一種監測交流竄入直流的方法

郭晟

摘要：文章討論了電力系統中一種監測交流竄入直流的方法，該方法是利用電容、電阻、故障錄波裝置實現對交流竄入直流的監測，通過故障錄波裝置給后臺監控裝置報警及記錄，從而滿足了二十五項反措要求。

關鍵詞：電力系統；交流竄入直流；電力監測；電容；電阻；故障錄波裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM772 文章編號：1009-2374（2016）17-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.015

1 概述

針對國內多地發生多起交流竄入直流系統而發生的電力事故，國家能源局在2014年4月15日發布并實施的《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》第22項“防止發電廠、變電站全停及重要客戶停電事故”的第22.2.3.22點“嚴防交流竄入直流事故出現”的第22.2.3.23.3條中明確規定“新建或改造的變電所，直流電源系統絕緣監測裝置，應具備交流竄直流故障的測記和報警功能。原有的直流電源系統絕緣監測裝置，應逐步進行改造，使其具備交流竄入直流故障的測記和報警功能”。

此方法成功研究了交流電源竄入直流電源報警功能，在不改變原有直流接地巡檢儀的基礎上，對提高直流電源的運行可靠性起到了較大的作用，是一種提高電力系統安全穩定運行的好方法。

2 交流竄入直流危害

交流竄入直流系統后，會導致直流系統接地，可能導致保護誤動、拒跳等，以某電廠發生交流竄入直流回路為例，2005年10月25日某電廠現場維護人員在消缺過程中誤將交流與直流回路短接，使交流竄入直流系統，此電廠運行的1號機組（運行時有功544MW）、4號機組（運行時有功545MW）、5號機組（運行時有功550MW）同時掉閘，500kV兩臺聯絡變壓器全部跳閘，事故時各開關動作情況：5011開關分位、5012開關分位、5013開關合位，5021開關合位、5022開關分位、5023開關合位，5031開關合位、5032開關合位、5033開關合位，5041開關分位、5042開關分位、5043開關分位，5051開關分位、5052開關分位、5053開關分位；5011開關、5012開關、5022開關、5023開關、5043開關有單相重合閘和兩相重合閘現象；此電廠共計甩負荷163.9萬千瓦，導致電網該地區頻率由50.02赫茲最低降到49.84赫茲，主網系統發生低周事故，事故發生后，華北網調馬上啟動低周事故處理應急預案，將備用機組開出，迅速將主網頻率恢復正常，社會上未出現大面積停電以及不需要進行拉閘限電。

由此可見，當交流竄入直流系統時，可導致繼電保護誤動、開關跳閘，嚴重的可導致機組停運、線路跳閘，甚至可導致全廠或全站停電事故，對社會造成大面積停電事故，因此直流系統增加“交流竄直流故障的測記和報警功能”是迫在眉睫的事情。

3 交流竄入直流系統原理

在電力系統中，由于直流供電范圍大，尤其是控制直流系統，幾乎涉及全廠或全站，因此直流回路電纜相當長，而電纜對地阻抗的等效回路可看成是電容與電阻并聯。當設備長期運行后，控制電纜將出現老化現象，會導致直流系統對地的電容將逐漸變大。而對地電阻將逐漸變小，正常運行時直流系統的母線由蓄電池組和充電裝置同時供電。而在直流系統的母線可等效為理想的110V直流電壓源，同時110V直流系統的母線根據設計一般所帶負載為事故照明、直流控制回路、微機保護裝置、監控系統等電源，其中微機保護裝置的直流電源模塊通常采用直流逆變電源，可等效為在正、負直流系統的母線之間并接了許多濾波電容器，因此直流系統竄入交流電源后的等效電路如圖1所示：

如圖1所示，其中C為等效直流系統的母線間的電容，C1、C2為直流系統的母線等效的對地電容，R1、R2為直流系統的母線對地等效電阻，正常工況下，C1、C2電容相同，R1、R2大小相等。

第一，當從直流系統的母線負極竄入交流電源分析。當直流系統的母線的負極與220V交流電源相連時，在直流回路中交流電源可視為短路，從而將電容和電阻并聯回路進行短接，因此直流系統的母線負極對地等效電阻等于0，此時，用萬用表測量直流系統的母線負極對地直流電壓應為0V，而直流系統的母線正極對地直流電壓應為110V，相當于直流負極對地完全接地。同理，如果從直流系統的母線正極竄入220V交流電源時，就相當于直流系統的母線正極完全接地。

第二，直流系統的母線負極竄入交流電源后，由電路疊加原理可知，在交流等效電路中的直流電源相當于短路，此時萬用表測量直流系統的母線正、負極對地交流電壓應都為220V。若從直流系統的母線正極竄入交流電源時，直流系統的母線正極和負極對地交流電壓均

為220V。

第三，交流電源接入直流系統后，交流回路會通過二次回路及其電纜的對地電容形成回路，在二次回路中流通，當電壓達到一定值時，比如達到信號回路中各指示燈的電壓值，指示燈會閃爍；而測量回路的儀器儀表的采樣值會發生周期性波動；其中危害最大的是控制回路，當電壓值達到繼電器、接觸器的動作電壓時，會導致繼電器、接觸器誤動作，從而導致開關跳閘、機組非停、變電站停電等重大事故的發生。同時因電流較大可能燒壞開關的跳合閘線圈。

當出現交流竄入直流系統時，能第一時間發現和區分出是否為交流竄入直流系統故障尤為重要，因此增加交流電源竄入直流電源報警功能是一項必須進行的工作。

4 交流竄入直流系統監測原理

4.1 電容器

電容器由兩個極板和絕緣電介質構成，極板在兩端，絕緣電介質在兩塊極板之間，當通電時，兩塊極板會帶電，產生電勢差（即電壓），但是由于極板中間的是絕緣物質，所以電容器是不導電的，形成了電容器的獨特性，既能阻止直流電流通過，又具有充放電特性，同時允許交流通過。在直流回路中，當電容器充滿電，電容器是斷路的；但在交流回路中，因為交流電流的方向是與時間成正弦的函數關系變化，電容器充放電的過程也隨時間的變化，此時在兩塊極板之間形成變化電場，而這個電場也隨時間變化，所以交流回路是通過電場的形式通過電容器。

4.2 監控回路

交流竄入直流系統監控回路如圖2所示。利用電容器的特性，在直流系統的母線間各接入一個電容器，正常運行時，電容器在直流系統的母線間相當于斷路狀態。當交流竄入直流系統后，電容器與電源正極相接的極板所帶的自由電子將在電場力作用下移到與電源負極相接的極板。由于失去負電荷而帶正電的極板為正極，獲得負電荷而帶負電的極板為負極，此時在圖中A點對地產生電壓，如在A點與接地點之間安裝一個報警繼電器ZJ，那么當交流竄入直流系統后，此報警繼電器ZJ會動作，而將報警繼電器的動作接點接入遠方監控系統或中央信號屏，同時在遠方監控系統或中央信號屏上將此信號加入聲光報警，那么交流竄入直流系統時，遠方監控系統或中央信號屏會發聲光報警，提醒運行人員及時知道此運行異常狀態，從而進行處理。

4.3 具有交流竄直流故障的測記和報警功能的監測回路

交流竄入直流系統監控回路如圖3所示：

如圖3所示，在純監控回路報警的方式下取A點電壓接入故障錄波構成測量回路。

電廠現有配置情況，直流系統裝設有直流接地巡檢儀，集中控制室為DCS（分布式控制系統），繼電保護裝有故障錄波裝置，如圖3在直流系統的母線位置安裝此報警監測回路，將報警繼電器ZJ的常開接點送電纜送至DCS并做語音和光字牌報警；同時將A點電壓接入現有故障錄波裝置的模擬量采集通道，在故障錄波裝置中設置好相應定值，在出現交流竄入直流系統時，可以啟動故障錄波進行記錄，故障錄波的報文可以分析和計算故障時交流竄入直流系統的大小和時間，從而滿足《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》中所要求的“直流系統要具備交流竄直流故障的測記和報警功能”。

4.4 材料

自從《防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義》發布并實施后，一些經營直流系統的廠家開始生產并出售各種監測裝置，而這些監測裝置分兩種：第一種為類似此文討論的“監控回路”的方法，即只具備接點報警功能；第二種為本文討論的“監測回路”的方法，具有交流竄直流故障的測記和報警功能。不管購買哪種設備均比此文所提供的方法需要的成本高的多，此文是利用現有設備進行改造，僅需購買一個報警繼電器、兩個電容自行配置監測回路和報警回路來實現交流竄直流故障的測記和報警功能。

5 結語

此文討論的方法便捷，所需要的電容和報警繼電器在電氣二次上為常見物品，可以在各電廠和變電站推廣使用，目前在湖南某電廠已安裝使用，在此電廠進行交流竄入直流以及直流系統的母線進行停送電時故障錄波均啟動錄波。

參考文獻

[1] 國家能源局.防止電力生產事故的二十五項重點要求及編制釋義[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2] 昊忠智.工業與民用建筑直流電源設計[M].北京：中國建筑出版社，2004.

（責任編輯：蔣建華）