交流系統故障對直流系統影響分析及改進措施

劉忠 姚洋 童為為 王寧寧 詹志宏 蔣小莉

摘要：目前我國的電力建設在高速發展，電力系統的技術水平也在不斷的提高，這也帶動了電力傳輸方式的改變。特高壓交流系統的過電壓操作，關系到交流系統的絕緣性能，過電壓操作的要求比較高，目的是決定交流系統的電壓水平。特高壓交流系統合閘時的過電壓，不僅要做好配置優化的工作，更重要的是解決過電壓中的問題，防止出現損壞、故障的問題，強調交流系統過電壓操作的實踐性，避免影響特高壓交流系統過電壓的操作方式。

關鍵詞：直流系統;交流侵入;高壓反擊;

1 過電流故障

1.1 輕載過電流故障 。

故障現象：在V/F控制模式下，變頻系統在運行過程中，電動機磁路系統存在不穩定性。變頻系統在低頻、輕載的情況下，電動機磁路飽和容易引起過電流跳閘，為了能帶動較重的負載，常常需要進行轉矩補償。這樣會導致電動機磁路的飽和程度隨負載的輕重而變化。 解決方法：進行轉矩補償（調整U/f比），直到達到一個穩定運行的狀態，可以參考電機實際運行穩定性，調不好，電機本體會動作異常。

1.2 重載過電流跳閘。

故障現象：生產機械設備在運行過程中由于負荷突然加重，會出現“卡住”或者“堵轉”等現象，電動機的轉速因帶不動負載而大幅下降，同時電流急劇增加，過載保護來不及動作，就導致過電流跳閘。 解決方法： ①在了解電氣故障現象的同時，與機械人員及操作人員進行故障現象的共享，并多到現場了解機械設備本身是否有故障、動作是否存在異常、周圍是否存在其它設備的干涉、現場環境連帶的影響等，如果有故障，則先處理機械設備或其它設備，故障的查找應該從動態和靜態兩個方面進行。例如：機械齒輪箱齒出現斷裂研死、聯軸器固定螺栓出現局部斷裂、機械軸承研死 、軸瓦研死、保護設備脫落、機械旋轉部分卡阻研死等等。②如果這種過載屬于生產過程中由于機械設備振動、軸向竄動等經常出現的故障，則通過加大電動機和負載之間的傳動比的措施。這樣可減輕電動機軸上的阻轉矩，避免出現帶不動的狀況。若不能加大傳動比，就只能增大變頻器和電動機的容量了。

1.3 升速或降速中過電流故障。

主要原因：升速調節時間或降速調節時間的參數設定過快。解決方法：①準確預置升（降）速自處理（防失速）功能。當升（降）電流超過預置的上限電流時，將暫停升（降）速，待電流降至設定值以下時，再繼續升（降）速。變頻器對于升、降速過程中的過電流，設置了自處理（防失速）功能。②延長升（降）速時間。根據生產工藝要求分析，如果允許，可采取延長升（降）速時間措施。

2 高壓交流侵入對直流系統的影響

高壓交流侵入又稱為高壓反擊，是由于一次設備發生故障時的接地電流使接地網局部地電位升高，擊穿二次回路對地的絕緣后直接進入二次系統，然后將該二次回路另一處絕緣薄弱處擊穿入地，為異常地電位分流的現象。對于高壓反擊問題，目前只能通過減小接地網的接地電阻來緩解，直流系統本身還沒有有效的防范措施。

由于直流系統輻射范圍廣，絕緣薄弱環節多，較容易遭到高壓交流侵入，直流系統遭受高壓反擊，往往造成二次設備損壞、保護誤動或拒動、空氣小開關跳閘、直流回路短路或多點接地的嚴重事故。2002年某變電站曾發生過主變壓器內部故障，該主變壓器故障后，地電位對二次直流回路反擊，主變壓器220kV斷路器的某電壓切換繼電器對地擊穿，引起主變壓器220kV斷路器直流操作熔絲燒斷，造成保護雖動作，但斷路器未分閘，故障電流未被及時切除，最終導致主變壓器起火、全站全停的擴大事故。

3 提高直流系統抵御交流侵入能力的方案

3.1 方案的研究思路

交流分量竄入直流系統后最明顯的現象就是整個直流回路對地電壓以50Hz頻率大幅波動，如果能將這個電壓波動衰減到足夠小，就能有效減輕交流竄入后對直流系統的危害。因此要提高直流系統抵御交流侵入的能力，關鍵在于穩定直流母線的對地電壓，基于這個原理，本文提出一種直流母線并聯鉗位二極管的改進方案（下稱鉗位二極管方案），實驗和仿真都證明了這個方案的可行性。

3.2 方案的具體內容

該方案實現方式簡單，是在直流母線上裝設了兩個大功率、高反壓的整流二極管，二極管D1負極、D2正極接地，接地點必須選在與一次設備有一定距離的地方（如繼電器室），可通過二極管鉗制直流母線對地電壓來釋放串入的交流分量。直流系統正常時，由于正母線、大地、負母線三者間的電位關系，兩個二極管均不導通（硅二極管反向阻抗無窮大，不會影響母線對地絕緣）;當母線直流接地時，也不可能出現負母線電位高于大地電位或正母線電位低于大地電位的現象，因此二極管仍舊不導通;當交流分量串入直流系統后，如果串入負極，交流電的正半周將通過二極管D2短路，如果串入正極，同理負半周將通過D1短路，從而迫使該交流回路或直流支路的空氣小開關迅速跳閘，切除入侵的交流分量;如果侵入的交流分量幅值很大（高壓反擊），由于二極管的電壓鉗位作用，可以保證直流母線對地電壓的相對穩定，至少可以使入侵的高壓交流不再流入其他回路。

鉗位二極管方案使得直流正母線的電壓始終高于大地，負母線電壓始終低于大地，直流母線對地電壓偏移范圍一直控制在常規直流接地時的范圍內，這就有效地保證了直流母線對地電壓的穩定，大幅度降低了繼電器誤動的概率。220V直流系統正母線遭到站用電侵入后，采用這種新方案后，直流母線在交流入侵后對地電壓波動幅值大幅減小，并在干擾源切除后快速恢復正常。如果交流分量通過過渡電阻串入，可能通過二極管的短路電流太小使空氣小開關無法跳閘，但由于母線對地電壓波動一直限制在較小的范圍內，還是大幅降低了繼電器誤動的概率。為進一步驗證這個方案，我們在某110kV換流站停電改造時，在110V直流系統上做了模擬交流入侵和高壓反擊試驗。該換流站的直流母線上設有正母線對地、負母線對地的氧化鋅避雷器，現場試驗，先在直流母線上安裝鉗位二極管，然后在選定的幾個直流負荷（改造后被淘汰的舊設備）直流電源上加交流電壓，交流電壓通過升壓變壓器和自耦調壓器調節，最高電壓可升到1000V，用于模擬高壓反擊和交流侵入。

4 特高壓交流系統過電壓操作的建議

4.1 避免諧振

特高壓交流系統中，一旦發生諧振，即會影響過電壓的限制操作，很容易引發安全風險。因此，特高壓交流系統在限制過電壓時，必須提前做好避免諧振的工作，提出兩點建議，如：（1）以工頻過電壓為諧振控制的基礎依據，通過高抗補償的方式，排除諧振的干擾，其中高抗補償不能過度，根據過電壓限制的實際狀態，設計恰當的補償度;（2）積極利用小電抗，控制諧振的規模，待小電抗規避了諧振危險后，自主保護交流系統，抑制過電壓的發生。

4.2 推行合閘電阻

合閘電阻的建議，有利于提高過電壓限制的操作水平，其可在交流系統的不同狀態下，規劃對應的限制方法，更為注重過電壓限制的實用性，最重要的是保護特高壓交流系統的可靠性，規避過電壓中潛在的安全隱患，強化交流系統的絕緣性能。

5 結語

特高壓交流系統具有一定的特殊性，其在過電壓方面與普通操作有明顯的不同，電力企業需要深入研究特高壓交流系統的過電壓問題，保障過電壓操作的安全性，進而為特高壓交流系統提供穩定的支持，體現過電壓的優勢，解決過電壓中出現的問題。

參考文獻：

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