變電站直流電源“單向寄生”問題研究

祝 凱，張貽娜

(1.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

目前，變電站二次回路由保護裝置、控制、信號等多組直流電源供電，一旦2組直流電源之間發生寄生，可能會導致保護誤動或拒動。常見的直流電源寄生現象都是雙向寄生，即2組電源空開K1，K2之間，任意拉掉其中一組空開，合上另一組空開，斷開的空開下端均存在寄生電壓；同時斷開K1，K2，空開K1，K2下端均無寄生電壓。

變電站“單向寄生”現象相對較少，但其既有寄生現象的部分特征，又有絕緣低的特征，對繼電保護裝置的安全穩定運行有著很大的威脅；同時與傳統雙向寄生完全不同，這也是對繼保人員一個嚴峻的考驗。因此，若能還原“單向寄生”現象的本質，將對電網安全和現場繼保工作具有重要的意義。

1 “單向寄生”案例

1.1 缺陷描述

500 kV某變電站進行5043斷路器保護定檢，在檢查該保護回路寄生、絕緣情況時，發現同時存在控制回路寄生和絕緣低缺陷。

1.1.1 寄生缺陷

現場量取到的對地電位數據如表1所示。該變電站直流系統電源為110 V，K1和K2分別為5043斷路器第1組控制電源和第2組控制電源空開。

由表1數據可知，組合2(K1斷開，K2合上)，K1回路無寄生；組合3(K1合上，K2斷開)，K2回路有寄生；組合1(K1和K2同時斷開時)，2回路均無寄生，認為該控制回路存在特殊的寄生缺陷。

表1 現場電位數據

1.1.2 絕緣低缺陷

2組控制回路對地絕緣電阻結果如表2所示。

表2 現場絕緣電阻數據 MΩ

根據《南方電網500 kV繼電保護檢驗規范（2012版）》規定：接線后的屏柜在進行絕緣檢查時，用1 000 V兆歐表測量電流、電壓、直流、信號等回路的絕緣電阻，其絕緣電阻應大于1 MΩ。因此第1組控制回路絕緣也存在問題。

1.1.3 “單向寄生”缺陷

從原理上來講，寄生必然是雙向的，本案例表現出來的寄生卻是單向的，故認為2個缺陷之間很有可能有所關聯，才會導致出現這種特殊的寄生現象，因此暫將2個缺陷整合命名為“單向寄生”缺陷。

1.2 缺陷處理

經繼保人員排查后，“單向寄生”缺陷消除。缺陷處理過程整理如下：

(1) 對于寄生缺陷，經排查是第2組分閘回路B，C相開關輔助接點受潮所致。更換相應接點后，合上K1，斷開K2，量取K2下端電壓由-16 V恢復為2 V左右，寄生現象消失；

(2) 對于絕緣低缺陷，經排查是“三相強迫動作”和“計數器”中的開關輔助接點受潮所致。更換相應接點后，絕緣恢復正常。

2 電路模型分析

針對“單向寄生”缺陷的特征，嘗試建立其電路模型并進行分析，以期還原“單向寄生”現象的本質。

2.1 直流電源等效電路模型

參考相關文獻，可得直流電源等效電路模型如圖1所示。

在圖1中，Ud為直流電源電動勢；R1/R2分別為直流系統正/負極對地等效絕緣電阻；C1/C2分別為直流系統正/負極對地等效電容；R3，R4等為回路負載電阻，K1，K2等分別為直流電源所帶支路空開。當變電站直流系統為110 V時，正常情況下，K1正端對地為+55 V，K1負端對地為-55 V，K2等亦同。

2.2 直流電源寄生等效電路模型

當2個直流電源之間產生寄生時，他們所供電的回路間會產生電的直接連接，可用1個電阻將2個直流電源等效電路模型連接起來，即為直流電源寄生等效電路模型，如圖2所示。

圖1 直流電源等效電路模型

在圖2中，R3，R5分別為K1回路中A點與正/負極間的電阻，R4，R6分別為K2回路中B點與正/負極間的電阻。R7，R9分別為A，B點對地絕緣電阻，R8為K1，K2回路之間寄生電阻。

2.3 求取寄生電壓

(1) K1斷開，K2合上。K1寄生電壓U1即為此時K1回路中A點電壓：

（2）K1合上，K2斷開。K2寄生電壓U2即為此時K2回路中B點電壓：式中，UA，UB分別為K1和K2回路中A，B 2點的電位。

2.4 求取UA和UB

當K1合上、K2斷開時，要求出寄生電壓U2，首先要求出UA。因為寄生點在開關輔助接點處，因此R3是K1+到開關輔助接點處的電阻，R5是開關輔助接點到K1-處的電阻。

現以第2組跳閘回路中的A相為例。

圖2 直流電源寄生等效電路模型

(1) 分析第2組保護操作箱A相跳閘回路可知，因A相跳閘回路未導通，所以正電到達機構的路徑為A相跳閘監視回路。若忽略電纜本身電阻，那么R3電阻即為跳閘線圈的電阻；

(2) 分析第2組機構箱A相跳閘回路可知，真正可分壓的只有跳閘線圈，若忽略電纜本身電阻，R5即為跳閘線圈電阻。

查閱相關文獻可知，斷路器跳閘線圈電阻一般為82—102 Ω，而與其串聯的電壓型繼電器HWJA的電阻約為6 kΩ，要遠大于跳閘線圈的電阻，因此認為：R5≈0。可得：UA=UK1-=-48 V。

當K1斷開，K2合上時，同理可得：UB=UK2-=-59 V。

2.5 驗證直流電源寄生等效電路模型

測得K1回路對地絕緣為0，K2對地絕緣為5 MΩ，則對應到直流電源寄生等效電路模型：

R7=0，R8//R9=5 MΩ。

測得R8≈2R9，由式(1)和(2)可知，寄生電壓為：U1=UB×R7/(R7+R8)=0；U2=UA×R9/(R8+R9)=-16 V。

這與表1中的現場數據相符合；當R8→∞時，U1=U2=0，無寄生，也符合實際情況，因此認為該模型符合本案例實際情況。

2.6 直流電源寄生等效電路模型普適性分析

驗證了直流電源寄生等效電路模型在案例中的合理性，但該模型是否具有普適性還需要進一步分析。由于保護裝置電源與控制、信號電源基本無交匯點，因此不討論保護裝置電源與控制、信號電源之間的寄生。

下面仍以K1合上、K2斷開為例，在控制電源與信號電源之間有回路交匯點的前提下，寄生電壓的大小僅決定于K1，因此分析的情況分為2種：K1為控制電源；K1為信號電源。

2.6.1 K1為控制電源

分析思路和前面相同，合閘回路也與分閘回路類似，跳閘線圈電阻遠大于合閘線圈電阻，仍有UA=UK1-，模型仍成立。

2.6.2 K1為信號電源

根據現場經驗，寄生源多為SF6壓力低閉鎖、彈簧未儲能等接點，而信號回路中阻值較大的只有光耦元件，且該元件靠近負電端，因此有UA=UK1+。一般情況下，和信號電源寄生時，合上信號電源，斷開另一電源，量取到的電位都是正電，符合實際情況，模型仍成立。

綜上，直流電源寄生等效電路模型具有普適性。

3 “單向寄生”現象溯源

3.1 “單向寄生”現象的必要條件

由于寄生電壓U1，U2的值取決于R7，R8和R9的相對大小，因此本文討論時數值按3種情況來討論：數值為0(數值相對可忽略)；數值相當(即大小成一定比例)；無窮大。

(1) K1合上、K2斷開時，U2≠0；K1斷開、K2合上時，U1=0，應滿足：

① R7=0；

② R8與R9相當或為無窮大。

(2) K1合上、K2斷開時，U2=0；K1斷開、K2合上時，U1≠0，應滿足：

① R9=0；

② R7與R8相當或為無窮大。

可得“單向寄生”的必要條件為：

(1) 2組電源空開KX和KY，斷開KX，合上KY，空開KX下端無寄生；斷開KY，合上KX，空開KY下端有寄生；同時斷開KX和KY，2組空開下端均無寄生；

(2) 2組電源空開所供電的2組回路，無寄生的一組絕緣低，接近于0；有寄生的一組絕緣電阻與寄生電阻阻值相當或為無窮大。

3.2 “單向寄生”現象的本質

將“單向寄生”現象的必要條件進行深度挖掘，可得以下結論：

(1) 當出現“單向寄生”缺陷時，必然伴隨著2組回路中一組絕緣低，一組絕緣正常，且絕緣低的回路無寄生，絕緣正常的回路有寄生；

(2) 出現“單向寄生”本質上是因為無寄生組的回路絕緣低，按阻值分配得到的電壓為0；

(3) “單向寄生”缺陷寄生源和絕緣缺陷源必然不在同一處，否則只會表現出絕緣低缺陷，即“單向寄生”缺陷至少有2處缺陷點。

3.3 案例中“單向寄生”缺陷還原

B，C相開關輔助接點受潮但未接地，K1和K2都取了開關的輔助接點，導致2者之間產生了寄生，寄生本身是雙向的，按理說U1≠0，但K1回路“三相強迫動作”和“計數器”中的開關輔助接點受潮且接地，導致R7=0，才造成了寄生是單向的表層現象，即“單向寄生”現象。

4 寄生等效電路模型推廣

電路模型建立后，除了“單向寄生”現象，還可以用于分析其他寄生現象的必要條件，加深繼保人員對寄生現象的理解，以下條件滿足其一即可。

4.1 無寄生

(1) R8無窮大，R7和R9為任意值；

(2) R7為 0，R9為0。

4.2 雙向寄生

(1) R8為0，R7和R9無窮大或相當；

(2) R7和R8數值相當，R9無窮大；

(3) R8和R9數值相當，R7無窮大；

(4) R7，R8和R9數值相當。

5 “單向寄生”缺陷對策

根據以上結論，“單向寄生”缺陷應分為寄生、絕緣低2種缺陷來處理。

5.1 消缺思路

回路一般路徑為：保護屏—端子箱—機構，中間用電纜相連。因此，缺陷可能存在于5個位置：保護屏、保護屏到端子箱間電纜、端子箱、端子箱到機構電纜、機構。

對于這2種類型的的缺陷，都是采用排除法，寄生是通過解線、量電位；絕緣低是通過解線、搖絕緣的方法逐步縮小查找范圍。當寄生、絕緣低缺陷同時存在時，若不清楚寄生產生的原因和影響范圍，可能會導致二次回路帶電搖絕緣。故缺陷查找順序為：先查寄生、再查絕緣低。

5.2 消除寄生缺陷

對于寄生缺陷，合上K1、斷開K2，首先在保護屏解開K2下的電纜，用萬用表直流檔一一量取端子電位，再量取電纜電位。若端子上有寄生電壓，則寄生源在保護屏；若電纜上有寄生電壓，則寄生源在保護屏電纜到機構的某個位置。同樣的道理，通過解線、量電位的方法逐步縮小故障范圍。

排查寄生缺陷的現場經驗如下：

(1) 應先考慮接死寄生，即接錯線導致的寄生。110 V直流系統一般顯示寄生電壓為+55 V或-55 V，若為接死寄生，找到接錯的線修正即可；

(2) 如果不是接死寄生，主要考慮2組直流電源交匯處。取用同一繼電器的2副輔助接點時，因接點受潮而導致的寄生，如SF6壓力低閉鎖接點、彈簧未儲能接點等，尤其是敞開式機構，運行條件惡劣，很容易受潮導致寄生。

5.3 消除絕緣低缺陷

對于絕緣低缺陷，排查方法和寄生類似，不同的地方在于空開要全部斷開，通過解線與搖絕緣配合，逐步縮小查找范圍。

排查絕緣低缺陷的現場經驗如下：

(1) 可能是由于長電纜絕緣不良導致，也有可能是輔助接點受潮導致；

(2) 若為機構處絕緣問題，首先應該查看開關端子箱、中控箱等，觀察有無明顯受潮、凝露現象，很多情況下是寄生源受潮導致的絕緣低，干燥處理后可消除缺陷；

(3) 機構處絕緣問題也可能是機構內輔助接點損壞導致；確認為機構問題后，轉檢修處理更換輔助接點后可消除缺陷。

5.4 事前防范措施

(1) 進行日常巡視工作時，應多關注端子箱、中控箱等是否受潮，加熱器是否正常工作。

(2) 保護定檢中做好寄生、絕緣檢查，有問題及時處理。

(3) 驗收時注意檢查回路接線，防止因接錯線導致的接死寄生。