變電站直流系統(tǒng)兩段母線串電分析

李修金，王乃科，鄧潔清，袁宇波，孫天宇

(1.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.無錫供電公司，江蘇無錫214031)

無論是常規(guī)變電站還是智能變電站，設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠動(dòng)作都離不開直流系統(tǒng)。目前，繼電保護(hù)裝置發(fā)展到微機(jī)型繼電保護(hù)后，抗干擾能力有所下降，變電站斷路器接口屏由操作箱代替后，其抗干擾能力也有所下降。變電站直流系統(tǒng)是公用系統(tǒng)，如果發(fā)生絕緣異常，有可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作、斷路器無故障跳閘，甚至可能導(dǎo)致變電站全停事故[1]。直流系統(tǒng)絕緣異常通常有一點(diǎn)接點(diǎn)、兩點(diǎn)接點(diǎn)、交流串直流和兩段母線正負(fù)極串電等現(xiàn)象。其中兩段母線正負(fù)極串電的表征比較特殊，且原因較為復(fù)雜。文中借一起實(shí)際案例對(duì)兩段母線正負(fù)極串電進(jìn)行分析，并說明其危害。

1 現(xiàn)場(chǎng)案例

某500 kV變電站在啟動(dòng)試驗(yàn)中，當(dāng)500 kV斷路器進(jìn)行分閘操作時(shí)，后臺(tái)發(fā)出 “直流母線I段接地”和“直流母線II段接地”信號(hào)，且這2個(gè)信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生。大約2 m后，這2個(gè)信號(hào)又同時(shí)復(fù)歸。檢修人員用萬用表對(duì)兩段母線電壓進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定當(dāng)斷路器分閘的時(shí)候，直流I段母線負(fù)極完全接地，直流II段母線正極完全接地，且接地現(xiàn)象同時(shí)產(chǎn)生，約2 m后同時(shí)恢復(fù)正常。

基于這種情況進(jìn)行如下分析：當(dāng)斷路器分閘時(shí)，I/O測(cè)控單元發(fā)出2 m的分閘脈沖，剛好與直流接點(diǎn)信號(hào)持續(xù)時(shí)間相吻合，可以初步判斷是斷路器分閘操作回路上有問題。后對(duì)斷路器分閘操作回路（如圖1所示）進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)如下問題。

圖1中KK是I/O測(cè)控裝置的分閘接點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)STJ繼電器。STJ繼電器動(dòng)作后，通過2個(gè)接點(diǎn)分別驅(qū)動(dòng)1TJQ繼電器和2TJQ繼電器，需要注意的是，按照雙重化配置要求，1TJQ和2TJQ應(yīng)分別由兩段母線供電并驅(qū)動(dòng)。由于施工錯(cuò)誤，將STJ繼電器一副接點(diǎn)（STJ-1）錯(cuò)接至直流II段的正極。這樣當(dāng)I/O測(cè)控裝置發(fā)出合閘脈沖時(shí)（該脈沖持續(xù)2 m），STJ繼電器動(dòng)作，則由于錯(cuò)接，導(dǎo)致直流II段的正極通過1JIQ的勵(lì)磁線圈（電阻值大約1.4 kΩ）[2]和直流I段的負(fù)極導(dǎo)通，即直流I段負(fù)極通過電阻 （阻值1.4 kΩ）和直流II段正極串電。后將STJ-1接點(diǎn)改接至直流I段的正極，該異常現(xiàn)象消失。

圖1 直流回路示意圖

2 原因分析

2.1 星三角轉(zhuǎn)換分析方法

根據(jù)上節(jié)的分析建立如圖2所示的等效模型，其中R為1TJQ的勵(lì)磁線圈電阻，RS為絕緣監(jiān)測(cè)裝置的平衡橋電阻[3]（約為50 kΩ）。

圖2 等效模型

對(duì)圖2的等效模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，得出如圖3（a）的等效電路。根據(jù)電路原理中的Δ-Y[4]變換得出如圖3（b）的等效電路圖，其中：

圖3 化簡(jiǎn)后的等效電路

根據(jù)電路疊加原理，得出圖3(b)中的電流i1和電流i2大小相等、方向相反，所以R3上沒有電流流過，K1和K2等電位，對(duì)地電壓都為0。因此得出如圖4所示的等效電路。

圖4 等效電路

根據(jù)圖4所示，I段母線負(fù)對(duì)地電壓UⅠ－為：

由于R遠(yuǎn)小于RS，由式 （1）得出：R1約等于R/2。帶入式（3）得出：I段母線負(fù)極對(duì)地電壓約為0，即出現(xiàn)所謂的I段母線負(fù)極完全接地。

同樣可以得出II段母線正極對(duì)地電壓UⅡ＋為：

由于R遠(yuǎn)小于RS，由式 （2）得出：R2約等于R/2。帶入式（4）得出：II段母線正極對(duì)地電壓約為0 V，即出現(xiàn)所謂的II段母線正極完全接地。

至此，已分析出直流I段負(fù)極通過小電阻和直流II段正極串接，會(huì)導(dǎo)致兩段母線同時(shí)直流接地報(bào)警的原因。在此基礎(chǔ)上，作進(jìn)一步分析：（1）若兩段母線之間通過大電阻串接（即R電阻阻值很大），由式（3）和式（4）得出，I段母線負(fù)極對(duì)地電壓就不是0，假設(shè)R=RS，則I段母線負(fù)極對(duì)地電壓約為27 V。同樣II段母線正極對(duì)地電壓也不等于0。（2）若兩段母線之間沒有串接，即R無窮大，根據(jù)式（1）和式（2），有 R1=R2=RS，則由式（3）得出直流 I段母線負(fù)對(duì)地電壓為55 V，沒有接地現(xiàn)象或者絕緣異常現(xiàn)象。同樣由式（4）得出直流II段母線正極電壓也正常。

2.2 虛擬地分析方法

虛擬電路如圖5所示。因?yàn)殡娐肥菍?duì)稱的，可以認(rèn)為在電阻R中間中存在一個(gè)虛擬的地，這樣就可將直流I段母線和II段母線解耦 （如圖6和圖7所示），各自單獨(dú)分析。以I段母線為例，可以推導(dǎo)出：

圖5 虛擬電路

圖6 Ⅰ段母線接線示意圖

圖7 I段母線接線等效圖

將 R=1.4 kΩ，RS=50 kΩ 代入：可得到 UⅠ-=-1.37 V，趨近于0。同理：

可得到：UⅡ＋=1.37 V，趨近于 0 。

同樣可得到：當(dāng)R趨近于無窮大時(shí)，UⅠ-=-55V，UⅡ＋=55 V；當(dāng) R 越小，電壓越低，R=0 時(shí)，UⅠ-=UⅡ＋=0。其R與測(cè)量電壓大小的曲線如圖8所示。

圖8 R與測(cè)量電壓關(guān)系曲線

3 危害分析

當(dāng)兩段母線發(fā)生正負(fù)極串電時(shí)，其并非真的發(fā)生直流接地，但依然會(huì)造成繼電器誤動(dòng)作（如圖9所示）[5]。假設(shè)圖9中出口繼電器和驅(qū)動(dòng)接點(diǎn)之間通過長(zhǎng)電纜連接。由于長(zhǎng)電纜對(duì)于存在分布電容，則當(dāng)如圖所示的K處發(fā)生一點(diǎn)接地，則長(zhǎng)電纜對(duì)地電容通過K形成放電回路，而出口繼電器剛好處于放電回路中。若此時(shí)直流母線正負(fù)極對(duì)地電壓平衡，則放電電壓為額定電壓的50%，而出口繼電器的動(dòng)作電壓按照規(guī)程規(guī)定為額定電壓的55%～70%[6]，則不會(huì)動(dòng)作。如此時(shí)直流母線正負(fù)極對(duì)地電壓不平衡，若負(fù)極對(duì)地電壓大于額定電壓的55%，則放電電壓大于出口繼電器的動(dòng)作電壓，繼電器將誤動(dòng)作。當(dāng)直流兩段母線發(fā)生正負(fù)極串電，會(huì)導(dǎo)致母線正負(fù)極對(duì)地電壓嚴(yán)重不平衡，甚至全偏。在此情況下，若發(fā)生直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地，極易導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作。

圖9 繼電器誤動(dòng)示意圖

4 查找串電點(diǎn)的方法

綜上所述，若兩段母線發(fā)生正負(fù)極串電，則兩段母線會(huì)同時(shí)發(fā)生直流正接地、負(fù)接地現(xiàn)象。隨著串接電阻阻值的大小不同，兩段直流母線正、負(fù)極接地程度會(huì)發(fā)生變化。雖然兩段母線正負(fù)極串電，不是真的發(fā)生直流接地，但是由于串電時(shí)造成兩段母線對(duì)地電壓不平衡，如果此時(shí)發(fā)生一點(diǎn)接地，則有可能導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作，導(dǎo)致電網(wǎng)無故障跳閘，危害較大，希望專業(yè)人員引起重視。由于兩段母線串電沒有真正意義上的接地點(diǎn)，所以查找起來較為困難。

目前比較有效查找串電點(diǎn)的方法是小信號(hào)注入法，其基本原理是在一段母線上加小信號(hào)源，并將該母線絕緣監(jiān)測(cè)裝置的平衡橋退出，小信號(hào)則會(huì)通過串電電阻流入另一段母線，在從該段母線絕緣監(jiān)測(cè)裝置的平衡橋流入大地。通過檢測(cè)小信號(hào)的流向就可查找出兩段母線的串電點(diǎn)。

5 結(jié)束語

文中通過直流串電故障實(shí)例，詳細(xì)分析了形成原因，以期對(duì)直流系統(tǒng)類似的故障分析和排查提供一定處理思路和解決辦法。

[1]能源部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)·電氣二次部分[M].北京：中國(guó)電力出版社，1991.

[2]宋繼成.220～500 kV變電所二次接線設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

[3]鐘偉強(qiáng).論變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)[J].科技資訊，2010（6）：127.

[4]邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5]魏 紅，劉永杰.淺談變電站直流系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2010（4）：106.

[6]國(guó)家電網(wǎng)公司.直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006.