35 kV變電站直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障分析與排查

王超

（國網(wǎng)安徽省電力公司濉溪縣供電公司，安徽淮北，235100）

35 kV變電站直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障分析與排查

王超

（國網(wǎng)安徽省電力公司濉溪縣供電公司，安徽淮北，235100）

直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障是35 kV變電站中的常見故障之一。討論了故障的潛在危害，對(duì)故障進(jìn)行了分類，從機(jī)理上各自加以分析，并詳細(xì)描述了排查手段。研究表明，直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障制約著變電站乃至電網(wǎng)的正常運(yùn)行；共極運(yùn)行和二次回路改動(dòng)不當(dāng)是導(dǎo)致此類故障的兩大常見原因；結(jié)合電網(wǎng)改造前后電路工作原理的比較分析，借助便攜式直流系統(tǒng)接地故障定位裝置等得力工具，是排查故障的有力手段。以上結(jié)論為35 kV變電站直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的解決奠定了理論基礎(chǔ)。

35 kV；變電站；環(huán)網(wǎng)故障；共極運(yùn)行；二次回路；電網(wǎng)改造；便攜式直流系統(tǒng)接地故障定位裝置

引言

國網(wǎng)安徽省電力公司濉溪縣供電公司管轄35 kV變電站15座，變電技術(shù)始終革新，人員崗位時(shí)常變動(dòng)。部分檢修維護(hù)人員缺乏變電站運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)力量欠缺，再加上個(gè)別變電站設(shè)計(jì)存在缺陷，經(jīng)常導(dǎo)致一些故障頻發(fā)，不僅影響了變電站的正常運(yùn)行，甚至給變電站乃至整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行留下了安全隱患。在35 kV變電站常見故障當(dāng)中，直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障是比較嚴(yán)重的故障之一，要求工作人員必須準(zhǔn)確定位和排除之，將負(fù)面影響降至最低。

1 故障危害分析

近幾年，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，35 kV變電站建設(shè)數(shù)量不斷增多。由于經(jīng)驗(yàn)缺乏、技術(shù)限制等原因，二次設(shè)備直流系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)了不少問題。直流系統(tǒng)是整個(gè)35 kV變電站電力系統(tǒng)的重要組成部分，且由于所有繼電保護(hù)裝置都使用直流電源，因此其也是繼電保護(hù)控制的核心[1]。從最近幾年來看，很多較大的電網(wǎng)安全事故都是由變電站直流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的，這主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的變電站設(shè)計(jì)都采用了單極供電的方式，而隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增加，改造采用雙極供電后，原來的直流電系統(tǒng)卻沒有改變，而是成為了一個(gè)故障閉合系統(tǒng)，一旦其出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)變電站保護(hù)裝置也出現(xiàn)故障，從而影響到整個(gè)變電站甚至是電網(wǎng)的運(yùn)行。

當(dāng)前，在傳統(tǒng)的35 kV變電站設(shè)計(jì)中，主要是采用一段蓄電池向全站二次設(shè)備提供電源。運(yùn)行過程中，系統(tǒng)不斷開展直流整治活動(dòng)，直流系統(tǒng)不斷得到更新。為了增強(qiáng)供電能力，現(xiàn)在很多35 kV變電站由一段蓄電池改為兩段獨(dú)立的蓄電池，雖然解決了供電能力不足的問題，但卻導(dǎo)致繼電保護(hù)二次回路接線錯(cuò)誤，其結(jié)果就是接地、停止供電，可能會(huì)使整個(gè)二次供電設(shè)備陷入癱瘓。若短路導(dǎo)致的明火比較大，則可能會(huì)引起更嚴(yán)重的事故[2]。由于目前變電站都是無人值守的，一旦出現(xiàn)直流故障，就需要對(duì)整個(gè)變電站進(jìn)行故障檢查和排除，且需要重新調(diào)度，造成大量的人力物力浪費(fèi)。

2 共極運(yùn)行故障分析與排查

2.1 故障分析

35 kV變電站直流環(huán)網(wǎng)是兩段直流系統(tǒng)共正極或共負(fù)極運(yùn)行。由于兩段直流正極和負(fù)極均連接在一起，如果二次回路存在寄生回路，導(dǎo)致共極運(yùn)行發(fā)生，那么就會(huì)出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)故障。比較常見的有斷路器跳合閘回路，其會(huì)導(dǎo)致其它線不通電，而一旦通電，則在跳合閘處斷開，導(dǎo)致故障發(fā)生[3]。此外，有的35 kV變電站直流系統(tǒng)采用兩段直流母聯(lián)開關(guān)斷開的運(yùn)行方式。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，任一段出現(xiàn)接地故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)直流供電系統(tǒng)的接地故障。

另一種情況是對(duì)于直流供電的兩個(gè)母線，如果其中一個(gè)直流小母線的某間隔線路保護(hù)當(dāng)中，第一組跳閘線圈負(fù)極與第二組跳閘線圈負(fù)極出現(xiàn)了寄生回路，也就是兩組直流負(fù)極直接連接在了一起，則將導(dǎo)致兩個(gè)獨(dú)立的蓄電池共正負(fù)極環(huán)網(wǎng)故障，這時(shí)一段直流接地也會(huì)導(dǎo)致另一段的接地。

2.2 故障排查

對(duì)于共極運(yùn)行導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)故障排查，可先模擬一段直流系統(tǒng)發(fā)生高阻接地，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查找判斷，或者使用便攜式直流系統(tǒng)接地故障定位裝置對(duì)故障地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。這兩種方法比較適合查找二次回路中共極寄生回路導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)故障[4]，但對(duì)于直流母線并列共極運(yùn)行則不太適用。因?yàn)樵诖祟惞收袭?dāng)中，兩組蓄電池出口電壓不同，從而在內(nèi)部形成環(huán)流，雖然暫時(shí)不會(huì)影響蓄電池功能，但是時(shí)間一長則會(huì)導(dǎo)致蓄電池故障。如果兩段母線沒有嚴(yán)格分開，此時(shí)共正極和共負(fù)極會(huì)從一段母線擴(kuò)展到另一段母線，這時(shí)可先使用便攜式直流系統(tǒng)接地故障定位裝置判斷一段母線是否存在故障，然后再檢測(cè)另一段母線，測(cè)量兩個(gè)蓄電池的正負(fù)極電壓，如果不一致就需要及時(shí)更換蓄電池。

以上方法得益于便攜式直流系統(tǒng)接地故障定位裝置的工作原理。該裝置由信號(hào)發(fā)生器和故障檢測(cè)器兩部分組成。在工作時(shí)，信號(hào)發(fā)生器在直流母線電源端向直流系統(tǒng)注入直流檢測(cè)信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度不會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生影響；故障檢測(cè)器則在直流負(fù)荷端各回路檢測(cè)對(duì)地直流信號(hào)漏電流，從而快速檢測(cè)出接地故障。目前35 kV變電站使用的220 V直流系統(tǒng)，0～70 kΩ的電阻都能夠檢測(cè)出。

對(duì)于第二種情況，可以在II段母線上模擬電阻端直流負(fù)極節(jié)點(diǎn)，然后使用便攜式直流接地測(cè)試儀進(jìn)行故障定位，測(cè)量各支路是否接地，以及接地的具體位置。假如在某支路的A點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)直流接地信號(hào)，而在其它支路上沒有發(fā)現(xiàn)，則可以確定在該支路對(duì)應(yīng)的某間隔內(nèi)存在直流共極運(yùn)行現(xiàn)象。緊接著，在II段直流系統(tǒng)當(dāng)中重復(fù)上述步驟，如果在某支路當(dāng)中也能檢測(cè)到類似信號(hào)，則可確定在該間隔中的回路上存在將兩段直流共極環(huán)網(wǎng)的寄生回路。最后，使用便攜式直流接地儀檢測(cè)直流回路上的接線錯(cuò)誤。解決故障的過程中，要以恢復(fù)兩組直流供電系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行為目的，通過斷開共正極和共負(fù)極，或者重新布線、安裝等方式解決。

3 二次回路改動(dòng)不當(dāng)問題分析與排查

3.1 問題分析

在一些新建的35 kV變電站當(dāng)中，為了保證繼電保護(hù)裝置的供電需要，一般采用兩組蓄電池供電，如圖1所示。其中有一種情況是I段直流正極與II段直流負(fù)極，或者I段直流負(fù)極與II段直流正極通過電阻、線圈等連接環(huán)網(wǎng)的問題[5]。

如圖2所示，在35 kV變電站當(dāng)中，兩段直流電源系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的，兩者所帶的負(fù)荷之間一般沒有任何電氣聯(lián)系。一旦按照上述兩種方式連接在一起，兩段直流系統(tǒng)的正負(fù)極對(duì)地電位都是零。如果在某間隔進(jìn)行二次回路改動(dòng)時(shí)出現(xiàn)保護(hù)中心安全警告，或指示燈正負(fù)極的供電電流分別來自兩個(gè)不同的直流電源，也會(huì)引起環(huán)網(wǎng)故障。在運(yùn)行過程中，若兩段直流之間存在正常勵(lì)磁線圈或信號(hào)指示燈亮，則是由供電不足導(dǎo)致的線圈和指示燈的電壓過低。由于環(huán)網(wǎng)故障有明顯的提示，因此在運(yùn)行過程中一般比較容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然有時(shí)也需要借助一些設(shè)備才能夠進(jìn)一步確定故障位置及原因。

圖1 兩組蓄電池供電示意圖

圖2 變電站環(huán)網(wǎng)故障示意圖

3.2 故障排查

圖3 35 kV直流供電系統(tǒng)單元

若二次回路改動(dòng)不當(dāng)導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)故障，要根據(jù)如圖3所示的具體單元進(jìn)行檢測(cè)、排除。如果是I段直流正極與II段直流負(fù)極混在一起，此時(shí)兩個(gè)直流系統(tǒng)中都會(huì)發(fā)直流接地信號(hào)；如果兩個(gè)蓄電池連接的兩段測(cè)試電阻為零，就可以判斷是直接連接，根據(jù)疊加法，兩個(gè)點(diǎn)的對(duì)地電位都是零，此時(shí)兩個(gè)蓄電池都會(huì)出現(xiàn)直流接地故障。但是在實(shí)踐當(dāng)中，兩個(gè)蓄電池之間由不定阻抗的電阻連接，此時(shí)比較復(fù)雜，主要分為兩種情況：

第一種，某間隔保護(hù)當(dāng)中，線圈或信號(hào)指示燈的正負(fù)極分別來自兩段直流電源。如果在改造之前使用一組蓄電池供電，而改造后使用兩組蓄電池供電，沒有改造線圈或指示燈的直流供電就會(huì)出現(xiàn)故障，也就是出現(xiàn)不正常勵(lì)磁或信號(hào)指示燈不能正常指示。例如，我公司在2010年的35 kV變電站改造當(dāng)中，對(duì)原來的直流電系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)信號(hào)指示燈不亮，通過排查發(fā)現(xiàn)蓄電池改造后依然是一組蓄電池供電，實(shí)際上信號(hào)燈只是接了一根線。這個(gè)故障相對(duì)比較簡單，可以圍繞蓄電池很快找到原因，即在排查時(shí)斷開兩組蓄電池連接，使用其中的一個(gè)蓄電池對(duì)間隔中的線圈或指示燈進(jìn)行供電，從而避免此類故障的發(fā)生。而在較為復(fù)雜的情況下，需要先檢查是否存在線圈失磁或信號(hào)指示燈不能正常顯示的情況，并在此基礎(chǔ)上使用便攜式直流接地測(cè)試儀查找故障原因。

第二種，兩段都出現(xiàn)直流連接的情況。此時(shí)只能使用便攜式直流接地測(cè)試儀確定故障位置及原因。此外，有時(shí)兩組蓄電池之間會(huì)安裝繼電保護(hù)器，則需要通過試驗(yàn)的方式確定，具體方法是：首先斷開一路的直流電源，判斷在接點(diǎn)閉合后是否會(huì)引起故障，此時(shí)繼電保護(hù)器不動(dòng)，使用便攜式直流接地測(cè)試儀測(cè)出直流接地信號(hào)，然后順著運(yùn)行方向，在兩段直流環(huán)網(wǎng)回路上查找。找到后，斷開電源，使用通路法或搖測(cè)絕緣的方法，即可排查出環(huán)網(wǎng)問題。

4 結(jié)論和建議

在35 kV變電站運(yùn)行管理當(dāng)中，直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障是最普遍的問題之一，與近幾年新變電站建設(shè)或老變電站改造后使用兩組蓄電池分別獨(dú)立供電運(yùn)行有密切關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)使得直流環(huán)網(wǎng)問題逐漸增多。由于繼電保護(hù)裝置的增多，一組蓄電池不再能夠滿足變電站運(yùn)行需要，因此在現(xiàn)有技術(shù)條件下又只能選擇兩組蓄電池的設(shè)計(jì)方式。由于兩種方式在技術(shù)上都是采用喚醒供電，在理論上提高了直流系統(tǒng)的可靠性，在降低了設(shè)計(jì)及運(yùn)行成本的同時(shí)，也留下了不少故障隱患，尤其是運(yùn)行時(shí)間較長后，一些比較隱蔽的環(huán)網(wǎng)問題就會(huì)出現(xiàn)。

蓄電池設(shè)計(jì)的使用壽命通常是比較穩(wěn)定的，但蓄電池內(nèi)部回路會(huì)縮短其使用壽命。單純通過人工經(jīng)驗(yàn)很難確定故障點(diǎn)，尤其是在絕緣性總體下降時(shí)，更是難上加難。建議：比較先進(jìn)的35 kV變電站直流供電系統(tǒng)都是采用輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過直流分屏方式保證直流回路完整清晰，不但能夠減少直流環(huán)網(wǎng)問題，還能夠快速準(zhǔn)確地排除故障，值得推廣使用。

[1]楊莉敏. 淺談變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2014(35): 213.

[2]楊林, 周陽, 李國強(qiáng). 淺議變電站直流系統(tǒng)常見故障及預(yù)防[J].通訊世界, 2015(10): 153-154.

[3]趙麗惠. 提高供電可靠性方法研究[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2010(2): 94.

[4]趙海燕. 直流系統(tǒng)接地檢測(cè)方法探討[J]. 科技風(fēng), 2009(16): 207.

[5]陳芳, 蘆興, 胡偉. 淺議變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的現(xiàn)狀和對(duì)策[J]. 中國電力教育, 2009(S2).

Analysis and Troubleshooting on Fault of DC Loop Network in 35 kV Substations

WANG Chao
(Suixi County Power Supply Company, State Grid Anhui Electric Power Company, Huaibei, Anhui,235100, China)

Fault of DC loop network is common in 35 kV substations. The potential hazards of faults are discussed, the faults are classified and their mechanism is analyzed, and the methods of their troubleshooting are described in detail. Research shows that fault of DC loop network restricts the normal operation of the substation or even the power grid; co-polar operation and misconduct of change in secondary circuit are the two common causes of such failures; combined with mechanism comparison and analysis before and after the transformation of the power grid, and the use of devices such as portable grounding fault locator of DC system, are powerful tools for the troubleshooting of the fault. These conclusions lay the theoretical foundation for the resolution of faults of DC loop network in 35 kV substations.

35 kV; Substation; Fault of Loop Network; Co-polar Operation; Secondary Circuit; Power Grid Transformation; Portable Grounding Fault Locator of DC System

TM411+.4

A

2095-8412 (2016) 06-1128-04

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.019

王超(1974-)，男，漢族。職稱：電力工程師。