淺析直流回路的缺陷處理及預(yù)防

國(guó)網(wǎng)陜西省電力有限公司延安供電公司 張海浪

1 直流回路工作原理

直流回路中合閘回路接線如圖1所示。當(dāng)斷路器正好位于跳位，其常閉觸點(diǎn)QF1此時(shí)將會(huì)閉合，而跳位繼電器TWJ、QF1和合閘線圈HQ 三者隨即形成一個(gè)閉合回路。根據(jù)TWJ的輔助觸點(diǎn)，可以對(duì)斷路器本身的跳閘狀態(tài)作出判斷，分辨和跳位繼電器TWJ 相互串聯(lián)的電纜、常閉觸點(diǎn)QF1以及合閘線圈HQ 等重要的回路元件，究竟完好與否。

圖1 直流回路中合閘回路接線

直流回路中跳閘回路接線及原理如圖2所示。當(dāng)斷路器剛好處于合位，其常開(kāi)觸點(diǎn)QF2也會(huì)完全閉合，合位繼電器HWJ、QF2和跳閘線圈TQ 三者同樣也會(huì)組建一個(gè)閉合回路。根據(jù)HWJ 的輔助觸點(diǎn)，可以對(duì)斷路器本身的合閘狀態(tài)作出判斷，分辨HWJ串聯(lián)的各種電纜、QF2以及跳閘線圈TQ 等這系列跳閘元件，究竟能否完好。

圖2 直流回路中跳閘回路接線及原理

為防止自動(dòng)或是手動(dòng)跳/合閘常開(kāi)接點(diǎn)ZTJ，STJ、ZHJ，使SHJ 提前返回，有必要及時(shí)斷開(kāi)跳/合閘回路動(dòng)作電流，此時(shí)可能會(huì)燒毀拉弧。同時(shí)，正常跳/合閘在接收命令后，斷路器也要立即動(dòng)作。此時(shí)，跳/合閘回路應(yīng)當(dāng)和繼電器TBJ、HBJ 保持串聯(lián)，在斷路器跳/合閘操作結(jié)束后，由斷弧能力尚可的輔助接點(diǎn)QF2、QF1共同將回路予以切斷。很多情況下，TBJ，HBJ 被認(rèn)為是拒動(dòng)條件下跳/合閘回路元件遭到燒毀的根本緣由。

2 直流電源回路的缺陷形式

2.1 交直流信號(hào)的干擾

在變電站一次、二次設(shè)備中，部分設(shè)施均需接通交流或是直流電源。電氣設(shè)施很多時(shí)候需要和直流供電、交流系統(tǒng)乃至通信網(wǎng)絡(luò)保持串聯(lián)。該情況下，交、直流信號(hào)反過(guò)來(lái)也會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生不同程度的干擾。表現(xiàn)為交流串?dāng)_、直流串?dāng)_、電容電流干擾。

2.1.1 電容電流干擾

直流系統(tǒng)中，接地電容涵蓋兩個(gè)部分：一是屏蔽層與芯線、電纜芯線中分布的電容；二是濾波電容，多數(shù)分布于電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波器中。

一是直流電纜分布電容，實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)不同的絕緣體構(gòu)成，導(dǎo)體面積的大小、距離長(zhǎng)短均可能改變電容量。電路中，還有一類電容器同樣也涵蓋了導(dǎo)體、絕緣電體以及相關(guān)構(gòu)件，該構(gòu)成同樣擁有一定的電容量。由器件、導(dǎo)體組合得到的電容，其狀態(tài)表現(xiàn)為分布式，即分布電容C，其表達(dá)式如下。

式中：ε 為介電常數(shù)；s 為導(dǎo)體相對(duì)表面積；d為導(dǎo)體間的距離。

電纜的電容C 大小很大程度上決定了直流系統(tǒng)的規(guī)模；如果直流系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)方面發(fā)生變動(dòng)，則電纜對(duì)地電容也會(huì)隨之改變。而分布電容多數(shù)分布在直流電纜中，其串入多種不同的電容電流，這也是直流系統(tǒng)波動(dòng)的誘因。

二是直流負(fù)載濾波電容。很多變電站均已購(gòu)置保護(hù)測(cè)控裝置。高壓電場(chǎng)對(duì)于這類測(cè)控裝置有一定的影響，其直流回路難免也會(huì)受到交流干擾。保護(hù)、測(cè)控裝置雙方同樣也會(huì)有不同大小的電磁干擾。為確保電磁的適用、兼容性，建議向保護(hù)測(cè)控裝置提供適當(dāng)?shù)碾姶鸥蓴_，利用EMI 接通測(cè)控裝置上的輸入電路，即可解決此類疑難[1]。

2.1.2 交流串?dāng)_

直流供電網(wǎng)，由多種類別的兩次設(shè)備組合而成。而直流、交流回路實(shí)質(zhì)上是走線運(yùn)行，其涵蓋了開(kāi)關(guān)端子箱、保護(hù)裝置、防誤電源以及開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)箱在內(nèi)。一旦交流回路留下缺陷，尤其負(fù)載故障，則交流電源也會(huì)隨即串入到整個(gè)直流系統(tǒng)。嚴(yán)重時(shí)，擾亂正常的直流電壓，妨礙保護(hù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至完全失靈。實(shí)踐中，交直流串?dāng)_多表現(xiàn)為3個(gè)不同的情況：

一是直流、交流電纜本身就交叉混合，由于絕緣層破損造成導(dǎo)電，此時(shí)交流電源也會(huì)入侵對(duì)應(yīng)的直流系統(tǒng)。二是變電站人員在改造時(shí)存在失誤，將交直流系統(tǒng)予以串聯(lián)。三是接地故障狀態(tài)下，接地網(wǎng)形成并且釋放零序電流。假如接地網(wǎng)正好挨著直流電纜，則后者同樣也會(huì)導(dǎo)入一定的零序電流。

2.1.3 直流串?dāng)_

通常220kV 變電站由于已對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行雙重配置，此時(shí)可能存在直流串?dāng)_的情況。直流串?dāng)_的顯著特性包括：一是絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中會(huì)在同一時(shí)間發(fā)出絕緣警報(bào)。二是絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確地判斷出對(duì)接點(diǎn)。三是兩組正負(fù)電壓均會(huì)明顯地降低。四是如果僅僅啟動(dòng)接地故障點(diǎn)上的空氣開(kāi)關(guān)，則兩組裝置均會(huì)停止絕緣報(bào)警；只啟動(dòng)直流串?dāng)_觸點(diǎn)，提示僅有一組直流系統(tǒng)已經(jīng)恢復(fù)[2]。

2.2 直流系統(tǒng)接地

接地故障的誘發(fā)因素包括：母線電壓干擾了系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行；一旦遇到兩點(diǎn)接地事故，則保護(hù)裝置也會(huì)陷入誤動(dòng)，阻礙電網(wǎng)運(yùn)行。正因?yàn)榇?，一旦有接地故障，?yīng)立即采取解決方案。

2.2.1 直流接地的原因

變電站中，直流系統(tǒng)的分布十分廣泛。電纜數(shù)量多、長(zhǎng)，回路也比較煩瑣。通常，系統(tǒng)接地故障的出現(xiàn)率和投運(yùn)時(shí)間存在相關(guān)。直流接地的原因包括：一是氣候。部分直流接地故障均是氣候引起，如遇到多雨天氣，直流設(shè)備也會(huì)降低自身的運(yùn)行效率，削弱絕緣性，減小地絕緣電阻，導(dǎo)致電路正、負(fù)極接地。二是人為因素。由于操作人員比較粗心，施工時(shí)不小心觸碰帶電直流小母線，錯(cuò)誤地對(duì)直流端子排進(jìn)行短接，均可導(dǎo)致瞬間接地。三是設(shè)備因素。有些設(shè)備性能不佳，對(duì)直流系統(tǒng)安全也會(huì)構(gòu)成威脅，如刀閘或是開(kāi)關(guān)位置接點(diǎn)存在缺陷，導(dǎo)致接觸不良，最終會(huì)引起接地故障。

2.2.2 直流接地的危害

根據(jù)接地屬性可以劃分為負(fù)接地和正接地。根據(jù)接地類型可劃分為直接、間接接地。根據(jù)接地狀態(tài)可劃分為絕緣、單點(diǎn)、環(huán)路以及多點(diǎn)接地等。正極接地，大概率都會(huì)令斷路器存在誤動(dòng)作。一旦直流系統(tǒng)存在正極接地，斷路器也將作出誤判斷，從而導(dǎo)致誤跳。拒跳閘，說(shuō)到底還是由于統(tǒng)負(fù)極接地引起。假設(shè)閘線圈、繼電器中出現(xiàn)接地，則繼電器、斷路器分（合）閘線圈也會(huì)存在短接。當(dāng)兩點(diǎn)接地時(shí)，該情況下也會(huì)存在短路電流。

2.2.3 直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地

直流系統(tǒng)本身比較煩瑣，由多個(gè)一次、二次設(shè)備以及信號(hào)電源等構(gòu)成，將二次回路和直流母線予以接通。正因?yàn)榇?，增加了直流接地的可能性。直流系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)一點(diǎn)接地，則接地母線原始的電壓也會(huì)下降，而非接地極母線上的電壓反而會(huì)增加。不過(guò)，并未出現(xiàn)短路電流。如果故障未能馬上排除，另一點(diǎn)接地也很快會(huì)出現(xiàn)，此時(shí)保護(hù)系統(tǒng)必然會(huì)陷入誤動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)，還可能拒動(dòng)。就直流系統(tǒng)而言，這類故障帶來(lái)的危害是不可想象的。所以，一點(diǎn)接地時(shí)應(yīng)當(dāng)立即將故障予以消除。

3 直流回路缺陷的處理方法

3.1 交直流信號(hào)的干擾處理方法

一是回路中繼電器（光耦），要想辦法增加動(dòng)作功率（＞5W），將繼電器控制在合理的動(dòng)作速度。若有必要，應(yīng)開(kāi)啟中間繼電器。二是對(duì)于某些重要光耦，應(yīng)當(dāng)提前將其開(kāi)入回路予以分隔。若該回路只要開(kāi)啟，就會(huì)迅速跳閘。隔離開(kāi)入，不允許借助長(zhǎng)電纜來(lái)直接牽動(dòng)光耦。相反，需選擇大功率中間繼電器進(jìn)行輔助操作。三是盡量避免對(duì)重要回路進(jìn)行長(zhǎng)電纜連接。目前分析，保護(hù)下放、小室化設(shè)計(jì)是比較理想的選擇。而取締分布小室，是今后的改良方向，建議集中網(wǎng)控室，防止小室間頻繁地敷設(shè)長(zhǎng)電纜。

3.2 防止直流接地或交直流混聯(lián)

為了不影響回路本身的絕緣性能，有必要加強(qiáng)對(duì)二次回路設(shè)施的巡查、并對(duì)直流系統(tǒng)做好維護(hù)。在巡查前，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析危險(xiǎn)點(diǎn)，采取必要的安全措施，防止人為引起的交直流混聯(lián)，避免直流接地，并對(duì)一次間隔加以控制。

目前，部分500kV 升壓站中均已推廣使用特殊的直流系統(tǒng)，即攜帶兩串間隔。對(duì)交直流端子進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要分布于端子排的各個(gè)區(qū)域，為交直流端子留出適當(dāng)?shù)木嚯x，做好醒目地標(biāo)注。同類型的圓盤(pán)開(kāi)關(guān)或是刀閘輔助觸頭，禁止分開(kāi)設(shè)置。否則，瞬時(shí)交直流混合，同樣也可能導(dǎo)致觸頭動(dòng)作。220V 交流電源系統(tǒng)并非理想的選擇，如拆除交流照明回路。

3.3 直流接地的處理方法

提前準(zhǔn)備直流接地巡檢相關(guān)的工具，如萬(wàn)能表、直流接地設(shè)備、工具箱，各1套。直流接地檢查，具有較高的危險(xiǎn)性，極易出現(xiàn)人為因素引起的兩點(diǎn)接地事故，以觸發(fā)保護(hù)誤動(dòng)。需要采取必要的安全措施。一是操作時(shí)不允許誤碰回路。測(cè)試前，相關(guān)人員要仔細(xì)地核對(duì)整個(gè)回路，交給專人監(jiān)管，防止用力拉扯電纜。二是帶電間隔不允許誤碰，同樣也要交給專人負(fù)責(zé)管控，并且和帶電設(shè)備留出適當(dāng)?shù)木嚯x。三是直流饋線屏，須減少人為失誤導(dǎo)致的直流接地。

4 直流回路缺陷的預(yù)防措施

4.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工方面的管控

一是設(shè)計(jì)時(shí)，交、直流電纜必須分開(kāi)、單獨(dú)布置，電纜不允許共用，防止交流電意外地串入直流回路中，引起直流接地。二是二次回路電纜同樣要對(duì)電纜進(jìn)行屏蔽，雙端接地，不允許直接改用電纜空線。三是交直流端子，要嚴(yán)格分區(qū)，中間增加一個(gè)隔離端子，以不同顏色進(jìn)行區(qū)分，避免誤接線，否則交流量同樣也會(huì)接入整個(gè)直流回路。四是在非電量保護(hù)中，中間繼電器應(yīng)當(dāng)由強(qiáng)電直流來(lái)負(fù)責(zé)啟動(dòng)，同時(shí)選擇功率適當(dāng)?shù)闹虚g繼電器，最好≥5W。同時(shí)，動(dòng)作電壓也不能過(guò)低，最好為額定電壓（220V）的55%～70%，≥10ms。

4.2 改良直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置

最初的絕緣監(jiān)測(cè)裝置，即便交流電真的已經(jīng)串入直流，也無(wú)力監(jiān)測(cè)，更談不上報(bào)警。為此，需要適時(shí)地改造這些監(jiān)測(cè)裝置，一旦交、直流系統(tǒng)絕緣出現(xiàn)這樣的異常或是有串入行為，立即發(fā)起告警，方便相關(guān)人員進(jìn)行處理。

4.3 改進(jìn)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置

在交流回路上，需要設(shè)置一款專門(mén)的變壓器或是濾波電容，將交、直流系統(tǒng)有效地和大地進(jìn)行區(qū)分，避免兩大系統(tǒng)出現(xiàn)電氣耦合，減小串入交流量，令保護(hù)裝置規(guī)范、安全地運(yùn)作。

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)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其電纜長(zhǎng)度不能過(guò)度，減少迂回?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程中并未對(duì)這方面作出說(shuō)明，理論上＜400m。直流系統(tǒng)引入的電纜芯根數(shù)越多，長(zhǎng)度越大，意味著對(duì)地分布電容相對(duì)也就會(huì)越大。一旦有交流電串入時(shí)，繼電器上承受的交流電壓反而會(huì)衰減越慢?？梢?jiàn)，有必要對(duì)二次電纜進(jìn)行科學(xué)布設(shè)。當(dāng)直流負(fù)荷超標(biāo)，建議選擇分開(kāi)供電，減少電纜長(zhǎng)度。規(guī)劃時(shí)，需綜合考慮電網(wǎng)的適應(yīng)性，為繼電系統(tǒng)的長(zhǎng)久運(yùn)行提供條件[3]。

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)接地”以及“直流絕緣異?！本鶎儆谥绷飨到y(tǒng)易觸發(fā)的告警信號(hào)，均可納入Ⅰ類缺陷，或是將其劃入到僅次保護(hù)事故信號(hào)的級(jí)別，縮小事故范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論保護(hù)、控制系統(tǒng)或是自動(dòng)化設(shè)備，直流電源均有重要的意義。目前，在線檢測(cè)、自動(dòng)化設(shè)備增加了供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，同時(shí)也對(duì)直流系統(tǒng)的性能提出新的要求。很多大型電網(wǎng)事故，其誘因均為直流或是交流混合接地，采取必要的措施，對(duì)于類似事故有一定的預(yù)防作用。