變電站直流系統中交流侵入問題的分析及策略

黃強

【摘 ?要】電力行業的發展使我國快速進入現代化發展階段。變電站依靠多種設備工作，其中變電站直流系統至關重要。直流系統易受到交流入侵，影響自身乃至整個變電站的運行。一旦交流入侵，可能損壞二級設備，也可能導致開關誤跳，進而發生一系列事故。目前，國家對變電站交流入侵問題越來越重視。

【關鍵詞】變電站直流系統;交流侵入問題;分析及策略

引言

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

1變電站直流系統中的交流侵入問題

（1）低壓交流侵入對變電站直流系統的影響，變電站直流系統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。二次交流電源串入直流系統屬于低壓交流入侵，可導致母線電壓出現大幅波動，50Hz時即屬于異?，F象。引發這種現象的原因很多，如工作人員接錯斷路器的發信號與聯閉鎖副接點、其他情況的接線失誤或者一些設備絕緣性能不佳等。對于這種現象，相關人員的解決方案還不夠完善。變電站的直流系統是不接地系統，一旦交流入侵，交、直流母線將疊加更大的交流電壓，出現大量的交流分量。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成回路，一旦電流增大，將導致開關誤跳。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備。例如，我國華東電網的某電廠曾發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，導致系統被入侵，使直流系統產生波動，并燒壞多個單元ID插件板，最終造成眾多開關跳閘。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的影響，如果變電站的設備出現問題，接地網局部電位將升高，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，導致電位分流異常，使高壓電流進入直流系統。直流系統受到高壓交流的入侵，可能使電流通過小開關，導致小開關跳閘。如果被入侵的設備是保護性設備，那么可能造成繼電保護裝置損壞而無法發揮保護作用，進而導致損害二次設備，加大事故的嚴重性。例如，我國某變電站曾發生高壓交流入侵事故，直接導致220kV的控制直流消失，直流系統熔絲被燒斷，同時由于系統中的開關未盡快切斷故障電流而發生起火現象，造成全站停電。

2直流系統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形成短路電流，迫跳切除故障支路，保護直流系統安全穩定運行。主動式交流竄入保護裝置，在直流絕緣監測裝置功能基礎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測裝置上設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，當直流系統發生交流電源對直流系統金屬性竄入且交流電有效幅值超過裝置內設定的交流報警限定值時，干節點或外部通信協議輸出報警，絕緣監測裝置發出聲光報警，通知遠程運行及維護人員及時處理。保護裝置根據設定的迫跳允許條件，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。直流系統絕緣監測裝置負責采集母線電壓，在支路漏電流等信息經裝置內部軟硬件處理分析后，輸出當前直流電源系統對地電壓、絕緣阻值、交流侵入等運行數據和異常狀態，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，分析結果。交流電壓入侵時，利用EWB仿真程序設計仿真實驗，以驗證二極管方案的有效性。該實驗采用110V的直流系統，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中操作。交流進入直流系統后，電壓出現較大浮動。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。當電流中持續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產生電壓波動。

2.3交直流保護的配合

在開展交直流混聯電網中交流暫態侵入對直流繼電保護動作的影響分析工作時，需要相關人員對其中的交直流保護的配合問題進行相應的分析與考慮，確保直流繼電保護動作有效性。具體表現為：（1）交流暫態侵入直流系統后，可能會使該系統中出現觸發角增大、直流電壓降低等暫態電氣特征。若這些暫態特征持續時間長，則會影響直流繼電保護功能，且系統中的設備工作性能會受到潛在威脅。（2）基于交流暫態侵入的影響，若交直流混聯電網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置，確保交直流動作間的配合有效性。

2.4現場實驗

以我國某變電站的現場實驗為例，利用110V直流系統做實驗。該直流系統中有避雷針設備，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。通過實驗發現，交流入侵后，二極管促使直流系統出現短路，此時保護系統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定在110V以內。實驗結束后，相關人員檢查直流系統中的各設備，發現設備無損害，全程未發生跳閘情況，且避雷針裝置無任何異常。通過實驗結果可知，鉗位二極管的方案可切實、有效地抵御交流電壓入侵，保護系統裝置不受損害。另外，二極管售價低，實用性較強。

2.5關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，有利于更好地發揮二極管的作用，保障直流母線的對地電壓穩定。第二，二極管的選用。工作人員需將正、負對地二極管串聯，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，促使其更好地發揮作用。第三，雖然二極管方案具有一定作用，但在預防高壓交流入侵時不能完全阻擋高壓反擊。因此，相關人員需進一步研究高壓入侵問題，如降低接地網電阻，提高二次回路對地絕緣性等。

結語

通過實驗設計和驗證過程可知，在直流系統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。

參考文獻：

[1]張勇.變電站直流系統運行維護及對策[J].電工技術，2018，（15）：91-92.

[2]王由甲，錢學鵬.變電站直流系統運行管理的優化[J].科技風，2018，（22）：172.

[3]任杰.近電氣距離大規模風電與直流系統運行耦合機理研究[D].北京：華北電力大學，2015.

（作者單位：國網漳州供電公司）