一種直流系統交流竄電故障檢測及選線定位方法

吳激勇（廣西電網有限責任公司柳州供電局，廣西柳州市545005）

一種直流系統交流竄電故障檢測及選線定位方法

吳激勇（廣西電網有限責任公司柳州供電局，廣西柳州市545005）

變電站的供電系統當中直流電源有著非常重要的作用，是整個變電站的設備運行操作的保障。本文著力分析各種交流電源竄入直流系統的各種類型，提出一種交流竄入故障檢測以及故障定位的方法。可應用于解決交流電源竄入直流電源系統在線監測的問題。

直流電源系統；交流電源

交流電源竄入直流電源系統的故障嚴重影響著直流電源系統的穩定性、可靠性，可能會導致保護誤動、拒動，從而產生嚴重的電力系統安全事故，嚴重危害電力系統的安全穩定運行，但目前變電站中交流竄入直流電源系統現象時有發生，故障原因也復雜，查找判斷難度很大，嚴重影響電網的安全運行［1～3］。2014年10月15日，國家能源局批準執行的“DL/T1392-2014直流電源系統絕緣監測裝置技術條件”中規定，當直流發生有效值10V及以上的交流竄電故障時，產品應能發出交流竄電故障告的警信息，并顯示竄入交流電壓的幅值，還應能選出交流竄電的故障支路［5］。在變電站中，直流電源系統與交流電源系統是兩個分別不同的系統，在正常情況下彼此是不會發生電氣連接的，但是有些特殊情況下可能會導致交流電源竄入直流電源系統。

1 交流竄入直流系統故障原因

1.1 絕緣電纜的損壞

由于電纜的保護層絕緣下降或者損壞，再加上交流供電回路的電纜與直流電源的供電回路電纜放在一起，使得交流電纜和直流電纜的內芯發生直接或者間接電氣接觸，從而導致交流電源竄入直流電源系統。

1.2 人為的操作失誤

在現場的施工中，施工人員由于各種的原因，例如不熟悉變電站的情況，專業技能不熟練，粗心大意等都有可能錯誤地將交流電接到直流系統供電回路中去，從而導致發生交流電源竄入直流電源系統事故。這都是人為錯誤操作所致，是完全可以避免的。

1.3 設備內部故障

在變電站的直流系統中，有部分設備的工作電源使用交流電源供電，而其信號電源為直流電源，由于設備內部電源部分隔離故障或者其它故障，如室外端子箱由于下雨受潮或者進水，導致交流電源竄擾到直流系統中。例如UPS電源、逆變設備等。

2 交流竄入直流系統故障類型

2.1 正極交流竄電

①交流電源直接竄入直流系統正極，如圖1（a）；②交流電源經過負載竄入正極，如圖1（b）；③交流電源經電容耦合竄入系統正極，如圖1（c）。

圖1

2.2 負極交流竄電

①交流電源直接竄入直流系統負極，如圖2（a）；②交流電源經過負載竄入負極，如圖2（b）；③交流電源經電容耦合竄入系統負極，如圖2（c）。

圖2

根據上述的電氣原理圖進行電路原理分析，可得出：①當發生交流直接竄入或經過電阻竄入直流電源系統后，直流系統母線對地電壓中存在著交流成分，其幅值的大小與直流系統橋電阻大小及竄入回路電阻有關系；②當發生交流直接竄入或經過電阻竄入直流電源系統后，直流系統母線對地電壓將會發生變化，其幅值的大小與直流系統橋電阻的大小及竄入回路電阻有關，所以在取樣母線對地電壓中交流成分時需要充分考慮隔除直流分量的因素；③當發生交流竄入直流電源系統后，對交流電源來說，直流電源系統相當于短路，因此直流母線正負極對地電壓中的交流成分的幅值大小是相同的。所以設計檢測電路時檢測任意極對地交流電壓即可；④當發生交流電源經電容隔離、耦合到直流系統后，直流母線正負極對地直流電壓保持不變，而交流電壓幅值的大小與直流系統橋電阻的大小及竄入回路隔離電容有關。

3 檢測原理和方法

根據上述的結果及理論分析，本文提出的交流瞬時竄入直流系統的告警判斷依據為：裝置通過高速ADC采樣直流母線對地電壓中的交流成分，利用快速傅立葉變換算法計算出其中50Hz的基波以及其諧波成分的幅值的大小，當該幅值達到裝置所設置的告警門限時，裝置發出告警信號。并將采樣到的離散序列記錄保存，同時可以通過曲線形式展示。同時裝置啟動交流竄電故障定位檢測功能，通過在直流饋線上安裝交流式的電流互感器檢測是否存在交流電流成分及交流電流的大小，從而判斷發生交流竄電故障的饋線，實現故障定位功能。

當直流電源系統發生交流電源竄入時，系統母線對地電壓中同時存在著直流分量和交流分量，所以在設計交流電壓取樣電路的時候一定要考慮到直流成分的影響，因此我們在設計取樣電路的時候在電阻分壓回路里串聯進一個電容C，利用電容的通交流隔直流的特性，從而使得取樣到的信號里不存在直流成分，只有交流分量，如圖3所示。

首先，將直流系統的采樣線連接到裝置的采樣端子上，當存在交流電源竄入到直流系統時，通過電阻R1、R2進行分壓取樣后，取樣信號同時存在著交流分量和直流分量，再利用電容通交流隔直流的特性，將直流分量隔離，通過電容C的只有交流分量。然后經過光電隔離電路將高壓和低壓部分分開，從而提高系統和裝置的安全性、穩定性；在放大電路部分設計成一個低通放大器，使得系統在硬件上提高了對于高次諧波的抗干擾能力。放大后的信號直接進入12位的高速AD轉換器，轉換成數字信號交給CPU進行處理。CPU通過利用FFT算法，這樣就可以對采樣到的數字信號序列進行傅立葉變換，可以將50Hz的交流信號的頻譜提取出來，通過計算出該交流信號的幅值特征量，從而實現對竄入交流電壓的大小判斷，同時避開其他干擾信號的影響。

由于12位的AD轉換芯片的基準電壓為2.5V，因此其分辨率為0.6mV。通過對分壓電阻、電容C以及放大電路選擇合理的參數，保證220V的交流（有效值）經過電路處理后在AD采樣處信號的峰峰值大于2V，而且小于2.5V，那么按照理想比例的情況下有效值為10V的交流信號在AD采樣處的信號峰峰值為90mV。因此10V的交流竄入直流系統，對于分辨率為0.6mV的AD采樣芯片來說是完全可以捕捉到的。因此，我們這種檢測方法和原理是完全可以滿足南網和2014年10月15日，國家能源局批準執行的“DL/T1392-2014直流電源系統絕緣監測裝置技術條件”中規定［4～5］，檢測大于10V交流竄入直流系統故障的要求。

圖3

4 理論公式計算

傅立葉變換是數字信號處理領域一種很重要的算法。要知道傅立葉變換算法的意義，首先要了解傅立葉原理的意義。傅立葉原理表明：任何連續測量的時序或信號，都可以表示為不同頻率的正弦波信號的無限疊加。而根據該原理創立的傅立葉變換算法利用直接測量到的原始信號，以累加方式來計算該信號中不同正弦波信號的頻率、振幅和相位。

FFT（FastFourierTransformation），即為快速傅氏變換，是離散傅氏變換的快速算法，它是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。根據傅立葉原理，一個竄入交流模擬信號，經過ADC采樣之后，就變成了數字信號。采樣得到的數字信號，就可以做FFT變換了，FFT可以將一個信號的頻譜提取出來，進行頻譜分析。以下是傅立葉變換計算單次諧波的計算公式：

式中：n表示希望求取的諧波次數（n＝1即為求取的是基波量），N為每周期采樣點數，k為采樣順序號（即第k個采樣點），uk是指tk時刻的采樣值。我們以采樣50Hz交流電壓為例：每隔0.5mS采樣一個點，一個周期20mS內一共采樣40個點。從而計算其基波信號幅值特征量，n＝1，N＝40，k為1～40，根據上面計算單次諧波的公式（1）計算，其中π＝3.1415926；

最終計算的結果an和bn為計算40次的積累和。該信號的基波量為：

綜上所述，根據傅立葉原理，通過對采樣序列進行傅立葉變換計算，可以將50Hz的基波以及多次諧波的交流信號的頻譜提取出來，通過計算出該交流信號的基波和多次諧波的幅值特征量，從而實現對竄入交流電壓的幅值大小判斷，同時避開了其他頻率的干擾信號的影響。

5 故障支路定位

當直流電源系統經過饋線發生交流電源竄入故障時，發生交流竄電的直流饋線上會同時存在著直流漏電流和交流漏電流，針對這一點單獨去檢測該交流漏電流，就可以實現交流竄入直流系統故障選線定位功能。通過安裝在饋線上的交流式電流互感器檢測是否存在交流電流，其原理如圖4所示。

圖4 電流互感器

當直流饋線發生交流竄入時，交流電流通過饋線流經電流互感器，根據電流的磁效應以及電磁感應原理，穿過磁芯的交流漏電流在磁芯的副邊線圈也將會產生一個微弱的交流信號，該信號經過一級運放處理后，再通過電容的隔直流、濾波后。然后再經過二級運放電路放大處理后給CPU進行ADC采樣，將會得到一組離散的采樣序列。CPU再通過利用FFT算法，這樣就可以對采樣到的數字信號序列進行傅立葉變換，可以將50Hz的交流信號的頻譜提取出來，根據前面公式（3）、公式（4）和公式（5）計算出該交流信號的幅值特征量，通過在直流饋線上安裝交流式的電流互感器檢測是否存在交流電流成分及交流電流的大小，從而判斷發生交流竄電故障的饋線，實現故障定位功能。同時避開其他干擾信號的影響。

6 總結

綜上所述，我們通過上述的分析交流電源竄入直流電源系統的各種故障現象和特征，提出其對應的檢測電路原理和軟件計算公式，可以準確地監測和計算竄入直流系統的交流成分幅值，并且及時發出告警信息。同時啟動故障定位功能，通過安裝在饋線上的交流式電流互感器檢測是否存在交流電流成分以及交流電流的大小，從而判斷發生交流竄入直流系統的故障點所在的饋線。即可實現交流竄入直流系統故障監測以及故障支路定位功能。

［1］李士東，井偉，程永.一起交直流混路造成的保護誤動事故分析［J］.吉林電力，2007（01）.

［2］唐文秀.直流回路一點接地和交直流串擾引起保護誤動及其對策［J］.電力自動化設備.2007（09）.

［3］關于陜西330kV朱家變電站主變壓器跳閘事故調查分析情況的通報.國家電網公司，生變電函［2011］128號.

［4］中國南方電網有限責任公司企業標準.中國南方電網有限責任公司，2013年11月29日實施.

［5］《直流電源系統絕緣監測裝置技術條件》（DL/T1392-2014）.

TM721.1

A

2095-2066（2016）30-0019-02

2016-4-19

吳激勇（1972-），男，工程師，本科，主要從事電力系統繼電保護運行、維護、檢測等方面研究工作。