交流系統(tǒng)故障對(duì)直流系統(tǒng)影響分析及改進(jìn)措施

劉忠 姚洋 童為為 王寧寧 詹志宏 蔣小莉

摘要：目前我國(guó)的電力建設(shè)在高速發(fā)展，電力系統(tǒng)的技術(shù)水平也在不斷的提高，這也帶動(dòng)了電力傳輸方式的改變。特高壓交流系統(tǒng)的過(guò)電壓操作，關(guān)系到交流系統(tǒng)的絕緣性能，過(guò)電壓操作的要求比較高，目的是決定交流系統(tǒng)的電壓水平。特高壓交流系統(tǒng)合閘時(shí)的過(guò)電壓，不僅要做好配置優(yōu)化的工作，更重要的是解決過(guò)電壓中的問(wèn)題，防止出現(xiàn)損壞、故障的問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)交流系統(tǒng)過(guò)電壓操作的實(shí)踐性，避免影響特高壓交流系統(tǒng)過(guò)電壓的操作方式。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);交流侵入;高壓反擊;

1 過(guò)電流故障

1.1 輕載過(guò)電流故障 。

故障現(xiàn)象：在V/F控制模式下，變頻系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)磁路系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性。變頻系統(tǒng)在低頻、輕載的情況下，電動(dòng)機(jī)磁路飽和容易引起過(guò)電流跳閘，為了能帶動(dòng)較重的負(fù)載，常常需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。這樣會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)磁路的飽和程度隨負(fù)載的輕重而變化。 解決方法：進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償（調(diào)整U/f比），直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，可以參考電機(jī)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定性，調(diào)不好，電機(jī)本體會(huì)動(dòng)作異常。

1.2 重載過(guò)電流跳閘。

故障現(xiàn)象：生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于負(fù)荷突然加重，會(huì)出現(xiàn)“卡住”或者“堵轉(zhuǎn)”等現(xiàn)象，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速因帶不動(dòng)負(fù)載而大幅下降，同時(shí)電流急劇增加，過(guò)載保護(hù)來(lái)不及動(dòng)作，就導(dǎo)致過(guò)電流跳閘。 解決方法： ①在了解電氣故障現(xiàn)象的同時(shí)，與機(jī)械人員及操作人員進(jìn)行故障現(xiàn)象的共享，并多到現(xiàn)場(chǎng)了解機(jī)械設(shè)備本身是否有故障、動(dòng)作是否存在異常、周?chē)欠翊嬖谄渌O(shè)備的干涉、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境連帶的影響等，如果有故障，則先處理機(jī)械設(shè)備或其它設(shè)備，故障的查找應(yīng)該從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面進(jìn)行。例如：機(jī)械齒輪箱齒出現(xiàn)斷裂研死、聯(lián)軸器固定螺栓出現(xiàn)局部斷裂、機(jī)械軸承研死 、軸瓦研死、保護(hù)設(shè)備脫落、機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分卡阻研死等等。②如果這種過(guò)載屬于生產(chǎn)過(guò)程中由于機(jī)械設(shè)備振動(dòng)、軸向竄動(dòng)等經(jīng)常出現(xiàn)的故障，則通過(guò)加大電動(dòng)機(jī)和負(fù)載之間的傳動(dòng)比的措施。這樣可減輕電動(dòng)機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩，避免出現(xiàn)帶不動(dòng)的狀況。若不能加大傳動(dòng)比，就只能增大變頻器和電動(dòng)機(jī)的容量了。

1.3 升速或降速中過(guò)電流故障。

主要原因：升速調(diào)節(jié)時(shí)間或降速調(diào)節(jié)時(shí)間的參數(shù)設(shè)定過(guò)快。解決方法：①準(zhǔn)確預(yù)置升（降）速自處理（防失速）功能。當(dāng)升（降）電流超過(guò)預(yù)置的上限電流時(shí)，將暫停升（降）速，待電流降至設(shè)定值以下時(shí)，再繼續(xù)升（降）速。變頻器對(duì)于升、降速過(guò)程中的過(guò)電流，設(shè)置了自處理（防失速）功能。②延長(zhǎng)升（降）速時(shí)間。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求分析，如果允許，可采取延長(zhǎng)升（降）速時(shí)間措施。

2 高壓交流侵入對(duì)直流系統(tǒng)的影響

高壓交流侵入又稱(chēng)為高壓反擊，是由于一次設(shè)備發(fā)生故障時(shí)的接地電流使接地網(wǎng)局部地電位升高，擊穿二次回路對(duì)地的絕緣后直接進(jìn)入二次系統(tǒng)，然后將該二次回路另一處絕緣薄弱處擊穿入地，為異常地電位分流的現(xiàn)象。對(duì)于高壓反擊問(wèn)題，目前只能通過(guò)減小接地網(wǎng)的接地電阻來(lái)緩解，直流系統(tǒng)本身還沒(méi)有有效的防范措施。

由于直流系統(tǒng)輻射范圍廣，絕緣薄弱環(huán)節(jié)多，較容易遭到高壓交流侵入，直流系統(tǒng)遭受高壓反擊，往往造成二次設(shè)備損壞、保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)、空氣小開(kāi)關(guān)跳閘、直流回路短路或多點(diǎn)接地的嚴(yán)重事故。2002年某變電站曾發(fā)生過(guò)主變壓器內(nèi)部故障，該主變壓器故障后，地電位對(duì)二次直流回路反擊，主變壓器220kV斷路器的某電壓切換繼電器對(duì)地?fù)舸鹬髯儔浩?20kV斷路器直流操作熔絲燒斷，造成保護(hù)雖動(dòng)作，但斷路器未分閘，故障電流未被及時(shí)切除，最終導(dǎo)致主變壓器起火、全站全停的擴(kuò)大事故。

3 提高直流系統(tǒng)抵御交流侵入能力的方案

3.1 方案的研究思路

交流分量竄入直流系統(tǒng)后最明顯的現(xiàn)象就是整個(gè)直流回路對(duì)地電壓以50Hz頻率大幅波動(dòng)，如果能將這個(gè)電壓波動(dòng)衰減到足夠小，就能有效減輕交流竄入后對(duì)直流系統(tǒng)的危害。因此要提高直流系統(tǒng)抵御交流侵入的能力，關(guān)鍵在于穩(wěn)定直流母線(xiàn)的對(duì)地電壓，基于這個(gè)原理，本文提出一種直流母線(xiàn)并聯(lián)鉗位二極管的改進(jìn)方案（下稱(chēng)鉗位二極管方案），實(shí)驗(yàn)和仿真都證明了這個(gè)方案的可行性。

3.2 方案的具體內(nèi)容

該方案實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)單，是在直流母線(xiàn)上裝設(shè)了兩個(gè)大功率、高反壓的整流二極管，二極管D1負(fù)極、D2正極接地，接地點(diǎn)必須選在與一次設(shè)備有一定距離的地方（如繼電器室），可通過(guò)二極管鉗制直流母線(xiàn)對(duì)地電壓來(lái)釋放串入的交流分量。直流系統(tǒng)正常時(shí)，由于正母線(xiàn)、大地、負(fù)母線(xiàn)三者間的電位關(guān)系，兩個(gè)二極管均不導(dǎo)通（硅二極管反向阻抗無(wú)窮大，不會(huì)影響母線(xiàn)對(duì)地絕緣）;當(dāng)母線(xiàn)直流接地時(shí)，也不可能出現(xiàn)負(fù)母線(xiàn)電位高于大地電位或正母線(xiàn)電位低于大地電位的現(xiàn)象，因此二極管仍舊不導(dǎo)通;當(dāng)交流分量串入直流系統(tǒng)后，如果串入負(fù)極，交流電的正半周將通過(guò)二極管D2短路，如果串入正極，同理負(fù)半周將通過(guò)D1短路，從而迫使該交流回路或直流支路的空氣小開(kāi)關(guān)迅速跳閘，切除入侵的交流分量;如果侵入的交流分量幅值很大（高壓反擊），由于二極管的電壓鉗位作用，可以保證直流母線(xiàn)對(duì)地電壓的相對(duì)穩(wěn)定，至少可以使入侵的高壓交流不再流入其他回路。

鉗位二極管方案使得直流正母線(xiàn)的電壓始終高于大地，負(fù)母線(xiàn)電壓始終低于大地，直流母線(xiàn)對(duì)地電壓偏移范圍一直控制在常規(guī)直流接地時(shí)的范圍內(nèi)，這就有效地保證了直流母線(xiàn)對(duì)地電壓的穩(wěn)定，大幅度降低了繼電器誤動(dòng)的概率。220V直流系統(tǒng)正母線(xiàn)遭到站用電侵入后，采用這種新方案后，直流母線(xiàn)在交流入侵后對(duì)地電壓波動(dòng)幅值大幅減小，并在干擾源切除后快速恢復(fù)正常。如果交流分量通過(guò)過(guò)渡電阻串入，可能通過(guò)二極管的短路電流太小使空氣小開(kāi)關(guān)無(wú)法跳閘，但由于母線(xiàn)對(duì)地電壓波動(dòng)一直限制在較小的范圍內(nèi)，還是大幅降低了繼電器誤動(dòng)的概率。為進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)方案，我們?cè)谀?10kV換流站停電改造時(shí)，在110V直流系統(tǒng)上做了模擬交流入侵和高壓反擊試驗(yàn)。該換流站的直流母線(xiàn)上設(shè)有正母線(xiàn)對(duì)地、負(fù)母線(xiàn)對(duì)地的氧化鋅避雷器，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，先在直流母線(xiàn)上安裝鉗位二極管，然后在選定的幾個(gè)直流負(fù)荷（改造后被淘汰的舊設(shè)備）直流電源上加交流電壓，交流電壓通過(guò)升壓變壓器和自耦調(diào)壓器調(diào)節(jié)，最高電壓可升到1000V，用于模擬高壓反擊和交流侵入。

4 特高壓交流系統(tǒng)過(guò)電壓操作的建議

4.1 避免諧振

特高壓交流系統(tǒng)中，一旦發(fā)生諧振，即會(huì)影響過(guò)電壓的限制操作，很容易引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，特高壓交流系統(tǒng)在限制過(guò)電壓時(shí)，必須提前做好避免諧振的工作，提出兩點(diǎn)建議，如：（1）以工頻過(guò)電壓為諧振控制的基礎(chǔ)依據(jù)，通過(guò)高抗補(bǔ)償?shù)姆绞?，排除諧振的干擾，其中高抗補(bǔ)償不能過(guò)度，根據(jù)過(guò)電壓限制的實(shí)際狀態(tài)，設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償度;（2）積極利用小電抗，控制諧振的規(guī)模，待小電抗規(guī)避了諧振危險(xiǎn)后，自主保護(hù)交流系統(tǒng)，抑制過(guò)電壓的發(fā)生。

4.2 推行合閘電阻

合閘電阻的建議，有利于提高過(guò)電壓限制的操作水平，其可在交流系統(tǒng)的不同狀態(tài)下，規(guī)劃對(duì)應(yīng)的限制方法，更為注重過(guò)電壓限制的實(shí)用性，最重要的是保護(hù)特高壓交流系統(tǒng)的可靠性，規(guī)避過(guò)電壓中潛在的安全隱患，強(qiáng)化交流系統(tǒng)的絕緣性能。

5 結(jié)語(yǔ)

特高壓交流系統(tǒng)具有一定的特殊性，其在過(guò)電壓方面與普通操作有明顯的不同，電力企業(yè)需要深入研究特高壓交流系統(tǒng)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，保障過(guò)電壓操作的安全性，進(jìn)而為特高壓交流系統(tǒng)提供穩(wěn)定的支持，體現(xiàn)過(guò)電壓的優(yōu)勢(shì)，解決過(guò)電壓中出現(xiàn)的問(wèn)題。

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