變電站直流系統(tǒng)中交流侵入問題的分析及策略

王磊磊，鄭春旭，朱 鋒，楊慧媛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250000；2.國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司，山東 淄博 255000；3.山東泉舜工程設(shè)計(jì)監(jiān)理有限公司，山東 淄博 255000）

0 引 言

變電站依靠多種設(shè)備工作，其中變電站直流系統(tǒng)至關(guān)重要。直流系統(tǒng)易受到交流入侵，影響自身乃至整個變電站的運(yùn)行。一旦交流入侵，可能損壞二級設(shè)備，也可能導(dǎo)致開關(guān)誤跳，進(jìn)而發(fā)生一系列事故。目前，國家對變電站交流入侵問題越來越重視。因此，本文分析了變電站直流系統(tǒng)交流入侵問題及其改進(jìn)方案。

1 變電站直流系統(tǒng)中的交流侵入問題

1.1 低壓交流侵入對變電站直流系統(tǒng)的影響

變電站直流系統(tǒng)可能遭到低壓交流入侵，也可能遭到高壓交流入侵，兩種入侵方式均危害直流系統(tǒng)。二次交流電源串入直流系統(tǒng)屬于低壓交流入侵，可導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)大幅波動，50 Hz時即屬于異?，F(xiàn)象。引發(fā)這種現(xiàn)象的原因很多，如工作人員接錯斷路器的發(fā)信號與聯(lián)閉鎖副接點(diǎn)、其他情況的接線失誤或者一些設(shè)備絕緣性能不佳[1]等。對于這種現(xiàn)象，相關(guān)人員的解決方案還不夠完善。變電站的直流系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，一旦交流入侵，交、直流母線將疊加更大的交流電壓，出現(xiàn)大量的交流分量。此外，交流電源火線將直接接觸到直流系統(tǒng)的負(fù)電源。當(dāng)交流分量接觸正電源后，交流電壓通過繼電器線圈構(gòu)成回路，一旦電流增大，將導(dǎo)致開關(guān)誤跳。同時，交流入侵可能干擾變電站的一些自動化裝置甚至損壞設(shè)備。例如，我國華東電網(wǎng)的某電廠曾發(fā)生低壓交流入侵事件，工作人員錯誤地將220 V交流電源線路接入直流電源，導(dǎo)致系統(tǒng)被入侵，使直流系統(tǒng)產(chǎn)生波動，并燒壞多個單元ID插件板，最終造成眾多開關(guān)跳閘。防止交流入侵，一方面需避免交流分量串入直流，另一方面需安裝保護(hù)裝置，可在低壓交流入侵時盡快切斷線路，避免損失擴(kuò)大。

1.2 高壓交流侵入對變電站直流系統(tǒng)的影響

如果變電站的設(shè)備出現(xiàn)問題，接地網(wǎng)局部電位將升高，直流回路將與故障地點(diǎn)形成電位差。一旦電位差增大，可能擊穿二次回路，并再次擊穿其他絕緣薄弱處，導(dǎo)致電位分流異常，使高壓電流進(jìn)入直流系統(tǒng)。直流系統(tǒng)受到高壓交流的入侵，可能使電流通過小開關(guān)，導(dǎo)致小開關(guān)跳閘。如果被入侵的設(shè)備是保護(hù)性設(shè)備，那么可能造成繼電保護(hù)裝置損壞而無法發(fā)揮保護(hù)作用，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p害二次設(shè)備，加大事故的嚴(yán)重性。相關(guān)人員可降低接地網(wǎng)的接地電阻，以預(yù)防高壓交流入侵。此外，一些變電站的交流系統(tǒng)絕緣薄弱環(huán)節(jié)較多，易導(dǎo)致高壓交流入侵。例如，我國某變電站曾發(fā)生高壓交流入侵事故，直接導(dǎo)致220 kV的控制直流消失，直流系統(tǒng)熔絲被燒斷，同時由于系統(tǒng)中的開關(guān)未盡快切斷故障電流而發(fā)生起火現(xiàn)象，造成全站停電[2]。

2 直流系統(tǒng)抵御交流入侵的方案

2.1 研究思路

為抵御直流系統(tǒng)被交流入侵，可實(shí)行鉗位二極管方案。直流系統(tǒng)遭到交流入侵后，將導(dǎo)致直流回路和頻率波動。若降低電壓的波動頻率，可降低對直流系統(tǒng)的影響。因此，可研究穩(wěn)定直流母線對地電壓來解決問題。通過安裝直流二極管來優(yōu)化直流母線，但需注意使用高功率、高反壓性能的二極管。另外，二極管在距離一次設(shè)備一定距離外設(shè)置接地點(diǎn)，通過二極管鉗制母線。一旦交流電壓入侵，此時可釋放交流分量。當(dāng)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時，兩個二極管不導(dǎo)通，不影響母線的絕緣效果，也不影響線路和設(shè)備。當(dāng)發(fā)生交流電壓入侵時，二極管將發(fā)揮功效。如果交流串入正極電流，則通過二極管，從而導(dǎo)致交流回路或者小開關(guān)跳閘，切除交流分量；如果交流串入負(fù)極電流，則通過另一個二極管達(dá)到相同的抵御效果。一旦入侵的電流分量較高，二極管可發(fā)揮鉗位作用，把母線對地電壓控制在一定范圍，促使電壓穩(wěn)定，從而避免交流入侵其他回路。這種設(shè)置保證了直流正母線電壓高于大地電壓、負(fù)母線電壓低于大地電壓，提高了對地電壓穩(wěn)定性，減少了繼電器誤動[3]。

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證此方案的可行性，需模擬實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果。交流電壓入侵時，利用EWB仿真程序設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證二極管方案的有效性。該實(shí)驗(yàn)采用110 V的直流系統(tǒng)，額定直流電壓117 V，母線對地電容10 μF。首先，在未安裝二極管的直流系統(tǒng)中操作。交流進(jìn)入直流系統(tǒng)后，電壓出現(xiàn)較大浮動。其次，在直流母線中安裝二極管，母線對地電壓變得較為平穩(wěn)。當(dāng)電流中持續(xù)串入更高的交流分量時，電壓基本未超出110 V。可見，二極管方案可有效防止直流系統(tǒng)產(chǎn)生電壓波動。

2.3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

以我國某變電站的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)為例，利用110 V直流系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)。該直流系統(tǒng)中有避雷針設(shè)備，工作人員首先在其直流母線中安裝二極管，然后將較老化的設(shè)備接入直流電路，用以測試交流入侵的影響。做好準(zhǔn)備工作后，工作人員向直流電源中加入交流電壓，交流電壓最高達(dá)到1 000 V。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，交流入侵后，二極管促使直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路，此時保護(hù)系統(tǒng)將迅速切斷直流電路。整個實(shí)驗(yàn)中，無論是高壓交流入侵還是低壓交流入侵，直流母線對地電壓始終穩(wěn)定在110 V以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，相關(guān)人員檢查直流系統(tǒng)中的各設(shè)備，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無損害，全程未發(fā)生跳閘情況，且避雷針裝置無任何異常。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鉗位二極管的方案可切實(shí)、有效地抵御交流電壓入侵，保護(hù)系統(tǒng)裝置不受損害。另外，二極管售價(jià)低，實(shí)用性較強(qiáng)。

2.4 關(guān)于鉗位二極管的問題

通過鉗位二極管的方案抵御交流入侵，相關(guān)人員還需注意以下三方面問題。第一，注意二極管的接地點(diǎn)不能離一次設(shè)備較近。較近的位置接地電阻較大，一旦交流入侵，可能提供通路。較好的位置是繼保室直流屏的接地處，有利于更好地發(fā)揮二極管的作用，保障直流母線的對地電壓穩(wěn)定。第二，二極管的選用。工作人員需將正、負(fù)對地二極管串聯(lián)，避免其被擊穿，同時需耐壓性高，如電流1 000 A、耐壓5 000 V的二極管。工作人員可選用3～10個電流、電壓較大的二極管接入直流母線中，促使其更好地發(fā)揮作用。第三，雖然二極管方案具有一定作用，但在預(yù)防高壓交流入侵時不能完全阻擋高壓反擊。因此，相關(guān)人員需進(jìn)一步研究高壓入侵問題，如降低接地網(wǎng)電阻，提高二次回路對地絕緣性等。

3 結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程可知，在直流系統(tǒng)中安裝二極管可有效減少交流入侵的危害，且其可行性高，實(shí)用性強(qiáng)，操作方便。