變電站站用直流系統(tǒng)合環(huán)問題分析

李國強

（錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

變電站內(nèi)直流系統(tǒng)作為二次系統(tǒng)最重要的組成部分，為繼電保護、事故照明、交流不間斷電源等裝置提供穩(wěn)定的直流電源[1]。直流系統(tǒng)主要由高頻開關(guān)電源、蓄電池、絕緣檢測裝置及饋線組成[2]。由于直流饋線需要延伸至變電站每一個間隔，故其在空間上比較龐大，且接線錯綜復(fù)雜，這也導(dǎo)致直流系統(tǒng)饋線部分容易出現(xiàn)故障[3]。直流系統(tǒng)故障對電力系統(tǒng)危害很大，有可能造成斷路器的誤跳或拒跳。

直流系統(tǒng)正常運行時，由于平衡橋的作用，正極對地電壓為+110 V，負極對地電壓為-110 V[4]。當直流系統(tǒng)發(fā)生合環(huán)故障時，正、負極對地電壓值都會發(fā)生改變，絕緣監(jiān)測裝置會報出直流母線絕緣電阻下降信號。2段直流系統(tǒng)都有絕緣監(jiān)測裝置，當2段直流系統(tǒng)合環(huán)時會相互影響，報出絕緣降低甚至直流接地信號，還會影響正常的絕緣監(jiān)測功能[5-6]。因此，當直流系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，應(yīng)迅速準確判斷故障類型并處理，以保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文以某220 kV變電站產(chǎn)生的合環(huán)故障為例，對三種合環(huán)故障的特征進行分析，為解決類似故障提供參考。

1 故障概況

某日巡視發(fā)現(xiàn)某220 kV變電站的2段直流供電系統(tǒng)正負極電壓均不平且極性相反，具體數(shù)據(jù)如表1所示。用萬用表測量兩段母線電壓，結(jié)果與表1相同。絕緣監(jiān)測裝置無報警信號；查看絕緣監(jiān)測裝置的支路絕緣，并將絕緣較低的支路進行拉路，電壓不平未消失，判斷裝置的選線不準確。隨后對所有支路使用拉路法進行故障查找，經(jīng)多次試驗未找到故障點，判斷該故障為2段直流母線的合環(huán)故障。

表1 2段直流母線電壓

2 絕緣監(jiān)測裝置的工作原理

2.1 平衡橋監(jiān)測方法

基于平衡橋的絕緣電阻監(jiān)測裝置工作原理如圖1所示[7]。通過檢測U+、U-可以判斷正極和負極對地的絕緣電阻情況。該檢測方法的缺點為：正極和負極同時以相同的電阻接地時，絕緣電阻狀態(tài)不能檢測。

圖1 平衡橋絕緣監(jiān)測裝置工作原理

2.2 不平衡橋監(jiān)測方法

基于不平衡橋的絕緣電阻監(jiān)測裝置工作原理如圖2所示，設(shè)正負極之間電壓為U，當可控開關(guān)SW1閉合、SW2打開時可測得U+，當SW2閉合、SW1打開時可測得U-?？傻茫?/p>

圖2 不平衡橋絕緣監(jiān)測裝置工作原理

根據(jù)公式（1）可得正負極對地絕緣電阻RX和RY，這種方法解決了平衡橋監(jiān)測時正負極同時接地不能準確監(jiān)測的缺點，但需要頻繁分合控制開關(guān)，降低了監(jiān)測速度。

3 直流系統(tǒng)合環(huán)故障分析

由于雙重保護中每套保護都要采集該間隔的斷路器、隔離開關(guān)等設(shè)備的位置信息，且2套保護分別用2套直流系統(tǒng)電源，因此2段直流系統(tǒng)合環(huán)常發(fā)生在配有雙套保護的主變壓器或線路遙信接點處。以下就2段直流系統(tǒng)可能出現(xiàn)的正極相連、負極相連、正負相連故障特征進行分析。

3.1 正極相連

2段直流系統(tǒng)正極相連時電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，R1為Ⅰ段直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的內(nèi)部平衡橋電阻，R2為Ⅱ段直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置的內(nèi)部平衡橋電阻。根據(jù)電路分析可得2段系統(tǒng)正極相連特點為：2段直流系統(tǒng)正極電壓和絕緣電阻相同，正極的絕緣電阻變?yōu)镽1與R2并聯(lián)后的電阻值，因此正極的絕緣電阻和對地電壓都會有所下降；相應(yīng)地，2段直流母線負極電壓有所升高，絕緣電阻不變。

圖3 2段直流系統(tǒng)正極相連時的電路圖

3.2 負極相連

2段直流系統(tǒng)負極相連電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，考慮到合環(huán)故障一般都出現(xiàn)在遙信回路，而遙信回路的負極均接有一個阻值較大的限流電阻，用R3和R4表示。根據(jù)電路分析可得，2段母線負極相連時，2段直流系統(tǒng)的負極絕緣電阻和對地電壓相等，但是低于正極的絕緣電阻和對地電壓。由于R3和R4電阻的影響，降低幅度會比正極相連時小。

圖4 2段直流系統(tǒng)負極相連時的電路圖

正極相連和負極相連同時存在的情況相當于2段母線并列運行，當2段直流母線的絕緣監(jiān)測裝置都投入時會相互影響，造成正負極絕緣電阻值降低，降低幅度和正負極的并列回路中電阻大小有關(guān)[8]。同理，此時正負極對地電壓也會受并列回路中電阻大小的影響。日常運行中如果需要緊急將2段直流母線并列運行，必須退出其中一套絕緣監(jiān)測裝置[9]。

3.3 正負相連

2段直流系統(tǒng)正負相連時電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，同樣以遙信回路中正負相連分析，此時Ⅰ段系統(tǒng)正極對地絕緣電阻和對地電壓下降、Ⅱ段系統(tǒng)負極對地絕緣電阻和對地電壓也下降，而且下降的數(shù)值相等。此時正負極對地電壓一高一低，且出現(xiàn)2段直流系統(tǒng)正負極電壓相反的現(xiàn)象。

圖5 2段直流系統(tǒng)正負相連時的電路圖

另外，還存在2段直流系統(tǒng)正負極互相連接的情況，即Ⅰ段直流系統(tǒng)的正極接Ⅱ段直流系統(tǒng)的負極、Ⅱ段直流系統(tǒng)的正極接Ⅰ段直流系統(tǒng)的負極。當遙信回路中發(fā)生這種故障時，由于有限流電阻的存在，正負極對地電壓沒有變化，但是正負極的絕緣電阻均有所下降。當連接回路中沒有電阻時相當于2段直流系統(tǒng)短路，會直接短路跳開相應(yīng)的空氣開關(guān)。

4 Proteus仿真及故障處理

根據(jù)以上分析可以看出，某220 kV變電站故障特征符合2段直流系統(tǒng)正負極相連時的特征。為進一步對故障類型進行驗證，采用Proteus軟件仿真模擬該故障并觀察電壓變化情況[10-15]。使用Proteus軟件建立2段直流系統(tǒng)正負極相連時的模型，設(shè)置直流系統(tǒng)平衡橋的電阻值為25 kΩ、遙信回路中的限流電阻值為100 kΩ，用223 V的電池組模擬直流系統(tǒng)的電源并運行仿真程序，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，理論分析與實際故障中的結(jié)果完全吻合。隨后通過查找發(fā)現(xiàn)，在主變壓器隔離開關(guān)的機構(gòu)箱內(nèi)輔助觸點的公共端接線錯誤，Ⅰ段直流系統(tǒng)的正極接于Ⅱ段直流系統(tǒng)的負極，排除故障后系統(tǒng)正常運行。

圖6 2段直流系統(tǒng)正負相連仿真結(jié)果

5 結(jié)論及建議

由以上分析及仿真可知，通過變電站內(nèi)2段直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置所顯示的正、負極對地電壓及正、負極絕緣電阻，快速判斷出該故障為合環(huán)故障。為避免發(fā)生直流系統(tǒng)合環(huán)故障，在變電站設(shè)計階段應(yīng)明確規(guī)定雙重化保護、電壓切換等裝置分別接入2段直流系統(tǒng)；輔助開關(guān)等同時接入2段直流系統(tǒng)容易發(fā)生合環(huán)的裝置，應(yīng)將2段直流系統(tǒng)分開接入不同的端子排；在施工階段應(yīng)保證電纜牌、電纜走向的正確性，兩段直流系統(tǒng)可以使用不同顏色的電纜，便于運行維護。