環網故障對直流系統絕緣監測影響的研究

柳呈祥，程詩龍，張元棟，任忠芳

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

直流電源系統主要負責發電廠和變電站內設備的能源動力供給，其穩定性、可靠性直接關系到電力系統的正常運行。為提高可靠性，目前在重要場合都使用兩套直流系統。一般情況下，兩套直流系統相互獨立，不形成電氣連接[1]。但由于供電設計問題，諸多電廠和電站存在直流系統負載使用雙電源供電，而沒有進行電源隔離的情況，使得系統出現直流環網的情況[2]。環網直接影響到直流系統絕緣監測的正確性和可靠性，分析和研究環網情況，做出應對方案尤為重要。

文獻[3]針對一起110 kV 變電站直流系統環網故障查找和處理的案例，從缺陷現象、缺陷分析、直流環網故障查找及處理等方面，總結了變電站直流系統環網故障查找和處理的方法。文獻[4]針對某220 kV 變電站改造過程中由于直流系統多點環網引起的直流系統電壓波動故障，排查并分析了故障原因，并提出了改造建議。文獻[5]研究了直流系統中單極、兩極、以及交流竄入接地故障類型及其檢測方法，提出了絕緣電阻、環網電阻及交流對地電壓的計算方法。本文介紹了直流系統絕緣的一般監測方法，針對直流系統環網模型進行了仿真研究，并在某電站機組直流系統進行了接地試驗，提出了在直流環網情況下準確監測直流系統絕緣異常的思路。

1 環網故障

1.1 環網故障原因

由于設計、施工和人為操作等多方面的因素，直流系統環網故障原因總結有以下幾個方面[6，7]：

（1）在進行工程的改造或者施工時接線錯誤，比如存在負荷電源線不只一組，將其連接到不同段的直流母線上；

（2）運行人員在進行負荷轉移過程中操作不當，負荷接入一段母線而未斷開原先的母線開關，使得兩端母線都給負載供電；

（3）在發電廠和變電站中的重要回路都使用雙電源供電，而在進入供電負載之前沒有進行電源的隔離，常見的有兩路電源通過二極管給重要電源供電，造成直流環網。

一般來說，由于接線錯誤和操作不當導致的環網故障解決相對簡單，但是對于第3 點提到的雙電源供電引起的環網則需要在設計時就考慮到，所以本文也主要針對雙電源供電引起的環網故障進行分析研究。

1.2 雙電源供電引起的環網故障

雙電源供電的原理如圖1 所示，由兩路電源對同一路負載進行供電，通過二極管切換（無擾動切換），此種方式供電會引起絕緣監測的諸多困難，將在第三節進行深入分析。

圖1 通過二極管進行雙電源供電的原理圖

2 直流系統絕緣監測原理

在分析環網故障對絕緣監測的影響之前，有必要對目前直流系統絕緣監測的原理進行簡單介紹。目前市場上主流的絕緣監測方法是母線監測與支路巡檢配合，本文的研究也是基于此監測方式展開。

2.1 母線監測原理

母線監測通常采用平衡橋法和不平衡橋法，本文主要針對應用最廣的平衡橋法進行介紹。

平衡電橋法在絕緣監測儀主機內部設置2 個阻值相同的對地分壓電阻R1、R2，通過它們測得母線對地電壓V1、V2。平衡電橋檢測原理框圖見圖2。

圖2 直流系統平衡橋監測原理圖

當RX=RY=∞時，系統無接地。此時，V1=V2=110 V。當系統單端接地時，通過方程（1）可求得單端接地電阻Rx或Ry。

2.2 支路監測原理

支路監測主要有交流法和直流法，由于交流法需要向直流母線注入交流信號，容易引起設備誤動或干擾設備，檢測精度也受接地電容影響，不能識別母線接地極性，已逐漸被淘汰。

直流法采用直流有源CT，不需注入交流信號。當出現接地時，直流CT 將直流漏電流變換為電壓或電流信號上傳至絕緣監測儀。目前使用直流有源CT 也是進行支路監測的主要方法。

3 仿真分析

本節主要針對機組直流系統存在的環路問題進行定性和定量分析，首先利用Matlab/Simulink 搭建直流系統的仿真模型，接著利用模型模擬母線和支路故障報警，最后針對仿真結果展開詳細分析。

為了使仿真更加符合實際情況，有如下設置：

（1）220 V 直流電源取正常運行時的數值作為參考，I 段和II 段電壓值稍有區別，電壓源取極小的內阻；

（2）對于存在環路的負載支路，一般二極管通態壓降設為0.3 V，由于取值大小對定量分析的數值影響很小，不會影響定性分析的結果，故取值為0。

為保障分析的全面性和正確性，本節對直流獨立運行無環路和有環路的情況均進行了仿真分析。

3.1 兩段直流獨立運行無環路

對于兩段直流獨立運行無環路情況，兩段直流系統均投入電橋，接地點均只有電橋中間點。其中，電橋電阻R1、R2、R1’和R2’按實際設置為38.5 kΩ。對直流I 段的正極接地，由于直流系統的并聯關系，母線接地和支路負載接地的拓撲結構相同。

將接地電阻設置為0.001 Ω（直接接地）。運行仿真，顯示接地電流為6.024 8 mA，I 段正負母線對地電壓分別為0 和-232 V（I 段總電壓設定為232 V）。分析得漏電流基本等于232 V/38 500 Ω=6.025 mA。觀察II 段母線電壓值，正負母線對地電壓分別為+117 V 和-117 V（II 段總電壓設定為234 V），不存在對地漏電流。接著將直流II 段接地，直流I 段正常運行，I 段也不存在對地漏電流。

綜上，當直流系統不存在環路且分段運行時，某一段的母線或者支路接地，不會對本段的其它支路以及另一段的母線及支路的絕緣監測產生影響。

3.2 兩段直流獨立運行有環路

對于存在環路的接地主要分為兩種情形：

（1）無環路負載一點接地或任一段母線一點接地；

（2）環路負載一點接地。

3.2.1 無環路負載一點接地或任一段母線一點接地

模型基本參數設置如下：直流I段母線電壓232 V，直流II 段母線電壓234 V，內阻為0.001 Ω，普通負載接地電阻為0.001 Ω（直接接地），I 段無環路負載為100 Ω，環路負載RL為100 Ω，I 段無環路負載為100 Ω，二極管通態壓降設為0。

圖3 兩段直流獨立運行無環路的仿真模型

圖4 對仿真后的重要電氣量進行了標注。其中，接地支路的電流大小12 mA，它的流向分別是往I段母線電橋的接地點（6.052 4 mA）以及II 段母線電橋的接地點（5.974 2 mA），I 段的平衡橋電阻R1基本被短路，沒有電流流過，II 段平衡橋電阻R1′流過的電流也非常小，僅0.051 28 mA。I 段母線正負極對地電壓為0 V 和-232 V，II 段母線正負極對地電壓為1.76 V 和-232 V（內阻存在很小的壓降）。對環路負載進行分析，Diode1 流過電流為0A，Diode2 流過電流為5.974 1 mA，Diode3 流過電流為2.339 5 A，Diode1 流過電流為2.333 5 A。由此可見，對于雙電源供電的環路負載，①②這一對正負極接線對應的CT 在發生接地的時候會測量出漏電流，③④這一對接線的CT 也會測量出6 mA 左右的漏電流。

圖4 無環路負載一點接地或任一段母線一點接地的仿真模型

綜上可得，當出現一段母線接地的情況，或者非環路負載一點接地的情況時，對于另一未發生接地直流段，也使母線電壓發生變化，此時對于環路負載來說，I 段和II 段都會監測出接地故障。對于一般非環路未發生接地負載不會報警。實際上，接地處的電流不僅僅是由接地的這一段直流母線電壓發出，另一段未發生故障的一段電源也提供了接地電流。

3.2.2 環路負載一點接地

電路的基本參數設置與3.2.1 基本相同，只是將接地電阻的位置換到環路負載上面來，如圖5 所示，這時仿真的是環路負載接地的情況。

圖5 環路負載一點接地的仿真模型

可以看出接地支路的電流大小為12.1 mA，它的流向分別是往I 段母線電橋的接地點（6.052 4 mA）以及II 段母線電橋的接地點（6.071 mA），I 段的平衡橋電阻和II 段平衡橋電阻R1′流過的電流接近于0。I 段母線正負極對地電壓為0 V 和-232 V，II段母線正負極對地電壓為2.9 mV 和-233.74 V（內阻存在很小的壓降）。接著對環路負載進行分析，Diode1 流過電流為6.025 4 A，Diode2 流過電流為0A，Diode3 流過電流為2.343 5 A，Diode1 流過電流為2.337 4 A。由此可見，對于雙電源供電的環路負載，測量①②這一對正負極接線的CT 在發生接地的時候會測量出漏電流，測量③④這一對接線的CT也會測量出6.1mA 左右的漏電流。

由此得出，當環路負載出現一點接地時，會使母線電壓發生變化，報出母線絕緣故障（電橋法計算對地絕緣），對于未發生接地的非環路負載則不會報警。

4 試驗驗證

上節針對存在環網支路的接地故障完成了詳細的仿真分析，本節利用某電站機組直流系統進行接地試驗驗證。試驗圍繞環網負載在接地點不同的情況下對母線和支路絕緣監測的影響。

4.1 環網支路對母線絕緣監測的影響

根據行業標準DL/T 5044-2014，現每段直流都分別配置了一組絕緣監測裝置[8]，則直流系統實際上有兩組平衡電橋，而由于環路的影響，電橋被并聯，測量值是實際值的兩倍。

將直流系統I 段母線正接地，兩段電橋均投入，接地電阻為47 kΩ，此時直流電壓為232 V，正對地為96.3 V，負對地為135.7 V，母線正對地絕緣顯示為94 kΩ。

這是由于絕緣監測儀認為接地電阻為38.5 kΩ，通過（2）式進行

而實際上由于環路引起并聯電橋的關系，接地電阻應按照（3）式計算：

計算得Ry=47 kΩ。

綜合以上分析，環路對于母線絕緣監測存在較大影響，使計算的對地電阻接近實際電阻的兩倍，導致母線絕緣計算錯誤。

4.2 環網支路對支路絕緣監測的影響

4.1 節已對環網支路對母線絕緣監測進行了分析，由于投入兩段電橋會對母線絕緣產生影響，所以對支路進行試驗時我們退出一段電橋，只投入一段電橋（試驗采取投入I 段電橋方式），經過驗證只投入一段電橋母線絕緣監測正常。

與仿真分析的項目一致，支路接地試驗使用以下4 種條件進行。

（1）直流系統I 段無環路負載或母線一點正接地、負接地；

（2）直流系統II 段無環路負載或母線一點正接地、負接地；（3）直流系統I 段環路負載正接地、負接地；（4）直流系統II 段環路負載正接地、負接地。經過試驗，得到以下結論：

（1）任意一段母線一點或者非環路負載一點接地的情況時，兩段母線絕緣均告警，兩段直流環路負載均監測出漏電流，其它非環路未發生接地負載不告警；

（2）當環路負載出現一點接地時，兩段母線絕緣均告警，未發生接地的非環路負載不告警。

以上母線和支路接地試驗的結論也與仿真結果一致，驗證了上節所搭建仿真模型的正確性。

5 結語

結合以上的理論仿真分析和試驗結論，本節對存在環路的直流系統提出以下建議：

（1）通過二極管實現雙電源供電的負荷，在機組歲修時進行設備改造，雙電源供電使用電源切換裝置實現，徹底解決環網引起的支路接地故障定位難的問題；

（2）對于目前存在環網且不具備改造條件的直流系統，采取只投入一段電橋的方式，保證母線絕緣監測的準確性。