整流器出口設(shè)置平衡電阻橋接地方案的研究

李茹勤,劉 濤，張高峰，郭 果，岳雷剛

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450051)

整流器大量應(yīng)用于超、特高壓變電站與換流站，將交流380 V電源整流后作為站內(nèi)設(shè)備的直流電源。變電站直流電源系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備及二次線眾多，很容易發(fā)生接地故障。當(dāng)發(fā)生單極接地時(shí)可能造成繼電器、接觸器誤動(dòng)和拒動(dòng)，當(dāng)單點(diǎn)接地故障不能及時(shí)排除，若再發(fā)生另一極接地將造成直流系統(tǒng)正負(fù)極直接短路，后果嚴(yán)重。因此，變電站公用直流系統(tǒng)均配置了絕緣監(jiān)測(cè)儀，將直流系統(tǒng)正、負(fù)母線經(jīng)平衡電阻橋接地，成為小電流接地系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，根據(jù)平衡橋原理，絕緣監(jiān)測(cè)儀及時(shí)巡檢出接地支路并告警，以便運(yùn)維人員及時(shí)消除系統(tǒng)的接地故障[1]。公用直流系統(tǒng)主要為各繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、斷路器控制回路等重要負(fù)荷供電，由于配置了絕緣檢測(cè)儀，系統(tǒng)可以對(duì)地測(cè)量正、負(fù)極電壓，給變電站二次系統(tǒng)的運(yùn)維檢修工作帶來方便。

然而，超、特高壓變電站除以上公用直流系統(tǒng)外，還存在大量的整流器供電電源系統(tǒng)，例如各斷路器間隔的整流器電源，主要為本間隔的隔離開關(guān)控制回路、隔離開關(guān)電機(jī)回路和在線監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)供電。由于數(shù)量較大，單個(gè)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，負(fù)荷重要性也不及公用直流系統(tǒng)，這些間隔直流系統(tǒng)不配置絕緣監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)整流電源的輸入和輸出側(cè)經(jīng)隔離變壓器進(jìn)行電氣隔離(或者為高阻態(tài))，直流輸出側(cè)為不接地直流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)對(duì)地沒有電氣聯(lián)系[2-3]，不能測(cè)量正負(fù)極對(duì)地電壓。這些系統(tǒng)在運(yùn)維檢修期間存在諸多問題和困難，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)此方面問題的研究和關(guān)注較少。

1 現(xiàn)場(chǎng)問題

變電站現(xiàn)場(chǎng)檢查和排除二次系統(tǒng)元件或回路故障時(shí)，測(cè)量各電氣點(diǎn)電位是最常用和便捷的方法。通過是否有電壓來判斷節(jié)點(diǎn)或?qū)Ь€是否連接正常，變電站隔離開關(guān)控制回路如圖1所示。

圖1 不接地直流系統(tǒng)隔離開關(guān)控制回路

該隔離開關(guān)控制回路使用輸出為DC 220 V的整流器。若該隔離開關(guān)控制回路故障導(dǎo)致其不能正常操作，需進(jìn)行控制回路的檢查及故障排除工作。檢查聯(lián)鎖回路的A、B接點(diǎn)時(shí)，如能測(cè)量出B點(diǎn)為零電位，則說明負(fù)電源至B點(diǎn)二次回路開路；如能測(cè)量出B點(diǎn)為負(fù)電位，則說明負(fù)電源至B點(diǎn)二次回路完好，若測(cè)出A點(diǎn)為零電位，則說明A、B接點(diǎn)斷開，若測(cè)出A點(diǎn)為負(fù)電位，則說明A、B接點(diǎn)閉合。因此測(cè)量電位是至關(guān)重要的。如需測(cè)量A、B點(diǎn)電位必須有一個(gè)參考點(diǎn)，不接地直流系統(tǒng)只能正負(fù)極間互為電位參考點(diǎn)，所以測(cè)量A、B點(diǎn)電位只能以正極作為參考點(diǎn)，然而本機(jī)構(gòu)箱內(nèi)無正電源且距離整流器正電源過遠(yuǎn)(一般數(shù)十、數(shù)百米距離)。因此A、B點(diǎn)電位無法找到參考點(diǎn)，無法測(cè)量和判斷。

萬用表的“導(dǎo)通”檔不能用于測(cè)量帶電接點(diǎn)的通斷，目前現(xiàn)場(chǎng)解決以上問題，只能采用拆除A、B接點(diǎn)接線后測(cè)量A、B接點(diǎn)通斷的辦法。該方法缺點(diǎn)明顯，需拆除控制回路二次線，尤其當(dāng)需要排查的接點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，拆除的二次導(dǎo)線數(shù)量過多，工作量大，風(fēng)險(xiǎn)很高。

值得說明的是，一般不接地直流系統(tǒng)對(duì)地存在分布電容，所帶負(fù)荷較多、電纜較長(zhǎng)的系統(tǒng)等效對(duì)地電容更明顯。由于對(duì)地電容的存在，相當(dāng)于在整流器正負(fù)極分別經(jīng)一電容C1和C2接地，電容C1和C2間G點(diǎn)與大地等電位，如圖2所示。這樣當(dāng)測(cè)量對(duì)地電位時(shí)，+KM和-KM的對(duì)地電壓大小取決于C1和C2的分壓，一般C1≠C2，因此測(cè)得+KM對(duì)地電壓U1范圍為0～220 V，-KM對(duì)地電壓U2范圍為-220 ～0 V，同時(shí)U1和U2數(shù)值有U1-U2=220 V的關(guān)系。用來測(cè)量電壓的萬用表可等效為一阻值較大的電阻，接入母線和大地之間時(shí)，C1或C2經(jīng)萬用表對(duì)大地放電，因此測(cè)得的U1和U2數(shù)值為一變化衰減數(shù)值，最終很快降為0 V。

圖2 不接地直流系統(tǒng)對(duì)地電容

因此，考慮到直流系統(tǒng)對(duì)地分布電容影響時(shí)，測(cè)得的正、負(fù)母線對(duì)地電壓值是不確定的，這與用萬用表測(cè)量變電站(尤其是超、特高壓等大型變電站)強(qiáng)烈、復(fù)雜電磁環(huán)境下不帶電導(dǎo)線產(chǎn)生的靜電電壓的現(xiàn)象是一致的。

綜上，在測(cè)量直流不接地系統(tǒng)對(duì)地電壓時(shí)，無論是否考慮系統(tǒng)的對(duì)地電容影響，都是不可行或測(cè)量結(jié)果不可信的，這對(duì)于變電站隔離開關(guān)控制回路等二次系統(tǒng)的運(yùn)維、檢修工作是很不利的。變電站、發(fā)電廠存在大量以上所述直流不接地系統(tǒng)，尤其是超(特)高壓變電站、換流站使用的獨(dú)立整流器數(shù)量極多，這些直流系統(tǒng)更為復(fù)雜，不能測(cè)量對(duì)地電壓帶來的現(xiàn)場(chǎng)問題更為顯著，因此有必要對(duì)該問題研究和解決。

2 方案原理

整流器輸出端的直流不接地系統(tǒng)不能對(duì)地測(cè)量電壓的根本原因在于該系統(tǒng)對(duì)地?zé)o任何電氣聯(lián)系。借鑒變電站公用直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)裝置原理，如圖3所示。將直流系統(tǒng)正、負(fù)母線分別經(jīng)一平衡電阻橋臂接至大地，即可實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)對(duì)地電壓檢測(cè)的功能。

圖3所示為DC 220 V的整流器輸出系統(tǒng)，虛線框內(nèi)為平衡電阻橋，兩橋臂中間位置G點(diǎn)直接連于大地，G點(diǎn)與大地為等電位0 V。DC 220 V電壓經(jīng)兩平衡橋分壓后，正極對(duì)G點(diǎn)(大地)電壓應(yīng)為+DC 110 V，負(fù)極對(duì)G點(diǎn)(大地)電壓應(yīng)為-DC 110 V。這樣整流器的DC 220 V側(cè)不接地系統(tǒng)經(jīng)平衡電阻橋被改變?yōu)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，地電位對(duì)正、負(fù)極電壓就有了參考意義，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)地電壓測(cè)量的功能。同時(shí)按照電路原理，接入的平衡電阻橋不影響原整流器輸出特性和直流系統(tǒng)運(yùn)行[2-3]。

圖3 平衡電阻橋原理

3 解決方案

3.1 參數(shù)選擇

平衡橋主要由2個(gè)阻值相等的電阻構(gòu)成，阻值選取不宜過小，兩阻值偏差不應(yīng)過大，否則會(huì)造成兩級(jí)對(duì)地電壓測(cè)量不平衡。借鑒變電站公用直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置平衡橋電阻值，推薦兩平衡電阻臂阻值均設(shè)置為100 kΩ，兩電阻還應(yīng)考慮足夠的熱容量，應(yīng)防止功率過大燒毀電阻橋。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

按照以上原理，設(shè)計(jì)出變電站整流器直流不接地系統(tǒng)臨時(shí)接地平衡電阻橋[4]，電路板照片如圖4所示。

圖4 臨時(shí)接地平衡電阻橋照片

為降低單支電阻承受電壓，降低功耗，提高精度，由4只100 kΩ電阻構(gòu)成2并2串結(jié)構(gòu)組成單支平衡橋臂，整個(gè)電阻橋使用8只100 kΩ電阻。為防止電阻橋電阻元件損壞，造成整流器直流輸出側(cè)短路或接地，每個(gè)電阻橋臂經(jīng)一保險(xiǎn)絲接入直流母線，如圖4所示。由于平衡橋阻值選取較大，流經(jīng)電流值較小，該保險(xiǎn)絲選取較小額定電流0.5 A。

臨時(shí)接地平衡電阻橋應(yīng)用于40余座超、特高壓變電站、換流站，臨時(shí)接于直流系統(tǒng)，工作完畢及時(shí)拆除，解決了全部直流不接地系統(tǒng)問題，應(yīng)用效果良好。但是該方法的缺點(diǎn)也很明顯，電路板為現(xiàn)場(chǎng)人員手工制作，工藝水平無法保證，電路板也未得到權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)和認(rèn)證；平衡電阻橋直接安裝于變電站二次屏柜或端子箱，工作規(guī)范性和安全性不能得到保證，均取決于工作人員技術(shù)水平及其責(zé)任心，該方法也不易得到推廣。本文所述直流不接地系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)問題并不能在更大范圍得到解決。因此，徹底解決還有賴于整流器電路的改進(jìn)。

3.3 整流器改進(jìn)方案

由于以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案的缺點(diǎn)，平衡電阻橋宜裝設(shè)于整流器出口，作為整流器的組成部分，經(jīng)嚴(yán)格、規(guī)范的試驗(yàn)方法檢測(cè)，有利于電路的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

在上述原理的的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)場(chǎng)有些整流器應(yīng)用于公用直流系統(tǒng)，系統(tǒng)配置有絕緣監(jiān)測(cè)裝置及其平衡電阻橋，整流器出口配置的平衡橋如果也同時(shí)投入，會(huì)導(dǎo)致絕緣檢測(cè)儀誤發(fā)接地告警及絕緣巡檢不準(zhǔn)確。因此，整流器配置的平衡電阻橋兩臂宜設(shè)置靈活投退功能，例如分別經(jīng)一跳線(短接線)元件投退，如圖5所示。G為大地；R1、R2為平衡電阻，阻值均為100 kΩ；S1、S2為正、負(fù)極跳線。當(dāng)整流器配置于某電氣間隔作為獨(dú)立的直流電源為設(shè)備供電時(shí)，應(yīng)將跳線元件投入(投入平衡橋)；當(dāng)整流器配置于已安裝絕緣監(jiān)測(cè)裝置的變電站公用直流系統(tǒng)，則應(yīng)將跳線元件退出(退出平衡橋)。

圖5 整流器平衡橋回路設(shè)計(jì)

考慮到整流器內(nèi)部平衡電阻橋的設(shè)計(jì)及其元件選取及其可靠性均高于現(xiàn)場(chǎng)手工產(chǎn)品，兩平衡橋臂設(shè)計(jì)可不經(jīng)保險(xiǎn)絲，推薦電路原理如圖5所示。

4 方案效果

4.1 實(shí)現(xiàn)電位測(cè)量功能

整流器出口側(cè)采用平衡電阻橋接地后，將原對(duì)大地?zé)o任何電氣聯(lián)系的直流不接地系統(tǒng)改為經(jīng)電阻接地、有電氣聯(lián)系的小電流接地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了直流系統(tǒng)正、負(fù)極對(duì)地電位測(cè)量功能。

若測(cè)得B點(diǎn)電位為0 V，說明B點(diǎn)至電源負(fù)極開路；若測(cè)得B點(diǎn)電位為-110 V，A點(diǎn)電位為0 V，說明A、B接點(diǎn)斷開；若測(cè)得B點(diǎn)電位為-110 V，A點(diǎn)電位也為-110 V，說明A、B接點(diǎn)導(dǎo)通。以上電位均為對(duì)地測(cè)量結(jié)果，地電位的接地銅排、扁鐵和端子在變電站二次屏柜、端子箱內(nèi)存在非常普遍，測(cè)量非常方便，這給變電站隔離/接地開關(guān)控制回路的故障檢查處理工作帶來極大方便[5]，同時(shí)也給變電站其它需要測(cè)量直流系統(tǒng)電壓的維護(hù)檢修工作帶來很大方便。

4.2 對(duì)地絕緣檢測(cè)

變電站二次回路接地是常見故障，原有整流器輸出的直流不接地電源系統(tǒng)若發(fā)生接地故障，會(huì)出現(xiàn)以下結(jié)果[1]。

a. 單點(diǎn)接地時(shí)正負(fù)極電壓依舊是正常的，單點(diǎn)接地故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和告警，考慮到系統(tǒng)對(duì)地電容參數(shù)時(shí)，可能會(huì)造成該直流系統(tǒng)的繼電器、接觸器誤動(dòng)或拒動(dòng)。

b. 單點(diǎn)接地期間若再發(fā)生另一極接地故障，相當(dāng)于正負(fù)極短路，后果更為嚴(yán)重。

如能在系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)接地故障時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，以上嚴(yán)重后果將可有效避免。原有直流不接地系統(tǒng)是不能帶電進(jìn)行對(duì)地絕緣檢測(cè)的，其對(duì)地絕緣只能采用電源停電后使用搖表測(cè)量。當(dāng)直流不接地系統(tǒng)經(jīng)平衡電阻橋與大地建立電氣聯(lián)系，若發(fā)生單極接地，平衡橋的電氣平衡將被破壞，正負(fù)極對(duì)地電壓顯示不平衡，單極對(duì)地絕緣降低將被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)地絕緣電阻值也可以據(jù)此準(zhǔn)確計(jì)算。直流系統(tǒng)正極經(jīng)電阻接地故障如圖6如示。

在圖6中，U1、U2(絕對(duì)值)為測(cè)得的對(duì)地電壓值，正極經(jīng)電阻接地后會(huì)破壞正負(fù)極對(duì)地電壓的對(duì)稱性，Rx為正極對(duì)地絕緣等值電阻，R1=R2=100 kΩ。這樣，正極對(duì)地絕緣電阻值通過準(zhǔn)確計(jì)算來解決整流器出口直流系統(tǒng)的對(duì)地絕緣檢測(cè)問題。

圖6 對(duì)地絕緣檢測(cè)原理

5 結(jié)論

a. 整流器出口正負(fù)極間配置平衡電阻橋接地可以將不接地直流系統(tǒng)改為小電流接地系統(tǒng)，原理簡(jiǎn)單、成本低廉。

b. 整流器出口正負(fù)極間配置平衡電阻橋接地后，可實(shí)現(xiàn)正負(fù)極對(duì)地電壓測(cè)量，尤其有利于變電站使用該電源系統(tǒng)二次回路的維護(hù)檢修；同時(shí)可反映和檢測(cè)對(duì)地絕緣狀況。

c. 整流器出口配置的平衡電阻橋宜設(shè)置跳線投退功能，以便于功能靈活配置。

d. 本文所述問題和方案適用于輸出直流為各電壓等級(jí)的整流器(尤其110 V和220 V)，生產(chǎn)廠家應(yīng)據(jù)此對(duì)整流器裝置出口電路進(jìn)行改進(jìn)。