變電站直流系統(tǒng)二次回路故障分析與處理方法研究

陳平芳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512000）

0 引 言

近年來，變電站直流系統(tǒng)二次回路因?yàn)槭艿礁蓴_而造成的無事故停電案例屢見不鮮，甚至可能導(dǎo)致變電站全面停運(yùn)。為了制定有效的預(yù)防措施，相關(guān)人員必須認(rèn)真研究干擾所引起的開關(guān)跳閘的原理和成因。其中，對線路干擾最嚴(yán)重的主要有直流接地和交直流混合接地兩種情況。本文將針對這些情況進(jìn)行研究和分析，提出防范措施，使線路形成二次回路的抗干擾能力，以切實(shí)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 變電站直流系統(tǒng)二次回路故障分析

查找直流系統(tǒng)二次故障的原因應(yīng)該考慮兩個方面：一方面是分析不同交直流信號干擾直流系統(tǒng)的源頭和程度，另一方面是分析接地的直流系統(tǒng)故障。

1.1 交直流信號的干擾

在眾多的變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備中，很多設(shè)施需要應(yīng)用交流電源和直流電源。因此，電氣設(shè)施會與直流供電系統(tǒng)、交流系統(tǒng)以及通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交叉，同時各種交、直流信號也會干擾電氣設(shè)備。這種干擾主要表現(xiàn)在交流串?dāng)_、直流串?dāng)_以及直流系統(tǒng)電容電流干擾3個方面[1]。

1.1.1 電容電流干擾

在直流系統(tǒng)中，接地電容包括兩個部分：第一部分是屏蔽層與芯線、對地電纜以及電纜芯線存在的分布電容；第二部分為濾波電容，存在于直流負(fù)載保護(hù)控制設(shè)備的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波器中。

（1）直流電纜分布電容是兩個絕緣體組成的電容器，其中導(dǎo)體面積和距離會影響電容量。在實(shí)際電路中，另一種形式電容器的構(gòu)成也可以包括兩個彼此靠近卻相互絕緣的導(dǎo)體、構(gòu)件或者其他電體，這種構(gòu)成也具備電容量。這種由器件和導(dǎo)體組成的呈現(xiàn)分布狀態(tài)形成的電容就是所謂的分布電容。

分布電容C的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，ε為設(shè)定的介電常數(shù)；s為兩處導(dǎo)體之間的相對表面積；d為導(dǎo)體間的距離。第一，電纜對地電容C的大小直接影響直流系統(tǒng)的大小。第二，一旦直流供電系統(tǒng)改變結(jié)構(gòu)，隨之而變的是電纜對地電容。分布電容存在于直流電纜中，造成直流系統(tǒng)有很多電容電流串入，成為直流系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。同時，直流負(fù)載的穩(wěn)定性也會受到這些電容電流變化的影響。

（2）直流負(fù)載濾波電容。目前，很多變電站應(yīng)用了直流電源的保護(hù)測控裝置，但是變電站高壓電場會影響測控裝置，造成這些設(shè)備的直流回路產(chǎn)生交流干擾電壓。此外，不同程度的電磁干擾也存在于這些保護(hù)裝置與測控裝置之間。為了提升電磁的兼容性，可以把相應(yīng)的電磁干擾提供給保護(hù)測控裝置，通過EMI與測控裝置的直流輸入電路相連接來解決這個問題。該系統(tǒng)運(yùn)行程序的旁路接地是基于各類干擾源通過EMI中的對地電容實(shí)施的，以實(shí)現(xiàn)裝置的兼容性?？刂圃O(shè)備和大量的微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)置在電力系統(tǒng)，濾波電容器應(yīng)用在直流系統(tǒng)中。如果直流系統(tǒng)發(fā)生事故，必須要檢查濾波電容和分布電容。

1.1.2 交流串?dāng)_

變電站眾多的一、二次設(shè)備構(gòu)成了直流系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)。與諸多交流回路一起走線的直流回路，包括開關(guān)端子箱、開關(guān)機(jī)構(gòu)箱、保護(hù)裝置以及防誤電源等。一旦交流回路發(fā)生故障，尤其是混合接線的交直流負(fù)載故障，會造成直流系統(tǒng)中交流電源的串入，嚴(yán)重時會造成直流電壓的不正常波動，致使保護(hù)設(shè)備難以正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致保護(hù)裝置失靈。交直流串?dāng)_的原因主要包括以下3個方面。第一，交織混合在一起的直流電纜和交流電纜，經(jīng)常因?yàn)榻^緣層的老化出現(xiàn)問題而形成導(dǎo)電部分的接觸，使其混合在直流系統(tǒng)中被交流電源侵入。第二，變電站改造中錯誤地連接了交直流系統(tǒng)。第三，變電設(shè)備上發(fā)生接地故障時，接地網(wǎng)會產(chǎn)生零序電流。如果接地網(wǎng)十分接近直流電纜，直流系統(tǒng)會通過直流電纜分布電容被導(dǎo)入接地網(wǎng)的零序電流。

1.1.3 直流串?dāng)_

一般情況下，220 kV及以上變電站因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)的雙重配置，會經(jīng)常發(fā)生直流信號串?dāng)_現(xiàn)象。這是因?yàn)樵撗b置的控制回路和跳閘回路都需要配置的雙重化，在實(shí)施設(shè)計(jì)好改造直流系統(tǒng)時，易導(dǎo)致直流系統(tǒng)兩段混接的現(xiàn)象。任何一段直流接地，兩段直流都會產(chǎn)生接地信號，嚴(yán)重影響故障的查找。如果混接兩段直流，會造成不存在分段的母線，增加同級兩點(diǎn)接地的概率。直流串?dāng)_的特性表現(xiàn)在下面幾點(diǎn)。第一，絕緣警報(bào)在兩組直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測系統(tǒng)同時發(fā)出。第二，絕緣監(jiān)測設(shè)備不能精確定位對接點(diǎn)。第三，兩組直流系統(tǒng)的正負(fù)電壓呈現(xiàn)下降的趨勢。第四，倘若單純地將接地故障點(diǎn)的空氣開關(guān)打開，兩組絕緣監(jiān)測裝置上的絕緣報(bào)警會同時消失；倘若僅僅將直流串?dāng)_觸點(diǎn)打開，則表現(xiàn)為已經(jīng)恢復(fù)了其中一組直流系統(tǒng)的絕緣能力，而另一組完全沒有恢復(fù)。

1.2 直流系統(tǒng)接地

直流系統(tǒng)接地故障主要受兩方面因素的影響。一是變化的母線電壓對直流系統(tǒng)各設(shè)備的正常運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。二是一旦在直流系統(tǒng)發(fā)生兩點(diǎn)接地事故，容易形成保護(hù)裝置的誤動，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，一旦直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障，要在最短的時間內(nèi)解決問題。圖1為直流接地示意圖。

圖1 直流接地示意圖

1.2.1 直流接地的原因分析

作為變電站中分布最廣泛的直流系統(tǒng)，電纜鋪設(shè)多而長，連接的設(shè)施多且回路復(fù)雜。通常情況下，變電站系統(tǒng)接地故障的發(fā)生幾率與投運(yùn)的時間長短有關(guān)系。而直流接地的原因主要包括以下幾個方面。第一，氣候原因。很多直流接地故障都和氣候有直接關(guān)系，例如在多雨的季節(jié)，室外直流設(shè)備運(yùn)行效率降低，電纜的絕緣性能差，對地絕緣電阻下降，造成直流電路正、負(fù)極接地。第二，人為原因。操作人員粗心大意，例如在實(shí)施工作操作時誤碰了帶電直流小母線或者誤將直流端子排短接等，從而瞬間接地。再如，沒有正確安裝二次回路接線頭、操作失誤等，造成室外設(shè)施防雨不利、電纜絕緣層被損壞等。這些因素不會立刻引發(fā)直流接地，但在環(huán)境發(fā)生改變或者對設(shè)備進(jìn)行操作時易發(fā)生直流接地。第三，設(shè)備因素。設(shè)備的某些缺陷會影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行，如刀閘、開關(guān)位置輔助接點(diǎn)的缺陷形成接觸不良、設(shè)備原件絕緣效果不好以及絕緣功能老化等，都會造成接地故障。

1.2.2 直流接地的危害

直流接地根據(jù)接地的屬性分為負(fù)接地和正接地。根據(jù)接地類型，它可劃分為直接接地和間接接地。根據(jù)接地的狀態(tài)，它可劃分為絕緣接地、單點(diǎn)接地、環(huán)路接地以及多點(diǎn)接地。斷路器誤動作的原因之一是直流系統(tǒng)正極接地。斷路器跳閘線圈由負(fù)極連接，因此一旦發(fā)生直流系統(tǒng)正極接地現(xiàn)象，斷路器就會誤判斷而誤跳[2]。斷路器拒跳閘產(chǎn)生的根本原因是直流系統(tǒng)負(fù)極接地。負(fù)極接地在直流系統(tǒng)中發(fā)生時，如果另一點(diǎn)接地發(fā)生在斷路器分（合）閘線圈和繼電器中，將導(dǎo)致繼電器和斷路器分（合）閘線圈短接，一旦故障在一次系統(tǒng)中發(fā)生，將不能觸發(fā)斷路器回路的啟動。此外，如果直流系統(tǒng)產(chǎn)生兩點(diǎn)接地會形成短路電流，不僅會導(dǎo)致直流熔斷器熔斷，也會損壞繼電器，使一次設(shè)備保護(hù)失靈。

1.2.3 直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地

直流系統(tǒng)是個復(fù)雜的供電系統(tǒng)。諸多直流電纜端子箱匯接控制區(qū)域的一次設(shè)備、二次設(shè)備以及信號電源，將直流母線與復(fù)雜的二次回路進(jìn)行連接，因此很容易發(fā)生直流接地。如果在直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地現(xiàn)象，一般接地母線的電壓會顯著降低，同時升高非接地極母線電壓，但沒有產(chǎn)生短路電流，因此直流系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備不會被啟動。倘若不能盡快排除故障，另一點(diǎn)接地也由此產(chǎn)生，易造成保護(hù)系統(tǒng)的誤動或者拒動。兩點(diǎn)接地故障對直流系統(tǒng)危害較大，因此必須要在一點(diǎn)接地發(fā)生時快速消除故障。

2 變電站直流系統(tǒng)二次回路故障處理方法

2.1 交直流信號的干擾處理方法

首先，提高重要回路中繼電器（光耦）的動作功率（一般考慮大于5 W），在規(guī)定的范圍內(nèi)降低繼電器的動作速度，如可以適當(dāng)放慢失靈啟動回路中間繼電器。其次，有效隔離重要光耦的開入回路，如該回路只要開入動作就能啟動跳閘。隔離開入不能利用長電纜直接帶光耦，而是適合利用大功率中間繼電器實(shí)施隔離。最后，設(shè)計(jì)時要避免利用長電纜連接重要回路。當(dāng)前最大的不利因素是保護(hù)下放和保護(hù)小室化的設(shè)計(jì)模式，其中取消分布小室布置是改進(jìn)的方向，適合利用集中一個網(wǎng)控室的模式，避免長電纜在各小室間使用[3]。

2.2 防止直流接地或交直流混聯(lián)

第一，為了確保回路的絕緣能力符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，必須強(qiáng)化日常巡查和維護(hù)直流系統(tǒng)等重要二次回路設(shè)施的力度。第二，在巡查工作開展前，相關(guān)人員必須嚴(yán)格分析危險(xiǎn)點(diǎn)并制定安全措施，避免發(fā)生人為導(dǎo)致的交直流混聯(lián)或者直流接地。第三，要盡量避免一套直流系統(tǒng)攜帶過多的一次間隔。當(dāng)前，一套只帶兩串間隔的直流系統(tǒng)，開始應(yīng)用于大型電廠的500 kV升壓站。第四，設(shè)計(jì)時交直流端子應(yīng)該布設(shè)在端子排的不同區(qū)域，要保持交直流端子之間的距離，同時要清晰標(biāo)識交流端子。第五，同一圓盤的開關(guān)或刀閘輔助觸頭不能分別用于交直流回路，以防止瞬時交直流混合引起的輔助觸頭動作。第六，盡量避免利用220 V交流電源系統(tǒng)，如拆除保護(hù)室柜內(nèi)的交流照明回路等。

2.3 直流接地的處理措施

必須準(zhǔn)備好直流接地巡檢的應(yīng)用工具，主要包括1個萬能表、1套檢測直流接地設(shè)備以及1個工具箱。直流接地檢查是危險(xiǎn)系數(shù)相當(dāng)高的工作，時常發(fā)生人為的兩點(diǎn)接地事故，引發(fā)保護(hù)誤動[4]，因此需采取相應(yīng)的安全措施。第一，操作中禁止誤碰回路。進(jìn)行測試前必須認(rèn)真核對回路，專人專管，杜絕出現(xiàn)大力拉扯電纜的現(xiàn)象。第二，帶電間隔禁止誤碰，專人實(shí)施管控，保證帶電設(shè)備的距離。第三，直流饋線屏是重要對象，應(yīng)預(yù)防巡查工作中直流接地的人為性。

3 直流接地檢查問題

正、負(fù)接地情況存在的故障要通過直流檢測裝置進(jìn)行檢查。嚴(yán)格檢查直流檢測裝置顯示故障的支路數(shù)，采用萬用表測量電壓，確定直流系統(tǒng)接地故障。變電站直流系統(tǒng)普遍為雙充雙饋雙電模式。通過一段帶負(fù)荷的母線投一路空氣開關(guān)來檢查直流雙母線的獨(dú)立性，以保證在系統(tǒng)運(yùn)行時兩段母線獨(dú)立。

綜合直流檢測體系檢測到的故障支路數(shù)，測量支路是否真正接地。如果查到接地問題，若退出空開直流接地的情況消失，則證明該支路發(fā)生了接地現(xiàn)象。倘若直流接地的現(xiàn)象沒有消失，需要更換另外的支路進(jìn)行檢測。倘若不能退出該空開，只能按照回路測量支路的下支路來確定接地點(diǎn)。確定出現(xiàn)直流接地的支路后，采用直流檢測設(shè)備檢測支路下端分支查出故障點(diǎn)?；谘b置測量的誤差性，測量過程中系統(tǒng)與確定的接地點(diǎn)分離時，待絕緣恢復(fù)正常才能真正確定接地點(diǎn)，隨后再采取相應(yīng)的處理措施。

4 結(jié) 論

無論是保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)還是不同種類的自動化設(shè)備中，電力系統(tǒng)的直流電源都起著舉足輕重的作用。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接取決于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)前，眾多的在線檢測設(shè)備和自動化設(shè)備在提升供電系統(tǒng)自動化和可靠性的同時，對直流系統(tǒng)提出了更高的要求。大型電網(wǎng)事故多是由直流接地或交流混合接地引起的，本文通過實(shí)踐證明了采取適當(dāng)措施可以避免類似事故的發(fā)生。