交流竄入主動防御技術在清河發電直流系統的應用

曹雷鳴 ，趙立春 ，賀國賓 ，鄒學毅 ，劉偉東

(1. 遼寧清河發電有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112003；2.國家電投集團東北電力有限公司，遼寧 沈陽 110181；3.南京國臣直流配電科技有限公司，江蘇 南京 211100)

火電廠直流電源是廠內二次電源的重要組成部分，是繼電保護和控制的直流供電電源，直流系統的用電負荷極為重要，對供電可靠性要求很高，當直流電源發生接地、交流竄入以及短路故障時都會造成繼電保護裝置的不正確動作[1-3]。在電廠實際運行中，由于操作人員誤碰、接線錯誤以及惡劣天氣等都會造成交流竄入直流電源系統，帶來安全隱患。為了解決交流竄入直流電源帶來的一系列安全問題，本文分析了交流竄入直流的原因和危害，提出了一種交流竄入直流的主動防御技術，并進行原理分析、控制與實現方案分析以及現場應用測試。

1 事故概況

2014年12月，清河發電有限責任公司9號機組發生空壓機跳閘、控制盤燒毀導致直流I段母線接地故障，引起B定冷水泵跳閘、汽機PC9A3L開關跳閘，從而引起發電機斷水保護等動作，最終導致機組跳閘。原因分析表明，這是一起由多個復雜原因共同作用而引起的跳閘事故，具體原因包括元器件過熱、絕緣損壞、直流接地以及交流竄入直流電源等。

2 交流竄入的原因及危害

2.1 交流竄入的原因分析

交流電源一般是接地系統，直流電源是浮地系統，交直流電源是兩個相互獨立的系統，但在某些特殊情況下會出現交流竄入直流的現象，即交流的火線或零線與直流電源系統的正或負母線連接，分析原因如下[4-7]。

2.1.1 現場人員操作失誤

由于工作人員不熟悉現場情況，專業技能不扎實，思想放松等都會造成將交流電接到直流回路上，造成交流竄入故障。

2.1.2 電纜或設備絕緣損壞

由于現場交流電纜和直流電纜大多在同一個橋架中，若電纜絕緣損壞或下降，電氣設備絕緣損壞，都會造成交流和直流電纜的導線互聯，造成交流竄入故障。

2.1.3 直流系統對地電容的影響

直流系統對地電容包括長距離電纜的對地分布電容和系統引入的抗干擾濾波電容，由于分布電容的存在，若交直流電纜距離較近，交流電會通過分布電容對直流電纜放電，引起交流竄入故障。

2.1.4 自然災害

由于自然原因，會造成室外電源操作箱進水或存在大量導電塵埃，進一步會引起交流端子和直流端子存在電氣連接，造成交流竄入故障。

2.2 交流竄入的危害

交流竄入直流電源系統造成的危害：直流電壓出現異常或直流接地故障；引起光耦或繼電器動作，開關跳閘事故，造成保護誤動；造成直流熔斷器熔斷，引起保護拒動。

鑒于交流竄入直流電源系統帶來的重大危害，《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》要求嚴防交流竄入直流故障的出現。

文獻[5-7]介紹了防范交流竄入的保護措施，上述措施在一定程度上可以防范交流竄入故障，但各種措施也有自身的缺陷。另外，現有直流系統防范措施只能對交流竄入故障進行報警，但不能從根本上解決交流竄入故障帶來的危害。

為了解決廠內直流電源系統的交流竄入問題，本文提出了一種基于電力電子技術和保護控制技術的交流竄入主動防御技術。

3 交流竄入主動防御技術原理分析

3.1 主動防御原理

對于廠內直流電源系統的交流竄入故障，目前還沒有成熟的保護技術和裝備，只是利用絕緣監察裝置進行故障監測；在故障發生后限制故障電流及通過保護設備將線路切斷，屬于被動防御保護，且動作時間及切換隔離時間相對較長。

主動防御技術，即基于電力電子變換技術和保護控制技術，將交流竄入防御保護的檢測原理和控制策略“雙融于”電力電子變換器的硬件電路設計和控制算法設計，并有效利用變換器中高頻變壓器的主動隔離作用和電力電子器件的開斷來實現直流電源系統交流竄入故障的主動防御、主動隔離和故障支路的快速精確定位。

另外，基于變換器自身保護功能，主動防御裝置還可實現欠壓、過壓、過流、接地和短路保護等功能。

3.2 基于主動防御技術的廠內直流電源系統

基于主動防御保護技術，結合交流竄入故障的檢測方法與控制算法，即將交流竄入故障檢測方法融于變換器內部的硬件電路設計中，將交流竄入故障檢測保護控制策略融于變換器自身的保護控制策略，通過軟硬件“雙融于”的控制方案來實現交流竄入故障的檢測、保護、定位和隔離。將其串聯在直流電源系統的直流母線和各條直流負載支路之間，即一條支路對應一個或多個主動防御裝置，可以減小交流竄入故障影響，提高直流系統的供電可靠性[8]，如圖1所示。

圖1 新型直流電源系統原理圖

3.3 交流竄入主動防御裝置主電路拓撲與主動防御實現形式

交流竄入檢測電路集成在主動防御裝置中，其主電路拓撲結構采用隔離型的雙管正激DC/DC變換器，如圖2所示，通過隔離型DC/DC變換器來實現直流電壓變換以及交流竄入故障的主動隔離和防御。

圖2 主動防御裝置原理和交流竄入示意圖

主動防御功能的實現：交流竄入直流電源系統主動防御保護集成在電力電子變換器中，高頻變壓器副邊側的高頻交流方波經整流后輸出直流，再經電感電容濾波后輸出穩定的直流電。如圖2所示，當保護裝置所連接支路發生交流單點接入時，交流單點無法構成回路，直流系統不受影響；當保護裝置連接的支路發生交流兩點接入時，由于副邊側存在整流電路以及二極管的單向導電性，交流電經過二極管后變成直流電，而對于高頻變壓器而言，直流電是無法通過變壓器進行傳遞的，可以實現蓄電池組直流母線和直流支路負載母線的電氣隔離，當負載側發生故障時，由于變壓器原副邊電氣隔離，負載側的故障不會傳遞到直流母線側，將故障限制在故障支路[9]。

交流竄入主動防御裝置串聯在直流母線和直流負載之間，當檢測到直流負載支路發生故障時，支路裝置發出故障報警信號，實現故障的快速與精準定位。

3.4 交流竄入檢測原理

交流竄入檢測電路原理如圖3所示，通過采樣電路來采集正負母線對地交流電壓，由內部的數字控制器來計算交流竄入數值，進行實時監測與顯示，根據軟件程序中的設定的閾值來實現故障的報警，并通過通信進行故障信息上傳。

圖3 交流竄入檢測原理圖

4 交流竄入主動防御技術的應用

4.1 廠內直流電源系統改造原理

為了解決廠內直流電源系統的交流竄入故障，將廠內直流電源進行改造，增加交流竄入主動防御裝置，實現直流電源系統的交流竄入故障的主動防御保護，改造方案原理如圖4所示。兩組蓄電池并聯輸出，通過主動防御裝置給支路直流負荷供電，主動防御裝置內部具有交流竄入主動防御保護功能，實現支路直流母線的交流竄入檢測與保護。

圖4 廠內直流電源系統改造原理圖

4.2 廠內直流電源系統改造可靠性分析

廠內直流電源系統改造的重點在于提高系統的供電可靠性，本文將“分散風險”和“提高元件的可靠性”作為設計依據[10]，采取以下措施來提高直流系統的可靠性。

a. “分散風險”：是指兩組蓄電池并聯運行，一組蓄電池出現故障，系統仍能正常工作；進行蓄電池組的在線巡檢與定時進行蓄電池組放電，檢測電池內阻和容量，蓄電池組的狀態實時上傳至監控系統。

b. “提高元件的可靠性”：即通過防御裝置的并聯冗余配置來提高直流負載的供電可靠性，同時裝置內部器件按照2倍以上裕量來設計，提高了裝置自身的可靠性。

4.3 廠內直流電源系統改造試驗

為了驗證原理分析和現場改造方案的可行性和正確性，本文針對改造后的直流系統(DC110 V，600 Ah)進行相關的試驗驗證。

a. 正常情況下，直流電源系統的電壓波形如圖5所示。由圖5可知，通道1表示蓄電池輸出的直流母線電壓，其數值為114 V；通道2和3為防御裝置輸出的正、負母線對地電壓，數值分別為62.5 V和-61.5 V；輸出正負母線對地電壓基本對稱，無交流竄入直流故障。

圖5 正常情況下直流系統的輸出電壓波形

b. 模擬交流電(AC220 V)竄入主動防御裝置的輸出正母線，如圖6—8所示。

圖6 防御裝置輸出負母線對地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖7 防御裝置輸出正母線對地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖8 直流母線電壓和輸出負母線對地電壓以及非故障支路母線電壓波形

由圖6—7可知，通道1表示直流支路1的輸出母線電壓，其數值為124 V；通道2和3表示直流支路2的正負母線對地電壓，其峰峰值分別為(316 V，-316 V)，(200 V，-440 V)；由圖8可知，通道1表示蓄電池直流母線電壓，其數值為112 V；由數據和電壓波形可知，交流竄入直流支路2的輸出正母線，直流支路2的電壓波形發生變化；而直流支路1和蓄電池直流母線電壓未受交流竄入的影響，工作正常。

c. 模擬交流電(AC220 V)竄入主動防御裝置輸出負母線，相關波形如圖9—11所示。

圖9 防御裝置輸出正母線對地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖10 防御裝置輸出負母線對地電壓和非故障支路輸出電壓波形

圖11 直流母線電壓和輸出正母線對地電壓以及非故障支路母線電壓波形

由圖9—10可知，通道1表示直流支路1的輸出母線電壓，數值為124 V；通道2和3表示直流支路2的正負母線對地電壓，其峰峰值分別為(196 V，-436 V)，(320 V，-320 V)；由圖11可知，通道1表示蓄電池直流母線電壓，其數值為112 V；由數據和波形可知，交流竄入直流支路2的輸出負母線，直流支路2的電壓波形發生變化；而直流支路1和蓄電池直流母線電壓未受交流竄入的影響，工作正常。

從圖6—11可知，改造后的直流電源系統，當交流電壓竄入某一直流支路正極或負極時，故障支路正、負極對地電壓為直流電壓與交流電壓的疊加，交流竄入的極為正常的交流電壓波形，而非故障支路正負極間電壓依然保持穩定，直流電源的直流母線正負極之間的電壓也保持不變；由于交流竄入主動防御裝置的作用，非故障支路和直流母線均可正常運行，竄入的交流電被限制并主動隔離在故障支路，同時故障支路的防御裝置進行故障報警，實現故障支路的精準定位，改造后的直流電源系統具有交流竄入主動防御保護功能。

5 結束語

本文介紹了一起由交流竄入直流引起的機組跳閘事故，分析了交流竄入的原因和危害，介紹了常見防范措施以及缺陷；提出了基于電力電子和保護控制的交流竄入主動防御技術，并對主動防御的原理、拓撲結構、功能實現方式、系統可靠性等進行了深入的研究和分析。交流竄入主動防御技術可以有效減小交流竄入故障的影響范圍，實現對故障的主動隔離與故障線路的精準定位，提高了廠內直流電源系統供電可靠性；該技術在清河發電有限責任公司的成功應用，可為電廠直流電源系統的設計和改造提供參考。

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