變電站直流系統(tǒng)中交流侵入問題的分析及策略

黃強

【摘 ?要】電力行業(yè)的發(fā)展使我國快速進入現(xiàn)代化發(fā)展階段。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。

【關(guān)鍵詞】變電站直流系統(tǒng);交流侵入問題;分析及策略

引言

我國電力行業(yè)的快速發(fā)展離不開國家經(jīng)濟的大力支持和政策扶持。發(fā)電廠保護控制系統(tǒng)中，各保護屏和控制柜內(nèi)都需要直流電源和交流電源，尤其在裝機容量大的發(fā)電廠中，直流系統(tǒng)覆蓋范圍更廣。當直流電纜與交流電纜布置接近時，直流系統(tǒng)易發(fā)生交流竄入故障。

1變電站直流系統(tǒng)中的交流侵入問題

（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，50Hz時即屬于異常現(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、其他情況的接線失誤或者一些設(shè)備絕緣性能不佳等。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)的負電源。當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220V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裝置，可在低壓交流入侵時盡快切斷線路，避免損失擴大。（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)備是保護性設(shè)備，那么可能造成繼電保護裝置損壞而無法發(fā)揮保護作用，進而導(dǎo)致?lián)p害二次設(shè)備，加大事故的嚴重性。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220kV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直流系統(tǒng)抵御交流入侵的方案

2.1改造項目實施方案的確定

CK-JDC絕緣監(jiān)測裝置負責直流電源的信號采集分析、運行邏輯判斷、人機交互等智能功能，CK-FJL主動式交流竄入保護裝置負責系統(tǒng)形成短路電流，迫跳切除故障支路，保護直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。主動式交流竄入保護裝置，在直流絕緣監(jiān)測裝置功能基礎(chǔ)上增加了交流故障的主動處理功能。電氣維護人員可在絕緣監(jiān)測裝置上設(shè)置是否啟動主動式交流竄入保護裝置和是否允許迫跳分支。直流電源運行正常時，Q1、Q2斷開，當直流系統(tǒng)發(fā)生交流電源對直流系統(tǒng)金屬性竄入且交流電有效幅值超過裝置內(nèi)設(shè)定的交流報警限定值時，干節(jié)點或外部通信協(xié)議輸出報警，絕緣監(jiān)測裝置發(fā)出聲光報警，通知遠程運行及維護人員及時處理。保護裝置根據(jù)設(shè)定的迫跳允許條件，啟用主動式交流竄入保護功能，自動切除交流竄入故障源，對故障進行有效隔離。直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置負責采集母線電壓，在支路漏電流等信息經(jīng)裝置內(nèi)部軟硬件處理分析后，輸出當前直流電源系統(tǒng)對地電壓、絕緣阻值、交流侵入等運行數(shù)據(jù)和異常狀態(tài)，并帶有按鍵和液晶顯示屏，便于人機交互。主動式交流竄入保護裝置具有以下安全特點：人工啟動是否迫跳;人工設(shè)定可迫跳支路;接觸器短時閉合，動作互鎖，接觸器閉合條件限制在交流竄入幅值為220V，閉合時間限制在3s，增強投切接觸器的安全性。

2.2仿真實驗

為驗證此方案的可行性，需模擬實驗，分析結(jié)果。交流電壓入侵時，利用EWB仿真程序設(shè)計仿真實驗，以驗證二極管方案的有效性。該實驗采用110V的直流系統(tǒng)，額定直流電壓117V，母線對地電容10μF。首先，在未安裝二極管的直流系統(tǒng)中操作。交流進入直流系統(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)。當電流中持續(xù)串入更高的交流分量時，電壓基本未超出110V。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交直流保護的配合

在開展交直流混聯(lián)電網(wǎng)中交流暫態(tài)侵入對直流繼電保護動作的影響分析工作時，需要相關(guān)人員對其中的交直流保護的配合問題進行相應(yīng)的分析與考慮，確保直流繼電保護動作有效性。具體表現(xiàn)為：（1）交流暫態(tài)侵入直流系統(tǒng)后，可能會使該系統(tǒng)中出現(xiàn)觸發(fā)角增大、直流電壓降低等暫態(tài)電氣特征。若這些暫態(tài)特征持續(xù)時間長，則會影響直流繼電保護功能，且系統(tǒng)中的設(shè)備工作性能會受到潛在威脅。（2）基于交流暫態(tài)侵入的影響，若交直流混聯(lián)電網(wǎng)中的直流與交流保護動作之間配合不當，則會影響直流繼電保護動作的實際作用效果。因此，需要通過對直流繼電保護方面動作延時的有效設(shè)置，確保交直流動作間的配合有效性。

2.4現(xiàn)場實驗

以我國某變電站的現(xiàn)場實驗為例，利用110V直流系統(tǒng)做實驗。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，交流電壓最高達到1000V。通過實驗發(fā)現(xiàn)，交流入侵后，二極管促使直流系統(tǒng)出現(xiàn)短路，此時保護系統(tǒng)將迅速切斷直流電路。整個實驗中，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110V以內(nèi)。實驗結(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。通過實驗結(jié)果可知，鉗位二極管的方案可切實、有效地抵御交流電壓入侵，保護系統(tǒng)裝置不受損害。另外，二極管售價低，實用性較強。

2.5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、負對地二極管串聯(lián)，避免其被擊穿，同時需耐壓性高，如電流1000A、耐壓5000V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。

結(jié)語

通過實驗設(shè)計和驗證過程可知，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，實用性強，操作方便。

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（作者單位：國網(wǎng)漳州供電公司）