吳繼健 肖遠(yuǎn)兵 陳月 劉忠祥 歐陽(yáng)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(dāng)于變電站的“心臟”，其絕緣水平直接影響到變電站的安全運(yùn)行[1]。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)絕緣故障是提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。直流互竄現(xiàn)象也稱(chēng)為環(huán)網(wǎng)故障，是直流系統(tǒng)中一種常見(jiàn)且危害性較大的故障。傳統(tǒng)用測(cè)量?jī)x表測(cè)試直流系統(tǒng)各項(xiàng)工作參數(shù)的方法很難及時(shí)檢測(cè)和判定故障點(diǎn)，而現(xiàn)有絕緣檢測(cè)裝置又存在缺少直流互竄檢測(cè)功能、故障誤報(bào)、互竄檢測(cè)過(guò)程中干擾直流系統(tǒng)正常運(yùn)行等缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，文章首先對(duì)變電站直流互竄故障產(chǎn)生原因、危害及類(lèi)型進(jìn)行闡述分析，提出一種新型的直流互竄檢測(cè)方法。該方法采用互竄檢測(cè)橋，對(duì)兩套直流系統(tǒng)母線(xiàn)之間直流互竄故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)定位、計(jì)算互竄電阻，并以在220kV變電站的實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的有效性。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(fù)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(xiàn)以及饋線(xiàn)部分組成，其監(jiān)控系統(tǒng)又由主監(jiān)控、絕緣監(jiān)測(cè)裝置、交流監(jiān)測(cè)裝置、蓄電池巡檢裝置等組成。由于整個(gè)直流電源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜、線(xiàn)路分支多，因此在實(shí)際運(yùn)行中容易發(fā)生由誤接線(xiàn)、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(shí)排查，將會(huì)給直流系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備帶來(lái)極大危害，影響直流系統(tǒng)乃至整個(gè)變電站的安全運(yùn)行。其中，兩段直流母線(xiàn)分列運(yùn)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(cè)試或由絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，但是存在接線(xiàn)復(fù)雜、缺少直流互竄檢測(cè)功能、互竄故障誤報(bào)或是檢測(cè)過(guò)程中對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等問(wèn)題。如何及時(shí)準(zhǔn)確判定故障類(lèi)型、定位故障點(diǎn)、計(jì)算互竄電阻是目前研究的技術(shù)難點(diǎn)。[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(huì)設(shè)置兩套直流電源系統(tǒng)，正常運(yùn)行狀態(tài)下相互獨(dú)立，兩段直流母線(xiàn)要求保持絕緣。但在實(shí)際運(yùn)行中，常常會(huì)因?yàn)楦鞣N因素而出現(xiàn)電氣連接，形成直流互竄現(xiàn)象，也稱(chēng)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(kuò)建或改造施工過(guò)程中，負(fù)荷電源會(huì)被同時(shí)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(yùn)行維護(hù)人員在進(jìn)線(xiàn)電力負(fù)荷操作時(shí)，需將同一負(fù)荷中的兩段母線(xiàn)開(kāi)關(guān)同時(shí)合上，然后再斷開(kāi)其中一路開(kāi)關(guān)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)母線(xiàn)切換[4]，如果誤操作沒(méi)有斷開(kāi)其中一路開(kāi)關(guān)，兩段直流系統(tǒng)便會(huì)發(fā)生并列運(yùn)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(fù)荷就會(huì)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(dāng)分別屬于兩段母線(xiàn)的電纜之間絕緣材料出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，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(méi)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(yùn)行中的一種常見(jiàn)故障，給整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行造成極大威脅，存在如下安全隱患：

（1）直流饋線(xiàn)電路中若出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)故障，可能導(dǎo)致饋線(xiàn)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(yùn)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(shí)會(huì)加速蓄電池老化，降低使用壽命。

（3）導(dǎo)致接地故障檢測(cè)靈敏度下降。[5]一點(diǎn)接地時(shí)不發(fā)出接地告警，或當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，兩段直流系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出接地告警，無(wú)法區(qū)分故障位置;而接地故障也會(huì)引發(fā)操作電源的誤動(dòng)作。

（4）導(dǎo)致直流系統(tǒng)整體分布電容增大，一點(diǎn)接地時(shí)可能引起繼電保護(hù)動(dòng)作。

（5）引起設(shè)備拒動(dòng)、空開(kāi)極差配合失效等。

因此，國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)直流互竄環(huán)網(wǎng)問(wèn)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(cè)必須對(duì)直流互竄故障進(jìn)行告警和保護(hù)，并能選出直流互竄的故障支路。

2 直流互竄故障類(lèi)型

文章分析研究?jī)商字绷飨到y(tǒng)互竄故障的四種典型狀況，分別為兩段母線(xiàn)的正-正極互竄、負(fù)-負(fù)極互竄、正-負(fù)極互竄、負(fù)-正極互竄。不同類(lèi)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(xiàn)正極與直流二段母線(xiàn)正極形成回路，使兩段直流電源正極對(duì)地電壓相等，即U1+=U2+;

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

正-負(fù)極互竄和負(fù)-正極互竄表現(xiàn)為直流一段母線(xiàn)與直流二段母線(xiàn)的正負(fù)或負(fù)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 直流互竄檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

對(duì)兩套直流電源環(huán)網(wǎng)故障的檢測(cè)方法，是一種可提供直流互竄類(lèi)型判斷和準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)、精確計(jì)算互竄電阻的新型方法，具有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，可及時(shí)排除直流互竄故障隱患。直流互竄檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是由兩套絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)兩段母線(xiàn)電壓進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)饋線(xiàn)從機(jī)模塊對(duì)漏電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)定時(shí)啟動(dòng)直流互竄檢測(cè)，自動(dòng)對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)內(nèi)部電路橋進(jìn)行投切，使兩段絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)聯(lián)絡(luò)配合檢測(cè)，完成對(duì)互竄類(lèi)型的判定，確定故障是否存在。絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)與饋線(xiàn)從機(jī)模塊進(jìn)行通訊，根據(jù)饋線(xiàn)從機(jī)檢測(cè)到的漏電流進(jìn)而選取發(fā)生直流互竄故障的饋線(xiàn)支路。[6-7]直流互竄檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.2 預(yù)判互竄類(lèi)型

直流互竄類(lèi)型的判定方法是通過(guò)絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)裝置在一段直流母線(xiàn)引入互竄檢測(cè)橋，再將二段直流母線(xiàn)正負(fù)極依次連接到互竄檢測(cè)橋中心點(diǎn)，產(chǎn)生不同的中點(diǎn)電壓，對(duì)比前后接入的二段直流母線(xiàn)正負(fù)極到一段檢測(cè)橋的中點(diǎn)電壓，預(yù)判當(dāng)前系統(tǒng)的直流互竄類(lèi)型[8]。檢測(cè)流程如下：

（1）流程1

切斷PE至二段母線(xiàn)絕緣裝置的檢測(cè)模擬地AGND的連接，如圖3所示，將圖中K1斷開(kāi)。此項(xiàng)操作目的是避免受二段母線(xiàn)回路分流影響，使下一流程中互竄檢測(cè)橋引入系統(tǒng)后，可以通過(guò)電路節(jié)點(diǎn)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(cè)主機(jī)閉合K2繼電器觸點(diǎn)，將直流二段母線(xiàn)正極與直流一段母線(xiàn)互竄檢測(cè)橋的中點(diǎn)形成電氣連接，注意此時(shí)務(wù)必保證直流二段母線(xiàn)負(fù)極與一段母線(xiàn)互竄檢測(cè)橋中點(diǎn)間是斷開(kāi)的，K2繼電器線(xiàn)圈閉合，K3繼電器線(xiàn)圈斷開(kāi)，此時(shí)可計(jì)算得到中點(diǎn)電壓U0，一段母線(xiàn)正負(fù)對(duì)地電壓U1+、U1-[9]。

（3）流程3

圖3中絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)閉合K3繼電器觸點(diǎn)，將直流二段母線(xiàn)負(fù)極與直流一段母線(xiàn)互竄檢測(cè)橋的中點(diǎn)形成電氣連接，注意此時(shí)務(wù)必保證直流二段母線(xiàn)正極到一段母線(xiàn)互竄檢測(cè)橋中點(diǎn)間一定是斷開(kāi)的，K3繼電器線(xiàn)圈閉合，K2繼電器線(xiàn)圈斷開(kāi)，同理可得到中點(diǎn)電壓和一段母線(xiàn)正負(fù)對(duì)地電壓[9]。

根據(jù)由檢測(cè)流程2、3分別得到的中點(diǎn)電壓U0值和正負(fù)類(lèi)型，從而預(yù)判當(dāng)前互竄環(huán)路類(lèi)型，用于構(gòu)建等效電路圖。根據(jù)大量的測(cè)試和驗(yàn)證數(shù)據(jù)證明，通過(guò)建立等效方程式，計(jì)算等效互竄電阻與實(shí)際故障電阻相符，可以準(zhǔn)確判斷直流互竄故障的存在。

3.3 計(jì)算互竄電阻、判定母線(xiàn)互竄故障

3.3.1 正-正極互竄類(lèi)型

當(dāng)預(yù)判母線(xiàn)互竄環(huán)路類(lèi)型為一段正極與二段正極互竄類(lèi)型，該互竄類(lèi)型中二段正母線(xiàn)引入一段互竄橋中點(diǎn)的等效電路示意圖如圖4所示。

式中：i1為一段母線(xiàn)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(xiàn)正極流入到平衡橋中點(diǎn)電流;i3為平衡橋中點(diǎn)通平衡橋負(fù)極電阻過(guò)R2流入到一段母線(xiàn)負(fù)極的電流;Rx為互竄等效電阻;U0為平衡橋中點(diǎn)電壓;Ua和Ub為一段母線(xiàn)正負(fù)對(duì)地電壓。

由上面方程式可求該互竄類(lèi)型的等效互竄電阻值Rx，絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)設(shè)置的母線(xiàn)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(lèi)型互竄;反之，則判定當(dāng)前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路[10]。

3.3.2 負(fù)-負(fù)極互竄類(lèi)型

當(dāng)預(yù)判母線(xiàn)互竄環(huán)路類(lèi)型為一段負(fù)極與二段負(fù)極互竄類(lèi)型，該互竄類(lèi)型中二段負(fù)極母線(xiàn)引入一段互竄橋中點(diǎn)的等效電路示意圖如圖5所示。

式中：U1為平衡橋中點(diǎn)電壓;Um和Un為一段母線(xiàn)正負(fù)對(duì)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(dāng)前系統(tǒng)存在互竄環(huán)路，且為負(fù)-負(fù)極類(lèi)型互竄;反之，則判定當(dāng)前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路。[10]

3.3.3 正-負(fù)極互竄類(lèi)型

當(dāng)預(yù)判母線(xiàn)互竄環(huán)路類(lèi)型為一段正極與二段負(fù)極互竄類(lèi)型，該互竄類(lèi)型中二段負(fù)極母線(xiàn)引入一段互竄橋中點(diǎn)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(dāng)前系統(tǒng)存在互竄環(huán)路，且為正-負(fù)極類(lèi)型互竄;反之則判定當(dāng)前系統(tǒng)不存在互竄環(huán)路。

3.3.4 負(fù)-正極互竄類(lèi)型

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

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

3.4 直流互竄故障定位

在對(duì)直流互竄類(lèi)型和互竄阻值進(jìn)行準(zhǔn)確判定和計(jì)算后，絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)與饋線(xiàn)從機(jī)聯(lián)絡(luò)通信配合，一段絕緣主機(jī)下發(fā)廣播命令告知一段母線(xiàn)的所有從機(jī)進(jìn)行相應(yīng)類(lèi)型的支路輪詢(xún)選線(xiàn)，如一段母線(xiàn)為正極環(huán)路，則進(jìn)行正極選線(xiàn)，反之進(jìn)行負(fù)極選線(xiàn)，與此同時(shí)一段主機(jī)同樣通過(guò)聯(lián)絡(luò)口告知二段絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)，當(dāng)前二段母線(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)的環(huán)路類(lèi)型，二段母線(xiàn)絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)收到命令后，對(duì)其所有從機(jī)進(jìn)行選線(xiàn)命令的廣播下發(fā)，所有從機(jī)通過(guò)漏電流檢測(cè)法，輪詢(xún)所有支路的漏電流，并判定與互竄環(huán)路時(shí)的漏電限值比較，對(duì)兩段饋線(xiàn)環(huán)路的支路進(jìn)行定位分析，選出對(duì)應(yīng)的互竄支路，互竄之路選線(xiàn)流程圖如圖8所示。絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出聲光告警的同時(shí)將故障信息傳送至后臺(tái)監(jiān)控。

4 應(yīng)用與測(cè)試數(shù)據(jù)

上述直流互竄檢測(cè)方法已在220kV變電站直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用，減少了變電站運(yùn)維人員的運(yùn)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(cè)或者檢測(cè)方法不當(dāng)問(wèn)題得到了徹底的改善。當(dāng)前，環(huán)網(wǎng)檢測(cè)已經(jīng)逐步成為南網(wǎng)和國(guó)網(wǎng)的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)的硬性指標(biāo)。應(yīng)用此設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)的絕緣監(jiān)測(cè)主機(jī)和饋線(xiàn)從機(jī)模塊已分別對(duì)四種典型互竄類(lèi)型進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)證明該方法能精確的對(duì)系統(tǒng)直流互竄故障分析和檢測(cè)，通過(guò)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(cè)的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)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(yán)重的故障，給直流系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大的影響和危害，運(yùn)行維護(hù)人員通過(guò)設(shè)備監(jiān)測(cè)到互竄故障后，要嚴(yán)格按照運(yùn)行管理規(guī)范處理問(wèn)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(cè)設(shè)計(jì)方法可在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)兩段直流系統(tǒng)互竄，也可通過(guò)手動(dòng)啟動(dòng)互竄環(huán)路檢測(cè)。[15]自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)過(guò)程可以不需要運(yùn)行維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)觀察，根據(jù)設(shè)定的互竄定期檢測(cè)周期，自動(dòng)啟動(dòng)互竄檢測(cè)，如果檢測(cè)到當(dāng)前兩段系統(tǒng)存在互竄環(huán)路告警，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)，并通過(guò)485通訊上傳至后臺(tái)通知運(yùn)行維護(hù)人員，直至環(huán)路解開(kāi)或者手動(dòng)停止檢測(cè)。不但能夠精確有效的檢測(cè)出當(dāng)前互竄故障是否存在，判斷直流互竄類(lèi)型，選出互竄的饋線(xiàn)支路，具有計(jì)算當(dāng)前互竄等效電阻值功能，自動(dòng)完成檢測(cè)過(guò)程，確保這個(gè)變電站的“心臟”能夠穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

在實(shí)際變電站系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，在兩段直流系統(tǒng)饋線(xiàn)支路間分別引入四種互竄類(lèi)型、不同阻值的電阻，經(jīng)多次驗(yàn)證可百分之百精確檢測(cè)互竄故障，計(jì)算互竄的阻值，并選出兩段直流母線(xiàn)互竄支路，無(wú)誤告警。同時(shí)，本檢測(cè)方法還是存在著多級(jí)互竄故障檢測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，這也是互竄故障檢測(cè)后續(xù)需要進(jìn)一步研究的方向。

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