變電站直流系統(tǒng)中交流侵入問題分析

陳 亮

（國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

電能是一種清潔化的高效能源，其在人們生活生產中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)階段，人們對于電能的依賴程度不斷加深，使得變電站建設項目逐漸增多。在變電站建設中，直流系統(tǒng)的建設及運行質量直接關系變電站電網(wǎng)控制的安全與穩(wěn)定。一方面，直流系統(tǒng)能持續(xù)性地輸出穩(wěn)定電壓，確保監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護、控制及信號等裝置的穩(wěn)定運行；另一方面，直流系統(tǒng)供電能應對交流系統(tǒng)意外中斷等突發(fā)狀況，保證系統(tǒng)整體穩(wěn)定。然而在實際運行中，直流系統(tǒng)本身的運行也存在較大威脅，其中交流侵入是影響變電站直流系統(tǒng)運行穩(wěn)定的關鍵因素。本文就變電站直流系統(tǒng)中交流侵入的影響及應對策略展開分析。

1 交流侵入的基本類型

交流侵入直接影響著變電站直流系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。變電站運行中，低壓交流侵入和高壓交流侵入是直流系統(tǒng)交流侵入的兩種基本類型[1]。

低壓交流侵入與交流系統(tǒng)的故障有較大關系。通常，當變電站交流系統(tǒng)故障時，二次側交流電源就會發(fā)生變動，并侵入到直流系統(tǒng)中。此時，交流系統(tǒng)工頻分量的電壓會疊加到直流系統(tǒng)，并對直流系統(tǒng)的母線電壓造成擾動，降低直流系統(tǒng)運行的安全性與穩(wěn)定性。

當一次設備發(fā)生故障且在接地電流作用下接地網(wǎng)局部電壓升高時，就會產生高壓電流侵入威脅。與低壓侵入所不同的是，高壓侵入會擊穿二次回路的對地絕緣組織，并進入到二次系統(tǒng)中。隨后，當高壓電流再次擊穿二次回路另一處絕緣薄弱位時，就會形成高壓侵入。本質上，高壓侵入是一種異常地電位分流現(xiàn)象。

2 變電站直流系統(tǒng)中交流侵入的影響

變電站電網(wǎng)運作管理中，因交流侵入而引發(fā)的直流系統(tǒng)故障危害性較大，尤其是因交流侵入引起的接地故障，其極易對直流系統(tǒng)乃至整個變電站的運行造成影響。具體地，當交流侵入引發(fā)接地故障時，單點接地會引起系統(tǒng)保護誤動或拒動，使得保護組織往往需要承受較大的功率和電壓，存在被燒毀的風險。同時，交流侵入還會使得蓄電池的電極性能受到損傷，縮短蓄電池使用壽命。此外，在一定程度上，交流侵入還會使得變電站的檢測裝置受損，降低檢測的結果的精確性（見圖1）。低壓交流侵入和高壓交流侵入具體影響如下。

圖1 交流侵入時母線對地電壓波形圖

2.1 低壓交流侵入的影響

低壓交流侵入會使得變電站直流電系統(tǒng)的母線電壓出現(xiàn)較大波動。通常，當擾動電壓頻率達到50 Hz時，就會出現(xiàn)直流系統(tǒng)異常狀況[2]。變電站運行中，低壓交流侵入最常見的類型就是二次交流電源串入直流系統(tǒng)。從發(fā)生機理來看，造成這一現(xiàn)象的原因具有多樣性。例如，當工作人員接錯斷路器的發(fā)信號與聯(lián)閉鎖副接點時，就可能誘發(fā)二次交流電源串入。此外，接線失誤、絕緣性能不佳等均有可能造成此類問題發(fā)生。

現(xiàn)階段，針對低壓交流侵入現(xiàn)象，我國尚未有科學、完善的解決方案。這是由于在變電站運行中，其直流系統(tǒng)屬于不接地系統(tǒng)。即當發(fā)生交流侵入狀況時，交流、直流母線的電壓就會發(fā)生疊加，使得直流母線系統(tǒng)出現(xiàn)較大的交流分量。當這些交流分量接觸到正電源后，交流電壓則會在繼電器線圈的作用下形成回路，并隨著回路電流的增大，開關誤跳的概率也會大大增加。同時，當前變電站的自動化裝置較多，而當直流系統(tǒng)發(fā)生交流入侵時，就會對這些自動化裝置的應用造成影響，情形嚴重時會導致自動化裝置受損。例如，我國華東電網(wǎng)某電廠在變電站管理中，受工作人員誤操作的影響，220 V交流電源線被接入到了直流電系統(tǒng)，當檢測出該故障時，多個單元ID插件板已被燒壞，同時電廠眾多開關發(fā)生了跳閘。可見，低壓交流侵入對于直流系統(tǒng)乃至變電站有極大影響。變電站運行中，要實現(xiàn)低壓交流侵入的有效防止，就應在避免交流分量串入直流系統(tǒng)的同時，進行保護裝置的規(guī)范安裝，進而在系統(tǒng)發(fā)生交流侵入的過程中，及時切段線路，實現(xiàn)系統(tǒng)損失的有效控制。

2.2 高壓交流侵入的影響

高壓交流侵入與交流系統(tǒng)絕緣性能下降有較大關系。變電站管理中，高壓交流侵入的影響包括3方面。第一，一旦直流系統(tǒng)發(fā)生高壓電流侵入，則電流會通過一些小開關，使得小開關跳閘的危害大大增加。第二，當高壓交流侵入直流系統(tǒng)保護性設備時，就會影響繼電保護裝置的功能應用，并使得二次設備受損，造成更大的串電事故。第三，與低壓交流侵入所不同的是，高壓交流侵入對于蓄電池組、保護、控制設備也有一定威脅。尤其是當高壓交流電侵入蓄電池組時，就會使得蓄電池電極性能造成影響，縮短蓄電池的使用壽命。實踐過程中，要實現(xiàn)高壓交流侵入的有效開控制，可在優(yōu)化交流系統(tǒng)絕緣薄弱環(huán)節(jié)的基礎上，降低接地網(wǎng)的接地電阻，進而保證變電站直流系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性、安全性。

3 直流系統(tǒng)中交流侵入的應對策略

3.1 交流侵入的研究思路

現(xiàn)階段，鉗位二極管方案是抵御直流系統(tǒng)交流侵入的主要方式[3]。具體地，當交流電壓侵入直流系統(tǒng)后，直流系統(tǒng)母線回路和頻率就會產生波動。在該環(huán)節(jié)中，控制電壓的波動頻率，就可以有效控制交流侵入對直流系統(tǒng)的影響。因此，在實踐中，需穩(wěn)定直流母線的對地電壓?，F(xiàn)階段，直流母線多通過直流二極管替代，同時在二極管選擇中，注重其功率和高壓反應性能的優(yōu)化。此外，還應注重二極管和一次設備保護裝置的優(yōu)化，如在兩者一定距離外設置接地點，然后在二極管的作用下鉗制母線，通過二極管保證母線的絕緣效果。一旦交流電壓串入正極電流，則通過二極管切除交流分量，進而實現(xiàn)交流回路和小開關跳閘的有效控制。當負極電流出入交流電時，二極管對其防護功能與交流電壓串入正極電流樁的防護效果一致。需注意，當入侵電流分量較高時，應通過二極管，將母線電壓控制在一定范圍，防止交流入侵其他回路，確保變電站直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

3.2 交流侵入的仿真實驗

采用鉗位二極管進行交流侵入控制中，應注重控制方案的模擬實驗。一般交流侵入直流系統(tǒng)的仿真模擬實驗采用EWB仿真程序作為支撐，然后通過仿真實驗設計，可實現(xiàn)二極管有效性的充分驗證。例如，當直流系統(tǒng)額定直流電壓117 V時，設定母線對地電容為10 μF，則在交流侵入仿真實驗中，先在未安裝二極管的直流系統(tǒng)中進行操作。當直流系統(tǒng)傳入交流電后，系統(tǒng)本身的電壓會出現(xiàn)較大浮動。二次驗證中，為直流母線系統(tǒng)配置二極管。仿真實驗表明，母線的對地電壓會變得平穩(wěn)化，其電壓基本會保持在110 V以內，有效地保證了直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 進行鉗位二極管優(yōu)化

現(xiàn)階段，借助于鉗位二極管優(yōu)化直流系統(tǒng)交流侵入問題已經(jīng)成為變電站現(xiàn)代管理的重要方式。實際應用中，為確保鉗位二極管性能的有效發(fā)揮，還應注重如下要點把控。第一，控制二極管接地點的位置，避免其與一次設備距離過近。實際布置中，應將二極管布置在繼保室直流屏的接地處，以有效提升二極管的運作性能，確保直流母線對地電壓的穩(wěn)定。第二，二極管的質量直接影響直流系統(tǒng)保護效果，故而在其選擇中，應在確保二極管耐壓性能合理的基礎上，規(guī)范化的串聯(lián)正、負對地二極管，防止二極管本擊穿。第三，當高壓交流點侵入時，二極管的防護性能相對有限，故而需進行高壓入侵機理的有效分析，并在控制過程中降低接地網(wǎng)電阻，實現(xiàn)二次回路對地絕緣性能的有效優(yōu)化。

4 結 論

交流侵入會直接影響變電站直流系統(tǒng)的運作質量。實踐過程中，工作人員只有充分認識到交流侵入的危害性，并在研究交流侵入應對思路時，進行試驗方針模擬，然后規(guī)范化的采取鉗位二極管進行防治，才能有效降低交流侵入的威脅，進而保障直流系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)變電站電網(wǎng)系統(tǒng)的進一步發(fā)展。