整流器出口設置平衡電阻橋接地方案的研究

李茹勤,劉 濤，張高峰，郭 果，岳雷剛

(國網河南省電力公司檢修公司，河南 鄭州 450051)

整流器大量應用于超、特高壓變電站與換流站，將交流380 V電源整流后作為站內設備的直流電源。變電站直流電源系統復雜，設備及二次線眾多，很容易發生接地故障。當發生單極接地時可能造成繼電器、接觸器誤動和拒動，當單點接地故障不能及時排除，若再發生另一極接地將造成直流系統正負極直接短路，后果嚴重。因此，變電站公用直流系統均配置了絕緣監測儀，將直流系統正、負母線經平衡電阻橋接地，成為小電流接地系統。當系統發生一點接地時，根據平衡橋原理，絕緣監測儀及時巡檢出接地支路并告警，以便運維人員及時消除系統的接地故障[1]。公用直流系統主要為各繼電保護及安全自動裝置、斷路器控制回路等重要負荷供電，由于配置了絕緣檢測儀，系統可以對地測量正、負極電壓，給變電站二次系統的運維檢修工作帶來方便。

然而，超、特高壓變電站除以上公用直流系統外，還存在大量的整流器供電電源系統，例如各斷路器間隔的整流器電源，主要為本間隔的隔離開關控制回路、隔離開關電機回路和在線監測等系統供電。由于數量較大，單個系統相對簡單，負荷重要性也不及公用直流系統，這些間隔直流系統不配置絕緣監測裝置，同時整流電源的輸入和輸出側經隔離變壓器進行電氣隔離(或者為高阻態)，直流輸出側為不接地直流系統，直流系統對地沒有電氣聯系[2-3]，不能測量正負極對地電壓。這些系統在運維檢修期間存在諸多問題和困難，現有文獻對此方面問題的研究和關注較少。

1 現場問題

變電站現場檢查和排除二次系統元件或回路故障時，測量各電氣點電位是最常用和便捷的方法。通過是否有電壓來判斷節點或導線是否連接正常，變電站隔離開關控制回路如圖1所示。

圖1 不接地直流系統隔離開關控制回路

該隔離開關控制回路使用輸出為DC 220 V的整流器。若該隔離開關控制回路故障導致其不能正常操作，需進行控制回路的檢查及故障排除工作。檢查聯鎖回路的A、B接點時，如能測量出B點為零電位，則說明負電源至B點二次回路開路；如能測量出B點為負電位，則說明負電源至B點二次回路完好，若測出A點為零電位，則說明A、B接點斷開，若測出A點為負電位，則說明A、B接點閉合。因此測量電位是至關重要的。如需測量A、B點電位必須有一個參考點，不接地直流系統只能正負極間互為電位參考點，所以測量A、B點電位只能以正極作為參考點，然而本機構箱內無正電源且距離整流器正電源過遠(一般數十、數百米距離)。因此A、B點電位無法找到參考點，無法測量和判斷。

萬用表的“導通”檔不能用于測量帶電接點的通斷，目前現場解決以上問題，只能采用拆除A、B接點接線后測量A、B接點通斷的辦法。該方法缺點明顯，需拆除控制回路二次線，尤其當需要排查的接點數量較多時，拆除的二次導線數量過多，工作量大，風險很高。

值得說明的是，一般不接地直流系統對地存在分布電容，所帶負荷較多、電纜較長的系統等效對地電容更明顯。由于對地電容的存在，相當于在整流器正負極分別經一電容C1和C2接地，電容C1和C2間G點與大地等電位，如圖2所示。這樣當測量對地電位時，+KM和-KM的對地電壓大小取決于C1和C2的分壓，一般C1≠C2，因此測得+KM對地電壓U1范圍為0～220 V，-KM對地電壓U2范圍為-220 ～0 V，同時U1和U2數值有U1-U2=220 V的關系。用來測量電壓的萬用表可等效為一阻值較大的電阻，接入母線和大地之間時，C1或C2經萬用表對大地放電，因此測得的U1和U2數值為一變化衰減數值，最終很快降為0 V。

圖2 不接地直流系統對地電容

因此，考慮到直流系統對地分布電容影響時，測得的正、負母線對地電壓值是不確定的，這與用萬用表測量變電站(尤其是超、特高壓等大型變電站)強烈、復雜電磁環境下不帶電導線產生的靜電電壓的現象是一致的。

綜上，在測量直流不接地系統對地電壓時，無論是否考慮系統的對地電容影響，都是不可行或測量結果不可信的，這對于變電站隔離開關控制回路等二次系統的運維、檢修工作是很不利的。變電站、發電廠存在大量以上所述直流不接地系統，尤其是超(特)高壓變電站、換流站使用的獨立整流器數量極多，這些直流系統更為復雜，不能測量對地電壓帶來的現場問題更為顯著，因此有必要對該問題研究和解決。

2 方案原理

整流器輸出端的直流不接地系統不能對地測量電壓的根本原因在于該系統對地無任何電氣聯系。借鑒變電站公用直流系統絕緣檢測裝置原理，如圖3所示。將直流系統正、負母線分別經一平衡電阻橋臂接至大地，即可實現直流系統對地電壓檢測的功能。

圖3所示為DC 220 V的整流器輸出系統，虛線框內為平衡電阻橋，兩橋臂中間位置G點直接連于大地，G點與大地為等電位0 V。DC 220 V電壓經兩平衡橋分壓后，正極對G點(大地)電壓應為+DC 110 V，負極對G點(大地)電壓應為-DC 110 V。這樣整流器的DC 220 V側不接地系統經平衡電阻橋被改變為小電流接地系統，地電位對正、負極電壓就有了參考意義，實現了系統對地電壓測量的功能。同時按照電路原理，接入的平衡電阻橋不影響原整流器輸出特性和直流系統運行[2-3]。

圖3 平衡電阻橋原理

3 解決方案

3.1 參數選擇

平衡橋主要由2個阻值相等的電阻構成，阻值選取不宜過小，兩阻值偏差不應過大，否則會造成兩級對地電壓測量不平衡。借鑒變電站公用直流系統絕緣監測裝置平衡橋電阻值，推薦兩平衡電阻臂阻值均設置為100 kΩ，兩電阻還應考慮足夠的熱容量，應防止功率過大燒毀電阻橋。

3.2 現場實施方案

按照以上原理，設計出變電站整流器直流不接地系統臨時接地平衡電阻橋[4]，電路板照片如圖4所示。

圖4 臨時接地平衡電阻橋照片

為降低單支電阻承受電壓，降低功耗，提高精度，由4只100 kΩ電阻構成2并2串結構組成單支平衡橋臂，整個電阻橋使用8只100 kΩ電阻。為防止電阻橋電阻元件損壞，造成整流器直流輸出側短路或接地，每個電阻橋臂經一保險絲接入直流母線，如圖4所示。由于平衡橋阻值選取較大，流經電流值較小，該保險絲選取較小額定電流0.5 A。

臨時接地平衡電阻橋應用于40余座超、特高壓變電站、換流站，臨時接于直流系統，工作完畢及時拆除，解決了全部直流不接地系統問題，應用效果良好。但是該方法的缺點也很明顯，電路板為現場人員手工制作，工藝水平無法保證，電路板也未得到權威機構的檢測和認證；平衡電阻橋直接安裝于變電站二次屏柜或端子箱，工作規范性和安全性不能得到保證，均取決于工作人員技術水平及其責任心，該方法也不易得到推廣。本文所述直流不接地系統的現場問題并不能在更大范圍得到解決。因此，徹底解決還有賴于整流器電路的改進。

3.3 整流器改進方案

由于以上現場實施方案的缺點，平衡電阻橋宜裝設于整流器出口，作為整流器的組成部分，經嚴格、規范的試驗方法檢測，有利于電路的規范化、標準化。

在上述原理的的基礎上，考慮到現場有些整流器應用于公用直流系統，系統配置有絕緣監測裝置及其平衡電阻橋，整流器出口配置的平衡橋如果也同時投入，會導致絕緣檢測儀誤發接地告警及絕緣巡檢不準確。因此，整流器配置的平衡電阻橋兩臂宜設置靈活投退功能，例如分別經一跳線(短接線)元件投退，如圖5所示。G為大地；R1、R2為平衡電阻，阻值均為100 kΩ；S1、S2為正、負極跳線。當整流器配置于某電氣間隔作為獨立的直流電源為設備供電時，應將跳線元件投入(投入平衡橋)；當整流器配置于已安裝絕緣監測裝置的變電站公用直流系統，則應將跳線元件退出(退出平衡橋)。

圖5 整流器平衡橋回路設計

考慮到整流器內部平衡電阻橋的設計及其元件選取及其可靠性均高于現場手工產品，兩平衡橋臂設計可不經保險絲，推薦電路原理如圖5所示。

4 方案效果

4.1 實現電位測量功能

整流器出口側采用平衡電阻橋接地后，將原對大地無任何電氣聯系的直流不接地系統改為經電阻接地、有電氣聯系的小電流接地系統，實現了直流系統正、負極對地電位測量功能。

若測得B點電位為0 V，說明B點至電源負極開路；若測得B點電位為-110 V，A點電位為0 V，說明A、B接點斷開；若測得B點電位為-110 V，A點電位也為-110 V，說明A、B接點導通。以上電位均為對地測量結果，地電位的接地銅排、扁鐵和端子在變電站二次屏柜、端子箱內存在非常普遍，測量非常方便，這給變電站隔離/接地開關控制回路的故障檢查處理工作帶來極大方便[5]，同時也給變電站其它需要測量直流系統電壓的維護檢修工作帶來很大方便。

4.2 對地絕緣檢測

變電站二次回路接地是常見故障，原有整流器輸出的直流不接地電源系統若發生接地故障，會出現以下結果[1]。

a. 單點接地時正負極電壓依舊是正常的，單點接地故障無法及時發現和告警，考慮到系統對地電容參數時，可能會造成該直流系統的繼電器、接觸器誤動或拒動。

b. 單點接地期間若再發生另一極接地故障，相當于正負極短路，后果更為嚴重。

如能在系統發生單點接地故障時及時發現并排除，以上嚴重后果將可有效避免。原有直流不接地系統是不能帶電進行對地絕緣檢測的，其對地絕緣只能采用電源停電后使用搖表測量。當直流不接地系統經平衡電阻橋與大地建立電氣聯系，若發生單極接地，平衡橋的電氣平衡將被破壞，正負極對地電壓顯示不平衡，單極對地絕緣降低將被及時發現，對地絕緣電阻值也可以據此準確計算。直流系統正極經電阻接地故障如圖6如示。

在圖6中，U1、U2(絕對值)為測得的對地電壓值，正極經電阻接地后會破壞正負極對地電壓的對稱性，Rx為正極對地絕緣等值電阻，R1=R2=100 kΩ。這樣，正極對地絕緣電阻值通過準確計算來解決整流器出口直流系統的對地絕緣檢測問題。

圖6 對地絕緣檢測原理

5 結論

a. 整流器出口正負極間配置平衡電阻橋接地可以將不接地直流系統改為小電流接地系統，原理簡單、成本低廉。

b. 整流器出口正負極間配置平衡電阻橋接地后，可實現正負極對地電壓測量，尤其有利于變電站使用該電源系統二次回路的維護檢修；同時可反映和檢測對地絕緣狀況。

c. 整流器出口配置的平衡電阻橋宜設置跳線投退功能，以便于功能靈活配置。

d. 本文所述問題和方案適用于輸出直流為各電壓等級的整流器(尤其110 V和220 V)，生產廠家應據此對整流器裝置出口電路進行改進。