郭晟

摘要：文章討論了電力系統(tǒng)中一種監(jiān)測(cè)交流竄入直流的方法，該方法是利用電容、電阻、故障錄波裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)交流竄入直流的監(jiān)測(cè)，通過(guò)故障錄波裝置給后臺(tái)監(jiān)控裝置報(bào)警及記錄，從而滿足了二十五項(xiàng)反措要求。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；交流竄入直流；電力監(jiān)測(cè)；電容；電阻；故障錄波裝置 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM772 文章編號(hào)：1009-2374（2016）17-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.015

1 概述

針對(duì)國(guó)內(nèi)多地發(fā)生多起交流竄入直流系統(tǒng)而發(fā)生的電力事故，國(guó)家能源局在2014年4月15日發(fā)布并實(shí)施的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》第22項(xiàng)“防止發(fā)電廠、變電站全停及重要客戶停電事故”的第22.2.3.22點(diǎn)“嚴(yán)防交流竄入直流事故出現(xiàn)”的第22.2.3.23.3條中明確規(guī)定“新建或改造的變電所，直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)具備交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能。原有的直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)逐步進(jìn)行改造，使其具備交流竄入直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能”。

此方法成功研究了交流電源竄入直流電源報(bào)警功能，在不改變?cè)兄绷鹘拥匮矙z儀的基礎(chǔ)上，對(duì)提高直流電源的運(yùn)行可靠性起到了較大的作用，是一種提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的好方法。

2 交流竄入直流危害

交流竄入直流系統(tǒng)后，會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地，可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)、拒跳等，以某電廠發(fā)生交流竄入直流回路為例，2005年10月25日某電廠現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員在消缺過(guò)程中誤將交流與直流回路短接，使交流竄入直流系統(tǒng)，此電廠運(yùn)行的1號(hào)機(jī)組（運(yùn)行時(shí)有功544MW）、4號(hào)機(jī)組（運(yùn)行時(shí)有功545MW）、5號(hào)機(jī)組（運(yùn)行時(shí)有功550MW）同時(shí)掉閘，500kV兩臺(tái)聯(lián)絡(luò)變壓器全部跳閘，事故時(shí)各開關(guān)動(dòng)作情況：5011開關(guān)分位、5012開關(guān)分位、5013開關(guān)合位，5021開關(guān)合位、5022開關(guān)分位、5023開關(guān)合位，5031開關(guān)合位、5032開關(guān)合位、5033開關(guān)合位，5041開關(guān)分位、5042開關(guān)分位、5043開關(guān)分位，5051開關(guān)分位、5052開關(guān)分位、5053開關(guān)分位；5011開關(guān)、5012開關(guān)、5022開關(guān)、5023開關(guān)、5043開關(guān)有單相重合閘和兩相重合閘現(xiàn)象；此電廠共計(jì)甩負(fù)荷163.9萬(wàn)千瓦，導(dǎo)致電網(wǎng)該地區(qū)頻率由50.02赫茲最低降到49.84赫茲，主網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生低周事故，事故發(fā)生后，華北網(wǎng)調(diào)馬上啟動(dòng)低周事故處理應(yīng)急預(yù)案，將備用機(jī)組開出，迅速將主網(wǎng)頻率恢復(fù)正常，社會(huì)上未出現(xiàn)大面積停電以及不需要進(jìn)行拉閘限電。

由此可見(jiàn)，當(dāng)交流竄入直流系統(tǒng)時(shí)，可導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)、開關(guān)跳閘，嚴(yán)重的可導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)、線路跳閘，甚至可導(dǎo)致全廠或全站停電事故，對(duì)社會(huì)造成大面積停電事故，因此直流系統(tǒng)增加“交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能”是迫在眉睫的事情。

3 交流竄入直流系統(tǒng)原理

在電力系統(tǒng)中，由于直流供電范圍大，尤其是控制直流系統(tǒng)，幾乎涉及全廠或全站，因此直流回路電纜相當(dāng)長(zhǎng)，而電纜對(duì)地阻抗的等效回路可看成是電容與電阻并聯(lián)。當(dāng)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后，控制電纜將出現(xiàn)老化現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)對(duì)地的電容將逐漸變大。而對(duì)地電阻將逐漸變小，正常運(yùn)行時(shí)直流系統(tǒng)的母線由蓄電池組和充電裝置同時(shí)供電。而在直流系統(tǒng)的母線可等效為理想的110V直流電壓源，同時(shí)110V直流系統(tǒng)的母線根據(jù)設(shè)計(jì)一般所帶負(fù)載為事故照明、直流控制回路、微機(jī)保護(hù)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等電源，其中微機(jī)保護(hù)裝置的直流電源模塊通常采用直流逆變電源，可等效為在正、負(fù)直流系統(tǒng)的母線之間并接了許多濾波電容器，因此直流系統(tǒng)竄入交流電源后的等效電路如圖1所示：

如圖1所示，其中C為等效直流系統(tǒng)的母線間的電容，C1、C2為直流系統(tǒng)的母線等效的對(duì)地電容，R1、R2為直流系統(tǒng)的母線對(duì)地等效電阻，正常工況下，C1、C2電容相同，R1、R2大小相等。

第一，當(dāng)從直流系統(tǒng)的母線負(fù)極竄入交流電源分析。當(dāng)直流系統(tǒng)的母線的負(fù)極與220V交流電源相連時(shí)，在直流回路中交流電源可視為短路，從而將電容和電阻并聯(lián)回路進(jìn)行短接，因此直流系統(tǒng)的母線負(fù)極對(duì)地等效電阻等于0，此時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)量直流系統(tǒng)的母線負(fù)極對(duì)地直流電壓應(yīng)為0V，而直流系統(tǒng)的母線正極對(duì)地直流電壓應(yīng)為110V，相當(dāng)于直流負(fù)極對(duì)地完全接地。同理，如果從直流系統(tǒng)的母線正極竄入220V交流電源時(shí)，就相當(dāng)于直流系統(tǒng)的母線正極完全接地。

第二，直流系統(tǒng)的母線負(fù)極竄入交流電源后，由電路疊加原理可知，在交流等效電路中的直流電源相當(dāng)于短路，此時(shí)萬(wàn)用表測(cè)量直流系統(tǒng)的母線正、負(fù)極對(duì)地交流電壓應(yīng)都為220V。若從直流系統(tǒng)的母線正極竄入交流電源時(shí)，直流系統(tǒng)的母線正極和負(fù)極對(duì)地交流電壓均

為220V。

第三，交流電源接入直流系統(tǒng)后，交流回路會(huì)通過(guò)二次回路及其電纜的對(duì)地電容形成回路，在二次回路中流通，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，比如達(dá)到信號(hào)回路中各指示燈的電壓值，指示燈會(huì)閃爍；而測(cè)量回路的儀器儀表的采樣值會(huì)發(fā)生周期性波動(dòng)；其中危害最大的是控制回路，當(dāng)電壓值達(dá)到繼電器、接觸器的動(dòng)作電壓時(shí)，會(huì)導(dǎo)致繼電器、接觸器誤動(dòng)作，從而導(dǎo)致開關(guān)跳閘、機(jī)組非停、變電站停電等重大事故的發(fā)生。同時(shí)因電流較大可能燒壞開關(guān)的跳合閘線圈。

當(dāng)出現(xiàn)交流竄入直流系統(tǒng)時(shí)，能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和區(qū)分出是否為交流竄入直流系統(tǒng)故障尤為重要，因此增加交流電源竄入直流電源報(bào)警功能是一項(xiàng)必須進(jìn)行的工作。

4 交流竄入直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理

4.1 電容器

電容器由兩個(gè)極板和絕緣電介質(zhì)構(gòu)成，極板在兩端，絕緣電介質(zhì)在兩塊極板之間，當(dāng)通電時(shí)，兩塊極板會(huì)帶電，產(chǎn)生電勢(shì)差（即電壓），但是由于極板中間的是絕緣物質(zhì)，所以電容器是不導(dǎo)電的，形成了電容器的獨(dú)特性，既能阻止直流電流通過(guò)，又具有充放電特性，同時(shí)允許交流通過(guò)。在直流回路中，當(dāng)電容器充滿電，電容器是斷路的；但在交流回路中，因?yàn)榻涣麟娏鞯姆较蚴桥c時(shí)間成正弦的函數(shù)關(guān)系變化，電容器充放電的過(guò)程也隨時(shí)間的變化，此時(shí)在兩塊極板之間形成變化電場(chǎng)，而這個(gè)電場(chǎng)也隨時(shí)間變化，所以交流回路是通過(guò)電場(chǎng)的形式通過(guò)電容器。

4.2 監(jiān)控回路

交流竄入直流系統(tǒng)監(jiān)控回路如圖2所示。利用電容器的特性，在直流系統(tǒng)的母線間各接入一個(gè)電容器，正常運(yùn)行時(shí)，電容器在直流系統(tǒng)的母線間相當(dāng)于斷路狀態(tài)。當(dāng)交流竄入直流系統(tǒng)后，電容器與電源正極相接的極板所帶的自由電子將在電場(chǎng)力作用下移到與電源負(fù)極相接的極板。由于失去負(fù)電荷而帶正電的極板為正極，獲得負(fù)電荷而帶負(fù)電的極板為負(fù)極，此時(shí)在圖中A點(diǎn)對(duì)地產(chǎn)生電壓，如在A點(diǎn)與接地點(diǎn)之間安裝一個(gè)報(bào)警繼電器ZJ，那么當(dāng)交流竄入直流系統(tǒng)后，此報(bào)警繼電器ZJ會(huì)動(dòng)作，而將報(bào)警繼電器的動(dòng)作接點(diǎn)接入遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或中央信號(hào)屏，同時(shí)在遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或中央信號(hào)屏上將此信號(hào)加入聲光報(bào)警，那么交流竄入直流系統(tǒng)時(shí)，遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)或中央信號(hào)屏?xí)l(fā)聲光報(bào)警，提醒運(yùn)行人員及時(shí)知道此運(yùn)行異常狀態(tài)，從而進(jìn)行處理。

4.3 具有交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能的監(jiān)測(cè)回路

交流竄入直流系統(tǒng)監(jiān)控回路如圖3所示：

如圖3所示，在純監(jiān)控回路報(bào)警的方式下取A點(diǎn)電壓接入故障錄波構(gòu)成測(cè)量回路。

電廠現(xiàn)有配置情況，直流系統(tǒng)裝設(shè)有直流接地巡檢儀，集中控制室為DCS（分布式控制系統(tǒng)），繼電保護(hù)裝有故障錄波裝置，如圖3在直流系統(tǒng)的母線位置安裝此報(bào)警監(jiān)測(cè)回路，將報(bào)警繼電器ZJ的常開接點(diǎn)送電纜送至DCS并做語(yǔ)音和光字牌報(bào)警；同時(shí)將A點(diǎn)電壓接入現(xiàn)有故障錄波裝置的模擬量采集通道，在故障錄波裝置中設(shè)置好相應(yīng)定值，在出現(xiàn)交流竄入直流系統(tǒng)時(shí)，可以啟動(dòng)故障錄波進(jìn)行記錄，故障錄波的報(bào)文可以分析和計(jì)算故障時(shí)交流竄入直流系統(tǒng)的大小和時(shí)間，從而滿足《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》中所要求的“直流系統(tǒng)要具備交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能”。

4.4 材料

自從《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義》發(fā)布并實(shí)施后，一些經(jīng)營(yíng)直流系統(tǒng)的廠家開始生產(chǎn)并出售各種監(jiān)測(cè)裝置，而這些監(jiān)測(cè)裝置分兩種：第一種為類似此文討論的“監(jiān)控回路”的方法，即只具備接點(diǎn)報(bào)警功能；第二種為本文討論的“監(jiān)測(cè)回路”的方法，具有交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能。不管購(gòu)買哪種設(shè)備均比此文所提供的方法需要的成本高的多，此文是利用現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，僅需購(gòu)買一個(gè)報(bào)警繼電器、兩個(gè)電容自行配置監(jiān)測(cè)回路和報(bào)警回路來(lái)實(shí)現(xiàn)交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能。

5 結(jié)語(yǔ)

此文討論的方法便捷，所需要的電容和報(bào)警繼電器在電氣二次上為常見(jiàn)物品，可以在各電廠和變電站推廣使用，目前在湖南某電廠已安裝使用，在此電廠進(jìn)行交流竄入直流以及直流系統(tǒng)的母線進(jìn)行停送電時(shí)故障錄波均啟動(dòng)錄波。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)家能源局.防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及編制釋義[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

[2] 昊忠智.工業(yè)與民用建筑直流電源設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑出版社，2004.

（責(zé)任編輯：蔣建華）