄電池組的在線巡檢與定時(shí)進(jìn)行蓄電池組放電，檢測(cè)電池內(nèi)阻和容量，蓄電池組的狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控系統(tǒng)。

b. “提高元件的可靠性”：即通過防御裝置的并聯(lián)冗余配置來提高直流負(fù)載的供電可靠性，同時(shí)裝置內(nèi)部器件按照2倍以上裕量來設(shè)計(jì)，提高了裝置自身的可靠性。

4.3 廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)改造試驗(yàn)

為了驗(yàn)證原理分析和現(xiàn)場(chǎng)改造方案的可行性和正確性，本文針對(duì)改造后的直流系統(tǒng)(DC110 V，600 Ah)進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

a. 正常情況下，直流電源系統(tǒng)的電壓波形如圖5所示。由圖5可知，通道1表示蓄電池輸出的直流母線電壓，其數(shù)值為114 V；通道2和3為防御裝置輸出的正、負(fù)母線對(duì)地電壓，數(shù)值分別為62.5 V和-61.5 V；輸出正負(fù)母線對(duì)地電壓基本對(duì)稱，無交流竄入直流故障。

圖5 正常情況下直流系統(tǒng)的輸出電壓波形

b. 模擬交流電(AC220 V)竄入主動(dòng)防御裝置的輸出正母線，如圖6—8所示。

圖6 防御裝置輸出負(fù)母線對(duì)地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖7 防御裝置輸出正母線對(duì)地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖8 直流母線電壓和輸出負(fù)母線對(duì)地電壓以及非故障支路母線電壓波形

由圖6—7可知，通道1表示直流支路1的輸出母線電壓，其數(shù)值為124 V；通道2和3表示直流支路2的正負(fù)母線對(duì)地電壓，其峰峰值分別為(316 V，-316 V)，(200 V，-440 V)；由圖8可知，通道1表示蓄電池直流母線電壓，其數(shù)值為112 V；由數(shù)據(jù)和電壓波形可知，交流竄入直流支路2的輸出正母線，直流支路2的電壓波形發(fā)生變化；而直流支路1和蓄電池直流母線電壓未受交流竄入的影響，工作正常。

c. 模擬交流電(AC220 V)竄入主動(dòng)防御裝置輸出負(fù)母線，相關(guān)波形如圖9—11所示。

圖9 防御裝置輸出正母線對(duì)地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖10 防御裝置輸出負(fù)母線對(duì)地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖11 直流母線電壓和輸出正母線對(duì)地電壓以及非故障支路母線電壓波形

由圖9—10可知，通道1表示直流支路1的輸出母線電壓，數(shù)值為124 V；通道2和3表示直流支路2的正負(fù)母線對(duì)地電壓，其峰峰值分別為(196 V，-436 V)，(320 V，-320 V)；由圖11可知，通道1表示蓄電池直流母線電壓，其數(shù)值為112 V；由數(shù)據(jù)和波形可知，交流竄入直流支路2的輸出負(fù)母線，直流支路2的電壓波形發(fā)生變化；而直流支路1和蓄電池直流母線電壓未受交流竄入的影響，工作正常。

從圖6—11可知，改造后的直流電源系統(tǒng)，當(dāng)交流電壓竄入某一直流支路正極或負(fù)極時(shí)，故障支路正、負(fù)極對(duì)地電壓為直流電壓與交流電壓的疊加，交流竄入的極為正常的交流電壓波形，而非故障支路正負(fù)極間電壓依然保持穩(wěn)定，直流電源的直流母線正負(fù)極之間的電壓也保持不變；由于交流竄入主動(dòng)防御裝置的作用，非故障支路和直流母線均可正常運(yùn)行，竄入的交流電被限制并主動(dòng)隔離在故障支路，同時(shí)故障支路的防御裝置進(jìn)行故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)故障支路的精準(zhǔn)定位，改造后的直流電源系統(tǒng)具有交流竄入主動(dòng)防御保護(hù)功能。

5 結(jié)束語

本文介紹了一起由交流竄入直流引起的機(jī)組跳閘事故，分析了交流竄入的原因和危害，介紹了常見防范措施以及缺陷；提出了基于電力電子和保護(hù)控制的交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)，并對(duì)主動(dòng)防御的原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能實(shí)現(xiàn)方式、系統(tǒng)可靠性等進(jìn)行了深入的研究和分析。交流竄入主動(dòng)防御技術(shù)可以有效減小交流竄入故障的影響范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的主動(dòng)隔離與故障線路的精準(zhǔn)定位，提高了廠內(nèi)直流電源系統(tǒng)供電可靠性；該技術(shù)在清河發(fā)電有限責(zé)任公司的成功應(yīng)用，可為電廠直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改造提供參考。

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