一起直流系統(tǒng)多點(diǎn)環(huán)網(wǎng)引起的故障分析

陳瑞珍，曹文彬，代文良，曹暉

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長(zhǎng)沙410004)

0 引言

重要變電站或發(fā)電廠的直流系統(tǒng),為提高供電可靠性,大多配置兩套直流系統(tǒng)[1-2]。正常情況下,兩套直流系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,沒有直接的電氣聯(lián)系,但實(shí)際運(yùn)行中,往往由于各種原因,造成兩套直流系統(tǒng)之間出現(xiàn)電氣連接,形成環(huán)網(wǎng)故障[3-5],直流系統(tǒng)故障可能會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置無(wú)法正確動(dòng)作,使得在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)擴(kuò)大事故范圍[6-8]。

某220 kV變電站在進(jìn)行UPS電源改造過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)一旦將原UPS退出即會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)極對(duì)地電壓大幅波動(dòng),最終發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)內(nèi)存在多點(diǎn)環(huán)網(wǎng)。本文針對(duì)此次故障進(jìn)行了詳細(xì)分析,總結(jié)了排查此類故障的經(jīng)驗(yàn),并對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行和相關(guān)改造提出了一些建議。

1 運(yùn)行方式與故障簡(jiǎn)述

該變電站UPS電源采用兩臺(tái)主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的方式,兩臺(tái)主機(jī)在同一屏內(nèi),交流電源引自低配室,分別引入一路主交流與一路旁路交流,后在屏內(nèi)分開給兩臺(tái)主機(jī)供電；直流電源從直流饋線屏引入,兩臺(tái)主機(jī)直流電源分別取自不同段直流母線,基本原理圖如圖1所示。

直流電源系統(tǒng)采用兩段分段運(yùn)行方式,改造前直流系統(tǒng)無(wú)告警信號(hào),改造施工時(shí),斷開UPS主交流或直流輸入均會(huì)造成兩段直流系統(tǒng)出現(xiàn)極對(duì)地電壓大范圍波動(dòng)的情況 (以Ⅰ段直流系統(tǒng)為例,正對(duì)地電壓波動(dòng)范圍在60～300 V),兩段直流系統(tǒng)均發(fā)出絕緣故障告警。該現(xiàn)象致使改造工作無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行,且通過(guò)故障現(xiàn)象可以判斷直流系統(tǒng)存在故障,影響了直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖1 UPS并聯(lián)運(yùn)行基本原理圖

2 故障原因排查

2.1 交流竄入直流系統(tǒng)

直流系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)交流竄入[9-10]時(shí),對(duì)地電壓包含交流分量,此時(shí)測(cè)量極對(duì)地直流電壓,由于交流分量的存在電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。由于該站UPS運(yùn)行年限較久,可能存在UPS裝置內(nèi)部老化導(dǎo)致設(shè)備絕緣性能下降進(jìn)而引起交直流回路短路,因此首先懷疑故障由交竄直引起。但現(xiàn)場(chǎng)將UPS完全退出后,異常情況仍然存在,且測(cè)量直流系統(tǒng)對(duì)地電壓交流分量接近為零,排除故障為交流竄入直流引起。

2.2 平衡橋損壞或接地異常

直流系統(tǒng)為不接地系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)無(wú)對(duì)地參考點(diǎn)時(shí)將無(wú)法測(cè)量極對(duì)地直流電壓,正常運(yùn)行時(shí)為能準(zhǔn)確測(cè)量極對(duì)地電壓并對(duì)系統(tǒng)絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),每段直流系統(tǒng)均配置了平衡橋[11]。但若平衡橋損壞或接地異常,直流系統(tǒng)不存在對(duì)地參考點(diǎn),此時(shí)測(cè)量極對(duì)地電壓所表現(xiàn)出的是電壓波動(dòng)的現(xiàn)象,因此懷疑可能存在裝置內(nèi)部平衡橋損壞或平衡橋接地異常導(dǎo)致直流系統(tǒng)失去對(duì)地參考點(diǎn)的情況。

現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)絕緣監(jiān)測(cè)裝置平衡橋接地點(diǎn)與屏內(nèi)接地銅排導(dǎo)通后,另引一根接地線將接地銅排與地網(wǎng)重復(fù)接地,異?，F(xiàn)象未消除,排除故障為平衡橋接地異常導(dǎo)致。將直流系統(tǒng)內(nèi)平衡橋拆除,接入便攜式平衡橋,再次進(jìn)行嘗試,發(fā)現(xiàn)異常情況未消除,排除故障為平衡橋損壞引起。

2.3 直流系統(tǒng)存在接地或環(huán)網(wǎng)

將原UPS投入運(yùn)行使直流系統(tǒng)恢復(fù)無(wú)告警狀態(tài),通過(guò)模擬接地觸發(fā)絕緣監(jiān)測(cè)裝置的接地巡檢功能。Ⅰ段除接地支路外,另外選出兩條支路,指向UPS電源屏與所用變及備自投屏,Ⅱ段同樣指向UPS電源屏與所用變及備自投屏,直接觀察發(fā)現(xiàn),直流系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),所用變及備自投屏內(nèi)電壓監(jiān)視裝置無(wú)法正常工作,其顯示屏?xí)r亮?xí)r滅。因此懷疑系統(tǒng)內(nèi)存在兩個(gè)環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn),兩處環(huán)網(wǎng)點(diǎn)之間的影響導(dǎo)致了此次直流系統(tǒng)故障。

現(xiàn)場(chǎng)檢查所用變及備自投屏內(nèi)電壓監(jiān)視裝置正極取自Ⅰ段直流電源,負(fù)極取自Ⅱ段直流電源,解除該處故障點(diǎn)后,由于UPS無(wú)法拆解,利用電阻在Ⅰ段母線做正/負(fù)接地試驗(yàn)以驗(yàn)證UPS處環(huán)網(wǎng)的存在形式,接地試驗(yàn)時(shí)兩段直流母線極對(duì)地電壓具有相同的偏移趨勢(shì),且對(duì)地電壓值基本一致,見表1。

表1 UPS環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn)接地試驗(yàn)結(jié)果

至此確認(rèn)兩段直流系統(tǒng)之間存在兩個(gè)環(huán)網(wǎng)點(diǎn),將兩處環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn)解環(huán)后,直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。環(huán)網(wǎng)點(diǎn)1:所用變及備自投屏內(nèi)電壓監(jiān)視裝置正極取自Ⅰ段直流電源,負(fù)極取自Ⅱ段直流電源,此處存在正-負(fù)環(huán)網(wǎng)。環(huán)網(wǎng)點(diǎn)2:UPS電源屏裝置內(nèi)部存在環(huán)網(wǎng),環(huán)網(wǎng)形式為正-正、負(fù)-負(fù)環(huán)網(wǎng),且環(huán)網(wǎng)點(diǎn)電阻值很小。

3 故障分析

3.1 直流系統(tǒng)異常發(fā)生前

兩段直流系統(tǒng)在UPS內(nèi)部形成正-正、負(fù)-負(fù)環(huán)網(wǎng),在所用變電壓監(jiān)視裝置處形成正-負(fù)極互竄的環(huán)網(wǎng),其電路原理圖如圖2所示。圖中R為平衡橋電阻,E1為Ⅰ段直流系統(tǒng)電壓,E2為Ⅱ段直流系統(tǒng)電壓,R2為UPS內(nèi)部環(huán)網(wǎng)點(diǎn)電阻、R1為電壓監(jiān)視裝置電阻。

圖2 直流系統(tǒng)兩處環(huán)網(wǎng)示意圖

根據(jù)圖2,假設(shè)兩段直流系統(tǒng)母線電壓相等,即E1＝E2,根據(jù)基爾霍夫定律[12],

又,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)UPS環(huán)網(wǎng)點(diǎn)的驗(yàn)證 (接地試驗(yàn)時(shí)偏移趨勢(shì)與幅度一致),可以判斷R2值很小,接近于0,于是有i1≈E1/R1,則Ⅰ段母線正對(duì)地電壓U1＝iR＝E1/2。

可以看出,雖然此時(shí)直流系統(tǒng)存在兩個(gè)環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn),但兩段直流系統(tǒng)表現(xiàn)出的正負(fù)對(duì)地電壓均衡,且與R1無(wú)關(guān),表面上直流系統(tǒng)不存在故障。

3.2 直流系統(tǒng)異常發(fā)生時(shí)

斷開UPS的兩路直流輸入開關(guān),將原UPS與直流系統(tǒng)隔離,直流系統(tǒng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象,此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)只存在電壓監(jiān)視裝置處的正-負(fù)環(huán)網(wǎng)點(diǎn),其電路原理圖如圖3所示,圖中R為平衡橋電阻,R1為環(huán)網(wǎng)點(diǎn)電阻,E1為Ⅰ段直流系統(tǒng)電壓,E2為Ⅱ段直流系統(tǒng)電壓。

圖3 直流系統(tǒng)正-負(fù)環(huán)網(wǎng)示意圖

根據(jù)圖3,根據(jù)基爾霍夫定律,

可以看出,此時(shí)Ⅰ段母線正對(duì)地電壓U1受環(huán)網(wǎng)點(diǎn)電阻R1影響。若R1為恒定值,則Ⅰ段母線正對(duì)地電壓U1也為恒定值；若R1為變化值,則Ⅰ段母線正對(duì)地電壓U1也為變化值。

3.3 故障分析總結(jié)

對(duì)于UPS電源內(nèi)部環(huán)網(wǎng),該站UPS電源運(yùn)行年限較久,此前曾頻發(fā)過(guò)載告警,但實(shí)測(cè)輸出電流遠(yuǎn)未達(dá)到額定電流,改造前觀察表計(jì)發(fā)現(xiàn),兩臺(tái)主機(jī)之間存在較大環(huán)流。而實(shí)際運(yùn)行中UPS由于老化等各種原因逆變輸出中含有直流分量,直流分量的差值在雙機(jī)并聯(lián)時(shí)會(huì)形成直流環(huán)流[13-15],環(huán)流在兩臺(tái)UPS主機(jī)之間流動(dòng),如圖4所示。兩臺(tái)UPS主機(jī)各自接入不同段直流電源,直流電源在UPS之間形成環(huán)流,使得兩套直流系統(tǒng)形成環(huán)網(wǎng)?？梢钥闯?無(wú)論斷開UPS主交流 (整流器停止工作)或直流輸入,都可以使此處環(huán)網(wǎng)故障解環(huán)。

圖4 UPS并聯(lián)運(yùn)行直流環(huán)流示意圖

將UPS所在的環(huán)網(wǎng)點(diǎn)解除后,此時(shí)直流系統(tǒng)存在電壓監(jiān)視裝置處的正-負(fù)環(huán)網(wǎng)點(diǎn),而電壓監(jiān)視裝置工作狀態(tài)不穩(wěn)定,引起圖3中電阻R1反復(fù)變化,最終導(dǎo)致直流系統(tǒng)極對(duì)地電壓波動(dòng)的現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

1)出現(xiàn)直流系統(tǒng)對(duì)地電壓波動(dòng)時(shí),可考慮的故障因素有交流竄入直流系統(tǒng)、系統(tǒng)平衡橋損壞、平衡橋接地異常、直流系統(tǒng)內(nèi)部存在環(huán)網(wǎng)或接地。

2)直流系統(tǒng)存在接地或環(huán)網(wǎng)故障時(shí),若故障點(diǎn)電阻為定值,直流系統(tǒng)極對(duì)地電壓不平衡但比較穩(wěn)定。若故障點(diǎn)電阻為變化值,直流系統(tǒng)極對(duì)地電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的情況。

3)變電站內(nèi)UPS電源采用兩臺(tái)主機(jī)并聯(lián)運(yùn)行或主從運(yùn)行方式時(shí),由于UPS裝置老化等因素使兩臺(tái)主機(jī)之間存在較大環(huán)流時(shí),可能導(dǎo)致站內(nèi)直流系統(tǒng)之間形成環(huán)網(wǎng),影響直流系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4)在進(jìn)行涉及直流系統(tǒng)的改造工作前,建議先驗(yàn)證直流系統(tǒng)運(yùn)行是否正常,主要確認(rèn)直流系統(tǒng)是否存在接地或環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn),可通過(guò)模擬接地的方法快速判斷,先排除故障再進(jìn)行改造,可有效提升工作效率。