變電站交流電串入直流回路故障分析與措施

馮俊超　王旭　朱小超　王開冉

摘要：變電站直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地、短路或交流電串入直流回路故障時(shí)，將對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)造成不利影響，嚴(yán)重時(shí)致使保護(hù)裝置出現(xiàn)一系列的誤動(dòng)以及拒動(dòng)現(xiàn)象，使變電站內(nèi)部的一次設(shè)備失去保護(hù)。本文在研究的過(guò)程中主要對(duì)電力系統(tǒng)中的交流電串入直流電路中的現(xiàn)象進(jìn)行分析，探討交流電串入直流回路故障對(duì)直流系統(tǒng)及控制回路繼電器的危害及故障的產(chǎn)生原因，防止類似的事件再次發(fā)生，最大程度的將繼電保護(hù)的可靠性發(fā)揮出來(lái)，保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);接地故障;交流串成直流;保護(hù)裝置;繼電器

引言

在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)是其重要的組成部分，為一些繼電保護(hù)、斷路器操作電源、自動(dòng)化裝置、不停電交流系統(tǒng)（UPS）、控制以及信號(hào)回路提供穩(wěn)定的工作電源，但是直流系統(tǒng)電纜較為復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且支路較多，進(jìn)而電力系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，例如發(fā)生系統(tǒng)接地或交流直接串入直流電路的問(wèn)題。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生寄生電路，這些故障將對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的危害。

1.直流系統(tǒng)的配置概述

直流系統(tǒng)配置：直流電源按每單元機(jī)組分布設(shè)置為三組固定防酸式鉛酸蓄電池，其中一組的電壓為220V，其作用是增強(qiáng)電源的負(fù)荷以及提高直流事故照明負(fù)荷，另外兩組的電壓為110V，另外在每個(gè)機(jī)組單元內(nèi)配置兩組伏蓄電池，用于控制、信號(hào)、保護(hù)自動(dòng)化裝置。每臺(tái)機(jī)組單元配備兩個(gè)110V的電池，每組由53節(jié)電池組成。每機(jī)組單元：220V電池組，由107節(jié)電池組成，單路母線進(jìn)行連接。在使用輻射連接時(shí)需要依據(jù)直流饋線原則，同時(shí)還需要在直流系統(tǒng)的負(fù)荷集中區(qū)域設(shè)立直流分屏。110V直流系統(tǒng)和220V直流系統(tǒng)的相同處是兩者都包含有配電母線以及充電母線，其中充電母線的功能是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和蓄電池充電。電池通過(guò)各自的直流保險(xiǎn)絲直接連接到充電母線上，充電器與充電母線以及配電母線相連接就需要利用雙擲開關(guān)。充電母線在向配電母線進(jìn)行供電時(shí)需要通過(guò)進(jìn)線開關(guān)，而配電母線的兩端連接雙開開關(guān)，一般情況，會(huì)將母線進(jìn)行獨(dú)立工作，110V直流系統(tǒng)的配置與圖1220V直流系統(tǒng)的配置相似。絕緣監(jiān)控裝置，對(duì)此裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)通過(guò)非平衡電橋原理。

2.直流系統(tǒng)故障分析

2.1故障概述

2016年1月10日，我國(guó)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一起110kV某變電站故障跳閘，1號(hào)和2號(hào)變壓器非電量保護(hù)動(dòng)作跳閘，而3號(hào)主變壓器非電量保護(hù)動(dòng)作信號(hào)燈亮，工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查測(cè)試時(shí)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)主變壓器非電量保護(hù)裝置的信號(hào)燈亮，1號(hào)、2號(hào)主變壓器保護(hù)屏及操作箱跳閘燈亮，111、101、112、102開關(guān)跳閘，3號(hào)主變壓器非電量保護(hù)動(dòng)作未出口跳閘，3臺(tái)主變壓器在差動(dòng)保護(hù)以及后備保護(hù)均無(wú)動(dòng)作信息和異常。如圖1所示.

2.2故障經(jīng)過(guò)

變電站有3臺(tái)主變壓器，故障發(fā)生時(shí)，1號(hào)和2號(hào)主變壓器運(yùn)行在110kv Ⅰ母線上，并各帶10kV一段母線運(yùn)行，10kV 01斷路器聯(lián)絡(luò)運(yùn)行;3號(hào)主變壓器在110kV Ⅱ母線上運(yùn)行，單獨(dú)供10kV母線運(yùn)行。故障導(dǎo)致1號(hào)和2號(hào)主變壓器非電量保護(hù)動(dòng)作跳閘，切斷01斷路器聯(lián)絡(luò)的10kV兩段母線負(fù)荷，3號(hào)主變壓器非電量保護(hù)動(dòng)作，斷路器未出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。相關(guān)工作人員在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，3臺(tái)變壓器跳閘前非電量保護(hù)均接收到2ms的開入信號(hào)。由于開入信號(hào)持續(xù)時(shí)間非常短，非電量保護(hù)來(lái)不及出口跳閘，直至80ms后，1號(hào)、2號(hào)主變壓器非電量保護(hù)裝置接收到持續(xù)5ms的開人信號(hào)，導(dǎo)致繼電器持續(xù)抖動(dòng)。3號(hào)主變壓器的有接點(diǎn)抖動(dòng)，但其抖動(dòng)時(shí)間較短，僅報(bào)出非電量保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，未出口跳閘。

2.3原因分析

通過(guò)分析，3臺(tái)主變壓器在同一時(shí)間內(nèi)非電量保護(hù)動(dòng)作，可以將其自身帶來(lái)的故障因素消除，這類故障的起因是發(fā)生直流接地現(xiàn)象。該變電站內(nèi)的消弧線圈的控制屏在進(jìn)行布置時(shí)，需要將其安置在1號(hào)變壓器和2號(hào)變壓器保護(hù)屏的相鄰位置。

若消弧線圈控制電路出現(xiàn)問(wèn)題故障，將會(huì)對(duì)直流保險(xiǎn)螺旋底座產(chǎn)生不利影響，甚至發(fā)生融化現(xiàn)象，導(dǎo)致直流正極保險(xiǎn)被擊穿，由于屏內(nèi)的三相交流電壓保險(xiǎn)和直流電源保險(xiǎn)之間并沒有相應(yīng)的隔離措施，所以在保險(xiǎn)被擊穿后，消弧線圈就會(huì)導(dǎo)通底座的槽板，進(jìn)而使交流電流入到直流電路中，導(dǎo)致直流系統(tǒng)中的電源正極接地。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的非電量保護(hù)動(dòng)作跳閘的直接原因是由于變壓器中出現(xiàn)了直流系統(tǒng)接地或交流電串入直流電路的問(wèn)題。

3.直流系統(tǒng)變電站暴露的問(wèn)題分析

由于變壓器冷卻器控制設(shè)備與通信電路和直流電路相連，因此電力系統(tǒng)內(nèi)部控制設(shè)備因交流串聯(lián)變壓器冷卻器異常而變成直流，造成保護(hù)裝置或操作繼電器箱誤動(dòng)的事故頻繁發(fā)生，說(shuō)明檢修維護(hù)工作也有許多弊端;另外，部分早期運(yùn)行繼電器箱的運(yùn)行功率不符合反措要求。

4.防止交流電串入直流系統(tǒng)的措施

電力系統(tǒng)中的故障問(wèn)題非常多，重視交流電串入直流回路導(dǎo)致直流系統(tǒng)故障的問(wèn)題，相關(guān)的工作人員需要對(duì)故障的問(wèn)題有所掌握，一旦電力系統(tǒng)中出現(xiàn)直流系統(tǒng)故障，可以做出相應(yīng)的措施，務(wù)必保證系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)可以正常工作，同時(shí)也需要確保整個(gè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，基于此提出了以下的具體方案。

4.1加強(qiáng)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工管控

在電力企業(yè)設(shè)計(jì)變電站的建設(shè)工作以及變電站施工建筑過(guò)程中，在布置電纜時(shí)，一定要將其交流電纜和直流電纜分開，以避免交流電串入直流電路造成直流接地;所有二次回路電纜應(yīng)使用屏蔽電纜，屏蔽層的兩端應(yīng)接地，嚴(yán)禁用電纜內(nèi)的空線代替屏蔽層接地;交流和直流端子應(yīng)分開，中間加裝隔離端子，并使用不同的顏色或標(biāo)題加以區(qū)分，以防止工作人員誤將交流量接入直流回路中;中間繼電器非電量保護(hù)中開關(guān)場(chǎng)部分，由強(qiáng)大的電動(dòng)直流啟動(dòng)，且中間繼電器啟動(dòng)功率高應(yīng)采用符合要求的起始功率不低于5w，工作過(guò)程中的電壓大小應(yīng)該保持在額定電壓的一半以上，但是不能超過(guò)70%的額定電壓，另外在進(jìn)行操作過(guò)程中，持續(xù)的時(shí)間也不可以少于10ms。

4.2改進(jìn)直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置

傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)裝置過(guò)于落后，監(jiān)測(cè)不到變電站系統(tǒng)中出現(xiàn)的交流串入直流系統(tǒng)的故障，所以為了更好地監(jiān)測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題，必須優(yōu)化完善絕緣監(jiān)測(cè)裝置，以便交流或直流系統(tǒng)發(fā)生絕緣異常或交流接入直流電路時(shí)，能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，及時(shí)處理。

4.3改進(jìn)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置

隔離變壓器和濾波電容器安裝在繼電保護(hù)裝置的交流輸入電路中，從物理層分析是，將交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)兩者與大地進(jìn)行分離，這樣可以有效避免直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)出現(xiàn)的電耦合現(xiàn)象，可以最大程度的將直流系統(tǒng)中的交流電量進(jìn)行消除，進(jìn)而避免繼電保護(hù)裝置做出誤動(dòng)。

4.4嚴(yán)格控制直流系統(tǒng)電纜布置方式

根據(jù)直流系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直流系統(tǒng)的電纜不應(yīng)鋪設(shè)太長(zhǎng)，應(yīng)避免和減少向后移動(dòng)，在鋪設(shè)電纜的過(guò)程中，原則上不能低于400米的，電纜的長(zhǎng)度取決于直流系統(tǒng)中正負(fù)極帶開關(guān)場(chǎng)的電纜芯數(shù)，兩者成正比，正、負(fù)電纜到地的分布電容越大，一旦交流串入到直流電路中，繼電器交流電壓就會(huì)發(fā)生衰減現(xiàn)象，并且越來(lái)越慢，所以在直流系統(tǒng)中應(yīng)該布置二次電纜。電力系統(tǒng)中的直流電路中產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)荷時(shí)，可以對(duì)整個(gè)電路考慮單獨(dú)供電，有效縮短鋪設(shè)的電纜長(zhǎng)度，在單段的直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障問(wèn)題時(shí)，可以確保故障段進(jìn)行正常工作，在設(shè)計(jì)制定直流系統(tǒng)時(shí)，需要對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行充分的考慮，也為繼電保護(hù)安全可靠的運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.5提高直流系統(tǒng)告警信號(hào)的重要級(jí)別

直流系統(tǒng)警告信號(hào)，如“直流系統(tǒng)接地”、“直流電壓降低”、“直流絕緣異?！钡?，建議將其視為1級(jí)缺陷。此類信號(hào)也可被視為保護(hù)性事故信號(hào)旁邊的一個(gè)類別，以避免事故范圍的擴(kuò)大。

總結(jié)

由于直流系統(tǒng)在變電站中起著極其重要的作用，所以一旦出現(xiàn)故障就會(huì)造成極其嚴(yán)重的危害，就之前出現(xiàn)的故障實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)的建議，以供參考。

嚴(yán)格執(zhí)行電網(wǎng)公司反事故措施的標(biāo)準(zhǔn)，確保交流電路和直流電路明顯分開，避免出現(xiàn)寄生回路的現(xiàn)象發(fā)生。

在選擇相應(yīng)的設(shè)備產(chǎn)品時(shí)，需要選擇一些較為安全可靠、性能高的產(chǎn)品，盡可能的做到不出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，加強(qiáng)直流系統(tǒng)電源的整改力度，在選擇保險(xiǎn)的代替品時(shí)可以考慮選擇用直流空氣開關(guān)，可以有效的避免出現(xiàn)底座熔化現(xiàn)象的，從而最大程度的將電纜的繼電保護(hù)裝置的工作效率發(fā)揮出來(lái)，防止直流系統(tǒng)串聯(lián)交流充電引起跳閘出口繼電器抖動(dòng)。

多注意直流系統(tǒng)的異?；蚬收?，直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地是不可忽視的，當(dāng)交流串入直流電路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)快速形成兩點(diǎn)接地現(xiàn)象或者多點(diǎn)接地現(xiàn)象，對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害。對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修管理的工作人員需要定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)維修，排出一系列隱患，避免電力系統(tǒng)中出現(xiàn)直流系統(tǒng)接地現(xiàn)象，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]丁曉兵，趙曼勇，皮顯松，等.?防止交流串入直流導(dǎo)致母線保護(hù)誤動(dòng)的措施[J].?電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，（22）：97-99.

[2]吳劍鳴，嚴(yán)正.?控制電纜的分布電容對(duì)繼電保護(hù)的影響及防范措施[J].?電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，（11）：115-118，121.

[3] 唐文秀.?直流回路一點(diǎn)接地和交直流串?dāng)_引起保護(hù)誤動(dòng)及其對(duì)策[J].?電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，（09）：123-125.

第一作者：馮俊超，性別：男，出生日期：1995年1月25日，籍貫：云南瀘西，民族：漢族，單位：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局、職稱：助理工程師、學(xué)歷：大學(xué)本科、研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化