檢測橋電阻對直流電源系統安全運行的影響分析

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(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

變電站直流電源系統是站用電源系統的重要組成部分，而直流電源系統絕緣監測儀作為監測直流電源系統絕緣狀態的專用裝置，對直流電源系統正負極接地、系統外電源串入等故障造成的電壓異常進行監測和告警[1-3]。然而，由于直流電源系統絕緣監測儀技術規范的長期缺失，造成目前在運的大部分直流電源系統絕緣監測裝置與國家電網公司企業標準Q/GDW 1969-2013《變電站直流系統絕緣監測裝置技術規范》的要求存在較大差距。其中，該企業標準明確規定了微機型絕緣監測裝置中檢測橋對直流電源系統直流電壓的影響范圍和對直流互串故障的查找能力。因此，確定檢測橋中平衡橋電阻值和不平衡橋電阻值的合理范圍，并開展直流互串下的微機型絕緣監測裝置運行分析就顯得尤為關鍵。

這里探討了變電站雙套直流電源系統的平衡橋電阻和不平衡橋電阻的選取，并仿真分析了發生直流互串時絕緣監測裝置的運行情況，為檢測電阻的選擇提供了參考。

1 站用直流電源系統中直流互串問題

變電站雙套直流電源系統的直流母線正常時，均采用母線分段運行方式。在系統需要時，也可合上兩段直流母線間的聯絡刀閘成為并列運行方式，即I段母線的正、負極分別與II段母線的正、負極對應相連。而直流互串是指一段直流母線一極與另一段直流母線一極出現非正常聯接，兩段直流母線的剩余一極并不相連的情況，典型直流互串有共正(負)極和異極相連兩種情況[4]。直流互串不僅會造成變電站兩段直流母線的正、負極對地電壓及其絕緣狀況發生變化，若此時直流電源系統中再出現接地故障，必將給直流電源系統帶來巨大的安全問題。

據調查分析，產生直流電源系統直流互串的原因主要有[5]以下3點。

① 在新建、擴建或技術改造的施工過程中，將負荷的電源線分別接入兩段直流母線。

② 在倒負荷操作時，將某些負荷從一段母線轉移到另一段母線后，未將其原來的一路空氣開關斷開，致使兩套直流電源系統并列運行。

③ 老舊站由絕緣性能下降或外力等因素電纜芯線間的絕緣，造成同一根電纜中有兩套直流電源系統的供電回路相連。

2 絕緣監測裝置的基本工作原理

目前，在電力系統中廣泛應用的微機型絕緣監測裝置的工作原理如圖1所示。其主要由平衡橋檢測電阻R、不平衡橋檢測電阻Rs、直流電源系統正極對地絕緣電阻Rz、直流電源系統負極對地絕緣電阻Rf、采用計算電路模塊、通信電路模塊等構成[6]。

圖1 微機型絕緣監測裝置原理圖

裝置分別處于平衡橋或不平衡橋運行方式[7]。平衡橋運行方式下，不平衡橋電阻Rs不投入，平衡橋電阻R運行。而不平衡橋的運行是通過手動或定期自動投入不平衡橋實現的，主要是為了檢測平衡橋運行方式下無法發現的正、負兩極絕緣等值接地故障，由不平衡橋運行下正、負極對地電壓，從而計算出正、負極對地絕緣電阻值。

3 直流互串下的仿真分析

(1)單套絕緣監測裝置平衡橋電阻R與不平衡橋電阻Rs的選擇

帶有一套微機型絕緣監測裝置的直流電源系統等值電路如圖2所示，圖中VDC1為蓄電池組電壓，R為平衡橋電阻，Rs為不平衡橋電阻，直流電源系統正負極對地絕緣電阻分別為Rz1和Rf1，這里只討論220 V的直流電源系統。

根據國家電網公司Q/GDW 1969-2013《變電站直流系統絕緣監測裝置技術規范》要求，當220 V直流電源系統一極(正極或負極)絕緣處于良好狀態，另一極絕緣降低到預警整定值100 kΩ時，平衡橋引起的直流對地電壓偏移不得超過10 V。同時，平衡橋電阻值R應大于直流電源系統的報警整定值25 kΩ。設正極對地絕緣下降到預警整定值100 kΩ，有Rz1=100 kΩ

圖2 帶絕緣監測裝置的直流電源系統等值電路圖

(1)

將VDC1=220 V，Rz1=100 kΩ帶入式(1)，可推導得平衡橋電阻值R的范圍為

(2)

圖3 R與Rf1的關系圖

根據式(2)，隨著直流電源系統負極對地絕緣電阻Rf1的變化，為了滿足電壓偏移的要求，其平衡橋電阻值R應滿足如圖3所示曲線。由圖可知，直流電源系統負極對地絕緣電阻Rf1越大，則要求平衡橋電阻R越小，電壓偏移也越小。但實際監測中，若平衡橋電阻R過小，又將直接影響系統的檢測靈敏度。

當220 V直流電源系統一極(正極或負極)絕緣降低到接地電阻報警限值25 kΩ時，投切不平衡橋電阻Rs引起的直流對地電壓波動不得超過22 V。設正極對地絕緣下降到接地電阻報警限值25 kΩ，有Rz1=25 kΩ，合上開關k1將不平衡橋電阻Rs投入正極，則直流電源系統正極對地電壓波動的計算公式為

(3)

(2)兩段直流電源系統共正極或共負極運行

兩段直流電源系統共正極或共負極運行，往往是誤接線或電纜絕緣下降造成的，若此時其中一段直流電源系統再發生接地故障，必將導致整個系統接地。兩段直流電源系統共正極的等值電路如圖4所示。

圖4 兩套絕緣監測裝置共正極的等值電路圖

如圖4所示，設直流電源系統中VDC1=VDC2=220 V，R為25 kΩ，Rs為120 kΩ，Rg為兩套直流電源系統互串電路的等值電阻。兩套直流電源系統正負極對地絕緣良好，系統正常運行0.5 s后發生共正極互串，并在故障發生0.5 s后，每0.5 s交替投入第一套直流電源系統的不平衡橋電阻至正極和負極。設互串電路的等值電阻Rg分別為1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ，其V1、V2的仿真電壓波形見圖5。

由圖5可知，共正極互串并不會引起絕緣良好的直流電源系統出現電壓偏移，不平衡橋電阻的投入使得電壓出現波動，互串電路等值電阻越大，則電壓波動越明顯。

(3)一段直流電源系統正極與另一段直流電源系統負極互串

一段直流電源系統正極與另一段直流電源系統負極互串，往往是直流電源系統在改造中接線錯誤等人為因素造成的，這時直流電壓將出現較大偏移。兩段直流電源系統正負極互串的等值電路如圖6所示。

設兩套直流電源系統正、負極對地絕緣良好，系統正常運行0.5 s后發生正、負極互串，并在故障發生0.5 s后，每0.5 s交替投入第一套直流電源系統的不平衡橋電阻至正極和負極。設互串電路的等值電阻Rg分別為1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ，其V1、V2的仿真電壓波形見圖7。

圖5 共正極互串下的電壓波形圖

圖6 兩段直流電源系統正負極互串的等值電路圖

(a)等值電阻Rg=1 kΩ

(b)等值電阻Rg=10 kΩ

(c)等值電阻Rg=100 kΩ圖7 正負極互串下的電壓波形圖

由圖7可知，正、負互串將直接引起絕緣良好的直流電源系統出現電壓偏移，互串電路等值電阻越小，電壓偏移越大。不平衡橋電阻的投入使電壓出現波動，互串電路等值電阻越大，則電壓波動越明顯。

由圖5、圖7可見，雙套直流電源系統的兩段直流母線絕緣監測宜采用一臺絕緣監測裝置監測兩段母線或采用具備交互信息、協調控制功能的兩臺絕緣監測裝置，實現在系統出現直流互串時避免投切不平衡橋電阻，以減少電壓波動。

3 結 論

依據對微機型絕緣監測裝置檢測電阻安全性驗證研究，從降低直流母線電壓偏移和波動范圍的角度，對裝置的平衡橋檢測電阻和不平衡橋檢測電阻值的選擇進行分析。同時，針對直流電源系統直流互串的問題，分別對共正極和正負極互串兩種方式進行了仿真研究，探討了互串電路等值電阻對直流母線電壓偏移和波動的影響，為微機型絕緣監測裝置的運行和參數選擇提供了參考。

[1] 趙夢欣，陳國峰，余成偉．直流電源系統絕緣監測的直流漏電流改進方案[J]．電力系統自動化，2009，33(14)：83-88．

[2] 李瑞平，溫泉．直流系統接地故障的分析[J]．華電技術，2008，30(2)：58-61．

[3] 徐衛，李晶．加強直流電源系統運行維護和專業管理[J]．電源技術應用，2007(3)：84-85．

[4] 趙兵，胡玉嵐．直流系統微機型絕緣監察裝置問題的探討[J]．廣東電力，2007，22(4)：43-45．

[5] 羅志平，熊迪，謝智超，等．變電站直流系統存在的環網問題及解決辦法[J]．繼電器，2008，36(3)：71-74．

[6] 趙兵，張曼詩，徐玉鳳．直流系統微機型絕緣監察裝置電阻選擇的依據[J]．中國新技術產品，2009(23)：160-161．

[7] 孫鳴，馬娟．直流系統微機型絕緣監測裝置電阻選擇[J]．電力系統保護與控制，2011，39(4)：128-131．