變電站直流系統二次回路故障分析與處理方法研究

陳平芳

（廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512000）

0 引 言

近年來，變電站直流系統二次回路因為受到干擾而造成的無事故停電案例屢見不鮮，甚至可能導致變電站全面停運。為了制定有效的預防措施，相關人員必須認真研究干擾所引起的開關跳閘的原理和成因。其中，對線路干擾最嚴重的主要有直流接地和交直流混合接地兩種情況。本文將針對這些情況進行研究和分析，提出防范措施，使線路形成二次回路的抗干擾能力，以切實保障電網安全穩定運行。

1 變電站直流系統二次回路故障分析

查找直流系統二次故障的原因應該考慮兩個方面：一方面是分析不同交直流信號干擾直流系統的源頭和程度，另一方面是分析接地的直流系統故障。

1.1 交直流信號的干擾

在眾多的變電站一次設備和二次設備中，很多設施需要應用交流電源和直流電源。因此，電氣設施會與直流供電系統、交流系統以及通信網絡進行交叉，同時各種交、直流信號也會干擾電氣設備。這種干擾主要表現在交流串擾、直流串擾以及直流系統電容電流干擾3個方面[1]。

1.1.1 電容電流干擾

在直流系統中，接地電容包括兩個部分：第一部分是屏蔽層與芯線、對地電纜以及電纜芯線存在的分布電容；第二部分為濾波電容，存在于直流負載保護控制設備的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波器中。

（1）直流電纜分布電容是兩個絕緣體組成的電容器，其中導體面積和距離會影響電容量。在實際電路中，另一種形式電容器的構成也可以包括兩個彼此靠近卻相互絕緣的導體、構件或者其他電體，這種構成也具備電容量。這種由器件和導體組成的呈現分布狀態形成的電容就是所謂的分布電容。

分布電容C的數學表達式為：

式中，ε為設定的介電常數；s為兩處導體之間的相對表面積；d為導體間的距離。第一，電纜對地電容C的大小直接影響直流系統的大小。第二，一旦直流供電系統改變結構，隨之而變的是電纜對地電容。分布電容存在于直流電纜中，造成直流系統有很多電容電流串入，成為直流系統不穩定的因素。同時，直流負載的穩定性也會受到這些電容電流變化的影響。

（2）直流負載濾波電容。目前，很多變電站應用了直流電源的保護測控裝置，但是變電站高壓電場會影響測控裝置，造成這些設備的直流回路產生交流干擾電壓。此外，不同程度的電磁干擾也存在于這些保護裝置與測控裝置之間。為了提升電磁的兼容性，可以把相應的電磁干擾提供給保護測控裝置，通過EMI與測控裝置的直流輸入電路相連接來解決這個問題。該系統運行程序的旁路接地是基于各類干擾源通過EMI中的對地電容實施的，以實現裝置的兼容性?？刂圃O備和大量的微機保護裝置設置在電力系統，濾波電容器應用在直流系統中。如果直流系統發生事故，必須要檢查濾波電容和分布電容。

1.1.2 交流串擾

變電站眾多的一、二次設備構成了直流系統供電網絡。與諸多交流回路一起走線的直流回路，包括開關端子箱、開關機構箱、保護裝置以及防誤電源等。一旦交流回路發生故障，尤其是混合接線的交直流負載故障，會造成直流系統中交流電源的串入，嚴重時會造成直流電壓的不正常波動，致使保護設備難以正常運行，甚至導致保護裝置失靈。交直流串擾的原因主要包括以下3個方面。第一，交織混合在一起的直流電纜和交流電纜，經常因為絕緣層的老化出現問題而形成導電部分的接觸，使其混合在直流系統中被交流電源侵入。第二，變電站改造中錯誤地連接了交直流系統。第三，變電設備上發生接地故障時，接地網會產生零序電流。如果接地網十分接近直流電纜，直流系統會通過直流電纜分布電容被導入接地網的零序電流。

1.1.3 直流串擾

一般情況下，220 kV及以上變電站因為直流系統的雙重配置，會經常發生直流信號串擾現象。這是因為該裝置的控制回路和跳閘回路都需要配置的雙重化，在實施設計好改造直流系統時，易導致直流系統兩段混接的現象。任何一段直流接地，兩段直流都會產生接地信號，嚴重影響故障的查找。如果混接兩段直流，會造成不存在分段的母線，增加同級兩點接地的概率。直流串擾的特性表現在下面幾點。第一，絕緣警報在兩組直流系統的絕緣監測系統同時發出。第二，絕緣監測設備不能精確定位對接點。第三，兩組直流系統的正負電壓呈現下降的趨勢。第四，倘若單純地將接地故障點的空氣開關打開，兩組絕緣監測裝置上的絕緣報警會同時消失；倘若僅僅將直流串擾觸點打開，則表現為已經恢復了其中一組直流系統的絕緣能力，而另一組完全沒有恢復。

1.2 直流系統接地

直流系統接地故障主要受兩方面因素的影響。一是變化的母線電壓對直流系統各設備的正常運行造成了嚴重影響。二是一旦在直流系統發生兩點接地事故，容易形成保護裝置的誤動，嚴重影響電網的安全運行。因此，一旦直流系統發生接地故障，要在最短的時間內解決問題。圖1為直流接地示意圖。

圖1 直流接地示意圖

1.2.1 直流接地的原因分析

作為變電站中分布最廣泛的直流系統，電纜鋪設多而長，連接的設施多且回路復雜。通常情況下，變電站系統接地故障的發生幾率與投運的時間長短有關系。而直流接地的原因主要包括以下幾個方面。第一，氣候原因。很多直流接地故障都和氣候有直接關系，例如在多雨的季節，室外直流設備運行效率降低，電纜的絕緣性能差，對地絕緣電阻下降，造成直流電路正、負極接地。第二，人為原因。操作人員粗心大意，例如在實施工作操作時誤碰了帶電直流小母線或者誤將直流端子排短接等，從而瞬間接地。再如，沒有正確安裝二次回路接線頭、操作失誤等，造成室外設施防雨不利、電纜絕緣層被損壞等。這些因素不會立刻引發直流接地，但在環境發生改變或者對設備進行操作時易發生直流接地。第三，設備因素。設備的某些缺陷會影響直流系統的運行，如刀閘、開關位置輔助接點的缺陷形成接觸不良、設備原件絕緣效果不好以及絕緣功能老化等，都會造成接地故障。

1.2.2 直流接地的危害

直流接地根據接地的屬性分為負接地和正接地。根據接地類型，它可劃分為直接接地和間接接地。根據接地的狀態，它可劃分為絕緣接地、單點接地、環路接地以及多點接地。斷路器誤動作的原因之一是直流系統正極接地。斷路器跳閘線圈由負極連接，因此一旦發生直流系統正極接地現象，斷路器就會誤判斷而誤跳[2]。斷路器拒跳閘產生的根本原因是直流系統負極接地。負極接地在直流系統中發生時，如果另一點接地發生在斷路器分（合）閘線圈和繼電器中，將導致繼電器和斷路器分（合）閘線圈短接，一旦故障在一次系統中發生，將不能觸發斷路器回路的啟動。此外，如果直流系統產生兩點接地會形成短路電流，不僅會導致直流熔斷器熔斷，也會損壞繼電器，使一次設備保護失靈。

1.2.3 直流系統兩點接地

直流系統是個復雜的供電系統。諸多直流電纜端子箱匯接控制區域的一次設備、二次設備以及信號電源，將直流母線與復雜的二次回路進行連接，因此很容易發生直流接地。如果在直流系統發生一點接地現象，一般接地母線的電壓會顯著降低，同時升高非接地極母線電壓，但沒有產生短路電流，因此直流系統開關設備不會被啟動。倘若不能盡快排除故障，另一點接地也由此產生，易造成保護系統的誤動或者拒動。兩點接地故障對直流系統危害較大，因此必須要在一點接地發生時快速消除故障。

2 變電站直流系統二次回路故障處理方法

2.1 交直流信號的干擾處理方法

首先，提高重要回路中繼電器（光耦）的動作功率（一般考慮大于5 W），在規定的范圍內降低繼電器的動作速度，如可以適當放慢失靈啟動回路中間繼電器。其次，有效隔離重要光耦的開入回路，如該回路只要開入動作就能啟動跳閘。隔離開入不能利用長電纜直接帶光耦，而是適合利用大功率中間繼電器實施隔離。最后，設計時要避免利用長電纜連接重要回路。當前最大的不利因素是保護下放和保護小室化的設計模式，其中取消分布小室布置是改進的方向，適合利用集中一個網控室的模式，避免長電纜在各小室間使用[3]。

2.2 防止直流接地或交直流混聯

第一，為了確保回路的絕緣能力符合相關標準，必須強化日常巡查和維護直流系統等重要二次回路設施的力度。第二，在巡查工作開展前，相關人員必須嚴格分析危險點并制定安全措施，避免發生人為導致的交直流混聯或者直流接地。第三，要盡量避免一套直流系統攜帶過多的一次間隔。當前，一套只帶兩串間隔的直流系統，開始應用于大型電廠的500 kV升壓站。第四，設計時交直流端子應該布設在端子排的不同區域，要保持交直流端子之間的距離，同時要清晰標識交流端子。第五，同一圓盤的開關或刀閘輔助觸頭不能分別用于交直流回路，以防止瞬時交直流混合引起的輔助觸頭動作。第六，盡量避免利用220 V交流電源系統，如拆除保護室柜內的交流照明回路等。

2.3 直流接地的處理措施

必須準備好直流接地巡檢的應用工具，主要包括1個萬能表、1套檢測直流接地設備以及1個工具箱。直流接地檢查是危險系數相當高的工作，時常發生人為的兩點接地事故，引發保護誤動[4]，因此需采取相應的安全措施。第一，操作中禁止誤碰回路。進行測試前必須認真核對回路，專人專管，杜絕出現大力拉扯電纜的現象。第二，帶電間隔禁止誤碰，專人實施管控，保證帶電設備的距離。第三，直流饋線屏是重要對象，應預防巡查工作中直流接地的人為性。

3 直流接地檢查問題

正、負接地情況存在的故障要通過直流檢測裝置進行檢查。嚴格檢查直流檢測裝置顯示故障的支路數，采用萬用表測量電壓，確定直流系統接地故障。變電站直流系統普遍為雙充雙饋雙電模式。通過一段帶負荷的母線投一路空氣開關來檢查直流雙母線的獨立性，以保證在系統運行時兩段母線獨立。

綜合直流檢測體系檢測到的故障支路數，測量支路是否真正接地。如果查到接地問題，若退出空開直流接地的情況消失，則證明該支路發生了接地現象。倘若直流接地的現象沒有消失，需要更換另外的支路進行檢測。倘若不能退出該空開，只能按照回路測量支路的下支路來確定接地點。確定出現直流接地的支路后，采用直流檢測設備檢測支路下端分支查出故障點。基于裝置測量的誤差性，測量過程中系統與確定的接地點分離時，待絕緣恢復正常才能真正確定接地點，隨后再采取相應的處理措施。

4 結 論

無論是保護系統、控制系統還是不同種類的自動化設備中，電力系統的直流電源都起著舉足輕重的作用。電力系統的穩定運行直接取決于直流系統的穩定性和安全性。當前，眾多的在線檢測設備和自動化設備在提升供電系統自動化和可靠性的同時，對直流系統提出了更高的要求。大型電網事故多是由直流接地或交流混合接地引起的，本文通過實踐證明了采取適當措施可以避免類似事故的發生。