一種新型的直流系統(tǒng)絕緣互竄檢測方法

吳繼健 肖遠兵 陳月 劉忠祥 歐陽建

摘 ?要：直流電源系統(tǒng)是站用電源系統(tǒng)的重要組成部分，相當于變電站的“心臟”，其絕緣水平直接影響到變電站的安全運行[1]。因此，準確監(jiān)測直流系統(tǒng)絕緣故障是提高電網(wǎng)運行可靠性的關(guān)鍵。直流互竄現(xiàn)象也稱為環(huán)網(wǎng)故障，是直流系統(tǒng)中一種常見且危害性較大的故障。傳統(tǒng)用測量儀表測試直流系統(tǒng)各項工作參數(shù)的方法很難及時檢測和判定故障點，而現(xiàn)有絕緣檢測裝置又存在缺少直流互竄檢測功能、故障誤報、互竄檢測過程中干擾直流系統(tǒng)正常運行等缺陷。針對上述問題，文章首先對變電站直流互竄故障產(chǎn)生原因、危害及類型進行闡述分析，提出一種新型的直流互竄檢測方法。該方法采用互竄檢測橋，對兩套直流系統(tǒng)母線之間直流互竄故障進行實時監(jiān)控、精準定位、計算互竄電阻，并以在220kV變電站的實際應(yīng)用檢測數(shù)據(jù)驗證該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：直流電源系統(tǒng);絕緣監(jiān)測;直流互竄;直流互竄檢測;互竄檢測橋

中圖分類號：TM721 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0026-05

Abstract： DC power supply system is very important in substations， it is equivalent to the "heart" of substation. The insulation level directly affects the safe operation of substation. Therefore， accurately monitoring the insulation fault of DC system is the key to improve the reliability of power grid. DC inter-connect is a common and harmful fault in DC system. The traditional instruments which measure the parameters of DC system can't easily detect faults， and the existing insulation detection devices have some defects such as lack of DC inter-connect detection function， false alarm and interference with the normal operation of DC system when detecting inter-connect. For the above problems， this paper first analyses the cause， hazards and types of DC inter-connect faults in substations， and then proposes a new DC inter-connect detection method. Based on the inter-connect bridge， this method monitors， locates accurately and calculates the inter-connect resistance between two sets of DC system， and the effect is verified by the application in 220 kV substation.

Keywords： DC power system; insulation detection; DC inter-connect; DC inter-connect detection; inter-connect detection bridge

引言

變電站直流系統(tǒng)為斷路器分合閘及二次回路繼保設(shè)備、故障照明等重要負載提供直流電源。[1]系統(tǒng)主回路一般由交流電源、充電裝置、蓄電池組、降壓裝置、直流母線以及饋線部分組成，其監(jiān)控系統(tǒng)又由主監(jiān)控、絕緣監(jiān)測裝置、交流監(jiān)測裝置、蓄電池巡檢裝置等組成。由于整個直流電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜、線路分支多，因此在實際運行中容易發(fā)生由誤接線、誤操作、裝置性能下降等情況導(dǎo)致的絕緣接地、直流互竄等故障。如不能及時排查，將會給直流系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備帶來極大危害，影響直流系統(tǒng)乃至整個變電站的安全運行。其中，兩段直流母線分列運行是220kV及以上重要變電站的常用直流電源模式，較單一直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也更易引起直流互竄故障。現(xiàn)有技術(shù)一般采用外接儀表測試或由絕緣監(jiān)測系統(tǒng)檢測，但是存在接線復(fù)雜、缺少直流互竄檢測功能、互竄故障誤報或是檢測過程中對直流系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等問題。如何及時準確判定故障類型、定位故障點、計算互竄電阻是目前研究的技術(shù)難點。[2]

1 直流互竄故障分析

1.1 產(chǎn)生直流互竄的原因

在重要變電站中通常會設(shè)置兩套直流電源系統(tǒng)，正常運行狀態(tài)下相互獨立，兩段直流母線要求保持絕緣。但在實際運行中，常常會因為各種因素而出現(xiàn)電氣連接，形成直流互竄現(xiàn)象，也稱為環(huán)網(wǎng)故障。產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)故障的主要原因有：

（1）在變電站新建、擴建或改造施工過程中，負荷電源會被同時接入兩段直流系統(tǒng)中，形成寄生回路，產(chǎn)生直流互竄故障。[3]

（2）運行維護人員在進線電力負荷操作時，需將同一負荷中的兩段母線開關(guān)同時合上，然后再斷開其中一路開關(guān)，進而實現(xiàn)母線切換[4]，如果誤操作沒有斷開其中一路開關(guān)，兩段直流系統(tǒng)便會發(fā)生并列運行，形成環(huán)網(wǎng)。

（3）在原有的直流系統(tǒng)工作狀態(tài)下，再加入另一套直流系統(tǒng)，分配給新建直流系統(tǒng)的電力負荷就會與原始的直流系統(tǒng)發(fā)生電氣連接的狀況，從而導(dǎo)致直流互竄故障。

（4）在同一根電纜中有兩套直流系統(tǒng)，當分別屬于兩段母線的電纜之間絕緣材料出現(xiàn)問題時，將導(dǎo)致直流互竄故障。[4]

（5）某些二次設(shè)備由兩套直流系統(tǒng)供電（互為備用），由于裝置內(nèi)部沒有絕緣隔離導(dǎo)致直流互竄故障。

1.2 直流互竄的危害

直流互竄現(xiàn)象是變電站直流系統(tǒng)運行中的一種常見故障，給整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行造成極大威脅，存在如下安全隱患：

（1）直流饋線電路中若出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)故障，可能導(dǎo)致饋線燒毀，甚至引起火災(zāi)，造成更大事故。

（2）導(dǎo)致兩段蓄電池并列運行，從而產(chǎn)生巨大環(huán)流，出現(xiàn)發(fā)熱情況，甚至可能引起火災(zāi)，同時會加速蓄電池老化，降低使用壽命。

（3）導(dǎo)致接地故障檢測靈敏度下降。[5]一點接地時不發(fā)出接地告警，或當發(fā)生一點接地時，兩段直流系統(tǒng)同時發(fā)出接地告警，無法區(qū)分故障位置;而接地故障也會引發(fā)操作電源的誤動作。

（4）導(dǎo)致直流系統(tǒng)整體分布電容增大，一點接地時可能引起繼電保護動作。

（5）引起設(shè)備拒動、空開極差配合失效等。

因此，國家相關(guān)部門對直流互竄環(huán)網(wǎng)問題愈發(fā)重視，在新的絕緣技術(shù)規(guī)范中已明確提出直流電源監(jiān)測必須對直流互竄故障進行告警和保護，并能選出直流互竄的故障支路。

2 直流互竄故障類型

文章分析研究兩套直流系統(tǒng)互竄故障的四種典型狀況，分別為兩段母線的正-正極互竄、負-負極互竄、正-負極互竄、負-正極互竄。不同類型的等效電路示意圖如圖1所示。

其中，正-正極互竄表現(xiàn)為直流一段母線正極與直流二段母線正極形成回路，使兩段直流電源正極對地電壓相等，即U1+=U2+;

負-負極互竄表現(xiàn)為直流一段母線負極與直流二段母線負極形成回路，使兩段直流電源負極對地電壓相等，即U1-=U2-;

正-負極互竄和負-正極互竄表現(xiàn)為直流一段母線與直流二段母線的正負或負正極形成回路，使兩段直流電源端電壓增加一倍即U=2U1=2U2。

3 直流互竄檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 直流互竄檢測系統(tǒng)原理框圖

對兩套直流電源環(huán)網(wǎng)故障的檢測方法，是一種可提供直流互竄類型判斷和準確定位故障點、精確計算互竄電阻的新型方法，具有在線監(jiān)測功能，可及時排除直流互竄故障隱患。直流互竄檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理是由兩套絕緣監(jiān)測主機對兩段母線電壓進行檢測，并通過饋線從機模塊對漏電流進行實時檢測。該系統(tǒng)定時啟動直流互竄檢測，自動對絕緣監(jiān)測主機內(nèi)部電路橋進行投切，使兩段絕緣監(jiān)測主機聯(lián)絡(luò)配合檢測，完成對互竄類型的判定，確定故障是否存在。絕緣監(jiān)測主機與饋線從機模塊進行通訊，根據(jù)饋線從機檢測到的漏電流進而選取發(fā)生直流互竄故障的饋線支路。[6-7]直流互竄檢測系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2 預(yù)判互竄類型

直流互竄類型的判定方法是通過絕緣監(jiān)測主機裝置在一段直流母線引入互竄檢測橋，再將二段直流母線正負極依次連接到互竄檢測橋中心點，產(chǎn)生不同的中點電壓，對比前后接入的二段直流母線正負極到一段檢測橋的中點電壓，預(yù)判當前系統(tǒng)的直流互竄類型[8]。檢測流程如下：

（1）流程1

切斷PE至二段母線絕緣裝置的檢測模擬地AGND的連接，如圖3所示，將圖中K1斷開。此項操作目的是避免受二段母線回路分流影響，使下一流程中互竄檢測橋引入系統(tǒng)后，可以通過電路節(jié)點電流流入和流出相等原理構(gòu)建等效方程式[9]。

（2）流程2

圖3中絕緣監(jiān)測主機閉合K2繼電器觸點，將直流二段母線正極與直流一段母線互竄檢測橋的中點形成電氣連接，注意此時務(wù)必保證直流二段母線負極與一段母線互竄檢測橋中點間是斷開的，K2繼電器線圈閉合，K3繼電器線圈斷開，此時可計算得到中點電壓U0，一段母線正負對地電壓U1+、U1-[9]。

（3）流程3

圖3中絕緣監(jiān)測主機閉合K3繼電器觸點，將直流二段母線負極與直流一段母線互竄檢測橋的中點形成電氣連接，注意此時務(wù)必保證直流二段母線正極到一段母線互竄檢測橋中點間一定是斷開的，K3繼電器線圈閉合，K2繼電器線圈斷開，同理可得到中點電壓和一段母線正負對地電壓[9]。

根據(jù)由檢測流程2、3分別得到的中點電壓U0值和正負類型，從而預(yù)判當前互竄環(huán)路類型，用于構(gòu)建等效電路圖。根據(jù)大量的測試和驗證數(shù)據(jù)證明，通過建立等效方程式，計算等效互竄電阻與實際故障電阻相符，可以準確判斷直流互竄故障的存在。

3.3 計算互竄電阻、判定母線互竄故障

3.3.1 正-正極互竄類型

當預(yù)判母線互竄環(huán)路類型為一段正極與二段正極互竄類型，該互竄類型中二段正母線引入一段互竄橋中點的等效電路示意圖如圖4所示。

式中：i1為一段母線正極流入平衡橋正極的電流，R1為平衡橋正極電阻;i2為二段母線正極流入到平衡橋中點電流;i3為平衡橋中點通平衡橋負極電阻過R2流入到一段母線負極的電流;Rx為互竄等效電阻;U0為平衡橋中點電壓;Ua和Ub為一段母線正負對地電壓。

由上面方程式可求該互竄類型的等效互竄電阻值Rx，絕緣監(jiān)測主機設(shè)置的母線互竄電阻限值R1已知，如果Rx？燮R1，則存在互竄環(huán)路，且為正-正極類型互竄;反之，則判定當前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路[10]。

3.3.2 負-負極互竄類型

當預(yù)判母線互竄環(huán)路類型為一段負極與二段負極互竄類型，該互竄類型中二段負極母線引入一段互竄橋中點的等效電路示意圖如圖5所示。

式中：U1為平衡橋中點電壓;Um和Un為一段母線正負對地電壓。

由上式可求出等效互竄電阻值Rx，如果Rx？燮R1，則判定當前系統(tǒng)存在互竄環(huán)路，且為負-負極類型互竄;反之，則判定當前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路。[10]

3.3.3 正-負極互竄類型

當預(yù)判母線互竄環(huán)路類型為一段正極與二段負極互竄類型，該互竄類型中二段負極母線引入一段互竄橋中點的等效電路示意圖如圖6所示。

由上式可求出等效互竄電阻值Rx，如果Rx？燮R1，則判定當前系統(tǒng)存在互竄環(huán)路，且為正-負極類型互竄;反之則判定當前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路。

3.3.4 負-正極互竄類型

預(yù)判母線互竄環(huán)路類型為一段負極與二段正極互竄類型，該互竄類型中二段正母線引入一段互竄橋中點的等效電路圖如圖7所示。

由方程式可求該互竄類型的等效互竄電阻值Rx，絕緣監(jiān)測主機設(shè)置的母線互竄電阻限值R1已知，如果Rx？燮R1，則判定當前系統(tǒng)存在互竄環(huán)路，且為負-正極類型互竄;反之則判定當前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路。

3.4 直流互竄故障定位

在對直流互竄類型和互竄阻值進行準確判定和計算后，絕緣監(jiān)測主機與饋線從機聯(lián)絡(luò)通信配合，一段絕緣主機下發(fā)廣播命令告知一段母線的所有從機進行相應(yīng)類型的支路輪詢選線，如一段母線為正極環(huán)路，則進行正極選線，反之進行負極選線，與此同時一段主機同樣通過聯(lián)絡(luò)口告知二段絕緣監(jiān)測主機，當前二段母線絕緣監(jiān)測主機的環(huán)路類型，二段母線絕緣監(jiān)測主機收到命令后，對其所有從機進行選線命令的廣播下發(fā)，所有從機通過漏電流檢測法，輪詢所有支路的漏電流，并判定與互竄環(huán)路時的漏電限值比較，對兩段饋線環(huán)路的支路進行定位分析，選出對應(yīng)的互竄支路，互竄之路選線流程圖如圖8所示。絕緣監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出聲光告警的同時將故障信息傳送至后臺監(jiān)控。

4 應(yīng)用與測試數(shù)據(jù)

上述直流互竄檢測方法已在220kV變電站直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測中得到應(yīng)用，減少了變電站運維人員的運維服務(wù)工作量，使直流系統(tǒng)的可靠性得到提高，使環(huán)路故障難檢測或者檢測方法不當問題得到了徹底的改善。當前，環(huán)網(wǎng)檢測已經(jīng)逐步成為南網(wǎng)和國網(wǎng)的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的硬性指標。應(yīng)用此設(shè)計方法開發(fā)的絕緣監(jiān)測主機和饋線從機模塊已分別對四種典型互竄類型進行了測試驗證，測試數(shù)據(jù)證明該方法能精確的對系統(tǒng)直流互竄故障分析和檢測，通過用不同阻值的電阻模擬兩段系統(tǒng)之間互竄，得到的互竄檢測的測試數(shù)據(jù)見表1。

5 結(jié)論

直流互竄，即環(huán)網(wǎng)故障是直流系統(tǒng)中比較嚴重的故障，給直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行帶來很大的影響和危害，運行維護人員通過設(shè)備監(jiān)測到互竄故障后，要嚴格按照運行管理規(guī)范處理問題，不能逃避解決環(huán)網(wǎng)故障，以保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

直流互竄檢測設(shè)計方法可在線自動檢測兩段直流系統(tǒng)互竄，也可通過手動啟動互竄環(huán)路檢測。[15]自動定時檢測過程可以不需要運行維護人員到現(xiàn)場觀察，根據(jù)設(shè)定的互竄定期檢測周期，自動啟動互竄檢測，如果檢測到當前兩段系統(tǒng)存在互竄環(huán)路告警，系統(tǒng)會自動循環(huán)檢測，并通過485通訊上傳至后臺通知運行維護人員，直至環(huán)路解開或者手動停止檢測。不但能夠精確有效的檢測出當前互竄故障是否存在，判斷直流互竄類型，選出互竄的饋線支路，具有計算當前互竄等效電阻值功能，自動完成檢測過程，確保這個變電站的“心臟”能夠穩(wěn)定可靠的運行。

在實際變電站系統(tǒng)進行測試驗證，在兩段直流系統(tǒng)饋線支路間分別引入四種互竄類型、不同阻值的電阻，經(jīng)多次驗證可百分之百精確檢測互竄故障，計算互竄的阻值，并選出兩段直流母線互竄支路，無誤告警。同時，本檢測方法還是存在著多級互竄故障檢測不準的問題，這也是互竄故障檢測后續(xù)需要進一步研究的方向。

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