直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障危害分析

曹文彬，羅威，陳瑞珍

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南長沙 410004)

0 引言

220 kV及以上變電站運(yùn)行中，環(huán)境、檢修等因素常常導(dǎo)致兩套獨(dú)立運(yùn)行的直流電源系統(tǒng)發(fā)生非正常的電氣連接[1－2]，這種電氣連接被形象地稱為直流環(huán)網(wǎng)[3－4]。環(huán)網(wǎng)故障是直流電源系統(tǒng)絕緣故障的常見形式之一[5－6]。直流電源系統(tǒng)和負(fù)載供電的方式導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)故障，將造成保護(hù)裝置誤動、拒動、火災(zāi)、蓄電池組壽命縮短等嚴(yán)重后果[7－9]，故正常運(yùn)行方式下，禁止兩套直流電源系統(tǒng)長時間環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

本文分析環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因、環(huán)網(wǎng)類型，構(gòu)建直流電源系統(tǒng)不同環(huán)網(wǎng)情況下的等效電路，重點(diǎn)從電路結(jié)構(gòu)的角度分析環(huán)網(wǎng)危害的電壓表現(xiàn)形式，闡述環(huán)網(wǎng)故障危害的本質(zhì)，最后結(jié)合環(huán)網(wǎng)故障的物理現(xiàn)象給出環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法。

1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因及危害

文獻(xiàn)[10]規(guī)定當(dāng)圖1中環(huán)網(wǎng)電阻小于20 kΩ時，應(yīng)發(fā)出環(huán)網(wǎng)故障聲光報警信號。

圖1 直流環(huán)網(wǎng)故障

1.1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生的原因

1)接線時打混。大修技改施工時，由于電纜較多，接線時易混接，導(dǎo)致某個負(fù)載由Ⅰ段正極(負(fù)極)和Ⅱ段負(fù)極(正極)供電。這是屬于較隱蔽的類型，由于負(fù)載可正常供電，運(yùn)行中不易被發(fā)現(xiàn)。

2)倒負(fù)荷操作。將某負(fù)荷轉(zhuǎn)到另一段母線后，未斷開原來供電的負(fù)荷開關(guān)，導(dǎo)致該負(fù)荷由兩段母線同時供電[11]，從而產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)，造成了雙極環(huán)網(wǎng)，如蓄電池組檢修試驗中，在退出被試蓄電池組前需合母聯(lián)。

3)雙電源負(fù)載。重要的保護(hù)回路采用雙電源配置[12]，正常工作狀態(tài)下，只投一路，若兩路都投則造成環(huán)網(wǎng)。

4)設(shè)備內(nèi)部隔離不徹底。某些裝置采用兩路電源(互為備用)，但裝置內(nèi)部卻沒有隔離或隔離不徹底[13]。

5)運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致絕緣老化。在同一電纜中，分屬兩段母線的供電電纜內(nèi)部破損造成環(huán)網(wǎng)[14]；蓄電池組或者充電機(jī)輸出電纜共用一個通道，運(yùn)行時間長導(dǎo)致電纜破損產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)。

D礦區(qū)位于滇南，地層主要為三疊系、石炭系、泥盆系，巖性主要為頁巖、板巖、砂巖、灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、火山碎屑巖、鉛鋅礦，測量結(jié)果見表4：

1.2 環(huán)網(wǎng)故障危害及其原理分析

直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的類型如圖2所示，有正極環(huán)網(wǎng)、負(fù)極環(huán)網(wǎng)、兩極環(huán)網(wǎng)、異極環(huán)網(wǎng)[15]。環(huán)網(wǎng)造成的危害主要有:降低絕緣監(jiān)測儀靈敏度、增加保護(hù)誤動機(jī)會、導(dǎo)致兩段母線同時接地、引起火災(zāi)、使空開級差配合失效、使直流電源系統(tǒng)單極對地電壓超過母線電壓等[16－17]，見表1。

圖2 直流環(huán)網(wǎng)故障示意

表1 環(huán)網(wǎng)故障的危害

1.2.1 單極環(huán)網(wǎng)

所謂單極環(huán)網(wǎng)，是指兩套直流電源系統(tǒng)發(fā)生同極性的互竄，即正極與正極或負(fù)極與負(fù)極互竄。

1)正常情況下獨(dú)立運(yùn)行的直流電源系統(tǒng)等效電路如圖3所示(略去電容，因穩(wěn)態(tài)下電容對計算結(jié)果無影響)。R為平衡橋電阻，R0為接地電阻(為分析方便，設(shè)R＝R0)，V1為母線電壓，V1＋、V1－分別為正負(fù)極母線對地電壓。圖3(a)為正常運(yùn)行情況下的等效電路圖，圖3(b)為正極接地后等效電路圖。

圖3 直流電源系統(tǒng)等效電路

根據(jù)電阻分壓原理:

接地后正極對地電壓變化量△V＝V1/2－V1/3＝V1/6。故發(fā)生接地后正極對地電壓變小，且變化量為母線電壓的1/6。這是因為母線對地電壓是由母線實(shí)際對地電阻分壓決定的(正比關(guān)系)，故發(fā)生接地時，接地極對地電阻減小，而所分得電壓降低。

2)當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時，其等效電路如圖4所示。由開關(guān)K1、K2模擬環(huán)網(wǎng)類型。當(dāng)K1閉合時，即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 直流系統(tǒng)正極環(huán)網(wǎng)等效電路

設(shè)V1＝V2，根據(jù)疊加定理，發(fā)生正極接地后計算得:

接地后正極對地電壓變化量△V＝V1/2－2V1/5＝V1/10。可見，在有環(huán)網(wǎng)故障的情況下，發(fā)生接地后正極對地電壓變化量為母線電壓的1/10，小于環(huán)網(wǎng)前的電壓變化量，即電壓變化敏感性降低。

同樣電阻檢測敏感度也降低，直流系統(tǒng)絕緣檢測儀對系統(tǒng)正負(fù)極絕緣電阻的計算，是根據(jù)正負(fù)極電壓采樣值進(jìn)行的。設(shè)正極對地絕緣電阻計算值為Rx＋，負(fù)極對地絕緣接地電阻計算值為Rx－，則有:

發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)前，如圖3所示，代入V1＋＝V1/2、V1－＝V1/3，RX－→∞，得出RX＋＝R0＝R；此時絕緣檢測儀對于接地電阻的計算是準(zhǔn)確的。

發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)后，如圖4所示，設(shè)此時正極絕緣電阻計算值為R1X＋，絕緣檢測儀對于接地電阻的計算值按照下式確定:

式中，V1＋＝2V1/5；V1－＝3V1/5；RX－→∞。

代入式(2) 可得:R1X＋＝2R＝2R0＝2RX＋。即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)故障后，絕緣檢測儀對于接地電阻的計算值偏大，是故障前的2倍。按照告警整定值為25 kΩ計算，當(dāng)發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時，若有一個電阻為25 kΩ的接地故障，由于實(shí)測的電阻值為50 kΩ，因而系統(tǒng)無法正常接地告警，大大降低了接地告警的靈敏度。

除此之外，當(dāng)環(huán)網(wǎng)故障發(fā)生時，電壓鉗制的作用還可能導(dǎo)致當(dāng)其中一段母線接地告警時另外一段母線也同時告警。

1.2.2 兩極環(huán)網(wǎng)

兩極環(huán)網(wǎng)，指的是直流系統(tǒng)正極與正極、負(fù)極與負(fù)極同時發(fā)生電氣連接。將圖4中K1、K2同時閉合，即構(gòu)成兩極環(huán)網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 直流系統(tǒng)兩極環(huán)網(wǎng)等效電路

1)兩套直流電源系統(tǒng)平衡橋電阻相等，故兩極環(huán)網(wǎng)故障情況下，負(fù)極平衡橋電阻對地構(gòu)成的分壓效果同單極環(huán)網(wǎng)故障時的情況。設(shè)正極發(fā)生接地，則絕緣檢測儀對于電壓和接地電阻的計算結(jié)果同單極環(huán)網(wǎng)的情況，即R2X＋＝R1X＋＝2R＝2RX＋。因此，兩極環(huán)網(wǎng)同樣會造成接地故障監(jiān)測靈敏度降低、保護(hù)誤動機(jī)會增加等危害。

2)如圖6所示，2套直流系統(tǒng)發(fā)生兩極環(huán)網(wǎng)將產(chǎn)生環(huán)流，當(dāng)電纜直徑較小時，流過的環(huán)流產(chǎn)生較大的熱量，積聚的熱量將導(dǎo)致火災(zāi)。其次，禁止兩段直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)的另一個重要原因是蓄電池組不能長期并聯(lián)運(yùn)行，否則自放電的差異導(dǎo)致蓄電池組欠充、過充，縮短蓄電池組使用壽命。

圖6 兩套直流系統(tǒng)環(huán)流等效電路

3)空氣開關(guān)裝置(以下簡稱“空開”)級差配合失效。直流電源系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生短路時，如圖7所示，正常情況下將只由短路點(diǎn)所屬的直流電源向其提供短路電流；而發(fā)生環(huán)網(wǎng)時，將由兩段直流電源向其提供短路電流，短路電流增大。而空開級差配合是根據(jù)單套直流電源系統(tǒng)整定值進(jìn)行，因此，環(huán)網(wǎng)故障極易引起直流空開越級跳閘，使級差配合失效，擴(kuò)大事故面積。

圖7 空開級差配合失效原理

1.2.3 異極環(huán)網(wǎng)

異極環(huán)網(wǎng)指一段直流電源的正極(負(fù)極)與Ⅱ段直流電源的負(fù)極(正極)發(fā)生電氣聯(lián)系，通常由負(fù)載接線錯誤導(dǎo)致。異極環(huán)網(wǎng)如圖8所示，Rj表示負(fù)載電阻(環(huán)網(wǎng)等效電阻)。

圖8 異極環(huán)網(wǎng)等效電路

將開關(guān)K1和K2斷開，故障回路為:大地→Ⅱ段負(fù)極平衡橋電阻R→負(fù)載電阻Rj→Ⅰ段正極平衡橋電阻R→大地，構(gòu)成一個串聯(lián)回路。兩段直流系統(tǒng)正極對地電壓、負(fù)極對地電壓、母線電壓均不相等。Rj的數(shù)值一般很小，故一段正對地電壓約等于Ⅱ段負(fù)對地電壓。平衡橋電阻值相差較大時，其中一極對地電壓大于母線電壓，另外一極對地電壓反向，引起Ⅰ段母線正極接地，Ⅱ段母線負(fù)極接地，發(fā)出接地告警信號。此外，當(dāng)平衡橋電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rj時，Rj兩端的分壓將很小，以致小于動作電壓，導(dǎo)致保護(hù)拒動。

2 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法

直流系統(tǒng)發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障后的物理現(xiàn)象是:其中一段的電壓將跟隨另外一段的電壓而變化。因此可根據(jù)以下幾種方法來判斷直流電源系統(tǒng)是否存在環(huán)網(wǎng)故障。

2.1 直流接地法

當(dāng)其中一段母線發(fā)生接地告警時，若另外一段同時告警，則說明存在環(huán)網(wǎng)。日常檢修維護(hù)工作中也可采用人為接地方法，在任意段母線正極(或負(fù)極)與大地之間，接入50 kΩ(或更小)以上的電阻，若兩段母線對地電壓同時發(fā)生變化，則說明存在環(huán)網(wǎng)故障。

2.2 負(fù)荷電流法

一般情況下，兩段直流電源系統(tǒng)大致均分整站的負(fù)載。因此，若出現(xiàn)其中一段充電機(jī)所帶負(fù)載為零或接近零、另外一段幾乎承載整站負(fù)荷的現(xiàn)象，則說明存在環(huán)網(wǎng)，且是正負(fù)極直接環(huán)網(wǎng)(即金屬環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)電阻為零)。

2.3 電壓調(diào)節(jié)法

電壓互相鉗制是環(huán)網(wǎng)故障最直觀的物理現(xiàn)象，因此可人為地調(diào)節(jié)其中一段母線電壓，通過觀察兩段直流系統(tǒng)電壓的變化趨勢來判斷環(huán)網(wǎng)類型。以調(diào)高其中一段母線電壓為例(調(diào)低時同理)，有以下三種情況:

1)若另一段電壓隨之升高且負(fù)載電流減小，則說明存在兩極環(huán)網(wǎng)(正－正、負(fù)－負(fù))故障，如母聯(lián)開關(guān)在合位時。

2)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)正極電壓保持不變(或變化很小)，而負(fù)極電壓(絕對值)隨之升高，則說明正極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制，因此存在正極環(huán)網(wǎng)。

3)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)負(fù)極電壓保持不變(或變化很小)，而正極電壓(絕對值)隨之升高，則說明負(fù)極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制，因此存在負(fù)極環(huán)網(wǎng)。

2.4 在線監(jiān)測法

安裝具備環(huán)網(wǎng)告警選線功能的在線絕緣監(jiān)測裝置，當(dāng)兩套直流系統(tǒng)任何地點(diǎn)發(fā)生電氣連接現(xiàn)象，都能被及時檢測并告警。2014年以來，新安裝的絕緣監(jiān)測裝置基本都具備環(huán)網(wǎng)在線監(jiān)測功能，大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

3 結(jié)論

環(huán)網(wǎng)故障作為直流電源系統(tǒng)的主要絕緣故障形式之一，若不及時加以排除，將對電力系統(tǒng)造成難以估計的惡劣影響。認(rèn)識并深入研究環(huán)網(wǎng)故障特征，方可實(shí)現(xiàn)故障的有效定位和排除。環(huán)網(wǎng)故障造成危害的本質(zhì)，是環(huán)網(wǎng)改變了原來獨(dú)立運(yùn)行的兩套直流電源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電壓、電流分配發(fā)生不符合預(yù)期的改變。環(huán)網(wǎng)故障造成的最本質(zhì)、最直觀的物理現(xiàn)象是發(fā)生互竄的兩段直流電源系統(tǒng)之間的電壓將互相影響，據(jù)此給出判斷環(huán)網(wǎng)故障的四種常用方法，對于日常工作實(shí)踐具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。