一起直流系統多點環網引起的故障分析

陳瑞珍，曹文彬，代文良，曹暉

(國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

0 引言

重要變電站或發電廠的直流系統,為提高供電可靠性,大多配置兩套直流系統[1-2]。正常情況下,兩套直流系統獨立運行,沒有直接的電氣聯系,但實際運行中,往往由于各種原因,造成兩套直流系統之間出現電氣連接,形成環網故障[3-5],直流系統故障可能會導致繼電保護裝置無法正確動作,使得在系統發生故障時擴大事故范圍[6-8]。

某220 kV變電站在進行UPS電源改造過程中,發現一旦將原UPS退出即會導致直流系統極對地電壓大幅波動,最終發現故障原因為直流系統內存在多點環網。本文針對此次故障進行了詳細分析,總結了排查此類故障的經驗,并對直流系統的運行和相關改造提出了一些建議。

1 運行方式與故障簡述

該變電站UPS電源采用兩臺主機并聯運行的方式,兩臺主機在同一屏內,交流電源引自低配室,分別引入一路主交流與一路旁路交流,后在屏內分開給兩臺主機供電；直流電源從直流饋線屏引入,兩臺主機直流電源分別取自不同段直流母線,基本原理圖如圖1所示。

直流電源系統采用兩段分段運行方式,改造前直流系統無告警信號,改造施工時,斷開UPS主交流或直流輸入均會造成兩段直流系統出現極對地電壓大范圍波動的情況 (以Ⅰ段直流系統為例,正對地電壓波動范圍在60～300 V),兩段直流系統均發出絕緣故障告警。該現象致使改造工作無法繼續進行,且通過故障現象可以判斷直流系統存在故障,影響了直流系統的可靠運行。

圖1 UPS并聯運行基本原理圖

2 故障原因排查

2.1 交流竄入直流系統

直流系統內出現交流竄入[9-10]時,對地電壓包含交流分量,此時測量極對地直流電壓,由于交流分量的存在電壓會出現波動。由于該站UPS運行年限較久,可能存在UPS裝置內部老化導致設備絕緣性能下降進而引起交直流回路短路,因此首先懷疑故障由交竄直引起。但現場將UPS完全退出后,異常情況仍然存在,且測量直流系統對地電壓交流分量接近為零,排除故障為交流竄入直流引起。

2.2 平衡橋損壞或接地異常

直流系統為不接地系統,系統內無對地參考點時將無法測量極對地直流電壓,正常運行時為能準確測量極對地電壓并對系統絕緣情況進行監測,每段直流系統均配置了平衡橋[11]。但若平衡橋損壞或接地異常,直流系統不存在對地參考點,此時測量極對地電壓所表現出的是電壓波動的現象,因此懷疑可能存在裝置內部平衡橋損壞或平衡橋接地異常導致直流系統失去對地參考點的情況。

現場確認絕緣監測裝置平衡橋接地點與屏內接地銅排導通后,另引一根接地線將接地銅排與地網重復接地,異常現象未消除,排除故障為平衡橋接地異常導致。將直流系統內平衡橋拆除,接入便攜式平衡橋,再次進行嘗試,發現異常情況未消除,排除故障為平衡橋損壞引起。

2.3 直流系統存在接地或環網

將原UPS投入運行使直流系統恢復無告警狀態,通過模擬接地觸發絕緣監測裝置的接地巡檢功能。Ⅰ段除接地支路外,另外選出兩條支路,指向UPS電源屏與所用變及備自投屏,Ⅱ段同樣指向UPS電源屏與所用變及備自投屏,直接觀察發現,直流系統出現異常時,所用變及備自投屏內電壓監視裝置無法正常工作,其顯示屏時亮時滅。因此懷疑系統內存在兩個環網故障點,兩處環網點之間的影響導致了此次直流系統故障。

現場檢查所用變及備自投屏內電壓監視裝置正極取自Ⅰ段直流電源,負極取自Ⅱ段直流電源,解除該處故障點后,由于UPS無法拆解,利用電阻在Ⅰ段母線做正/負接地試驗以驗證UPS處環網的存在形式,接地試驗時兩段直流母線極對地電壓具有相同的偏移趨勢,且對地電壓值基本一致,見表1。

表1 UPS環網故障點接地試驗結果

至此確認兩段直流系統之間存在兩個環網點,將兩處環網故障點解環后,直流系統恢復正常運行。環網點1:所用變及備自投屏內電壓監視裝置正極取自Ⅰ段直流電源,負極取自Ⅱ段直流電源,此處存在正-負環網。環網點2:UPS電源屏裝置內部存在環網,環網形式為正-正、負-負環網,且環網點電阻值很小。

3 故障分析

3.1 直流系統異常發生前

兩段直流系統在UPS內部形成正-正、負-負環網,在所用變電壓監視裝置處形成正-負極互竄的環網,其電路原理圖如圖2所示。圖中R為平衡橋電阻,E1為Ⅰ段直流系統電壓,E2為Ⅱ段直流系統電壓,R2為UPS內部環網點電阻、R1為電壓監視裝置電阻。

圖2 直流系統兩處環網示意圖

根據圖2,假設兩段直流系統母線電壓相等,即E1＝E2,根據基爾霍夫定律[12],

又,根據現場對UPS環網點的驗證 (接地試驗時偏移趨勢與幅度一致),可以判斷R2值很小,接近于0,于是有i1≈E1/R1,則Ⅰ段母線正對地電壓U1＝iR＝E1/2。

可以看出,雖然此時直流系統存在兩個環網故障點,但兩段直流系統表現出的正負對地電壓均衡,且與R1無關,表面上直流系統不存在故障。

3.2 直流系統異常發生時

斷開UPS的兩路直流輸入開關,將原UPS與直流系統隔離,直流系統出現異常現象,此時系統內只存在電壓監視裝置處的正-負環網點,其電路原理圖如圖3所示,圖中R為平衡橋電阻,R1為環網點電阻,E1為Ⅰ段直流系統電壓,E2為Ⅱ段直流系統電壓。

圖3 直流系統正-負環網示意圖

根據圖3,根據基爾霍夫定律,

可以看出,此時Ⅰ段母線正對地電壓U1受環網點電阻R1影響。若R1為恒定值,則Ⅰ段母線正對地電壓U1也為恒定值；若R1為變化值,則Ⅰ段母線正對地電壓U1也為變化值。

3.3 故障分析總結

對于UPS電源內部環網,該站UPS電源運行年限較久,此前曾頻發過載告警,但實測輸出電流遠未達到額定電流,改造前觀察表計發現,兩臺主機之間存在較大環流。而實際運行中UPS由于老化等各種原因逆變輸出中含有直流分量,直流分量的差值在雙機并聯時會形成直流環流[13-15],環流在兩臺UPS主機之間流動,如圖4所示。兩臺UPS主機各自接入不同段直流電源,直流電源在UPS之間形成環流,使得兩套直流系統形成環網。可以看出,無論斷開UPS主交流 (整流器停止工作)或直流輸入,都可以使此處環網故障解環。

圖4 UPS并聯運行直流環流示意圖

將UPS所在的環網點解除后,此時直流系統存在電壓監視裝置處的正-負環網點,而電壓監視裝置工作狀態不穩定,引起圖3中電阻R1反復變化,最終導致直流系統極對地電壓波動的現象。

4 結語

1)出現直流系統對地電壓波動時,可考慮的故障因素有交流竄入直流系統、系統平衡橋損壞、平衡橋接地異常、直流系統內部存在環網或接地。

2)直流系統存在接地或環網故障時,若故障點電阻為定值,直流系統極對地電壓不平衡但比較穩定。若故障點電阻為變化值,直流系統極對地電壓會出現波動的情況。

3)變電站內UPS電源采用兩臺主機并聯運行或主從運行方式時,由于UPS裝置老化等因素使兩臺主機之間存在較大環流時,可能導致站內直流系統之間形成環網,影響直流系統運行的可靠性。

4)在進行涉及直流系統的改造工作前,建議先驗證直流系統運行是否正常,主要確認直流系統是否存在接地或環網故障點,可通過模擬接地的方法快速判斷,先排除故障再進行改造,可有效提升工作效率。