變電站交流電串入直流回路故障分析與措施

馮俊超　王旭　朱小超　王開冉

摘要：變電站直流系統出現接地、短路或交流電串入直流回路故障時，將對繼電保護系統造成不利影響，嚴重時致使保護裝置出現一系列的誤動以及拒動現象，使變電站內部的一次設備失去保護。本文在研究的過程中主要對電力系統中的交流電串入直流電路中的現象進行分析，探討交流電串入直流回路故障對直流系統及控制回路繼電器的危害及故障的產生原因，防止類似的事件再次發生，最大程度的將繼電保護的可靠性發揮出來，保證電網安全可靠運行。

關鍵詞：直流系統;接地故障;交流串成直流;保護裝置;繼電器

引言

在電力系統中，直流系統是其重要的組成部分，為一些繼電保護、斷路器操作電源、自動化裝置、不停電交流系統（UPS）、控制以及信號回路提供穩定的工作電源，但是直流系統電纜較為復雜的系統結構，并且支路較多，進而電力系統容易出現故障，例如發生系統接地或交流直接串入直流電路的問題。同時還會產生寄生電路，這些故障將對電力系統帶來嚴重的危害。

1.直流系統的配置概述

直流系統配置：直流電源按每單元機組分布設置為三組固定防酸式鉛酸蓄電池，其中一組的電壓為220V，其作用是增強電源的負荷以及提高直流事故照明負荷，另外兩組的電壓為110V，另外在每個機組單元內配置兩組伏蓄電池，用于控制、信號、保護自動化裝置。每臺機組單元配備兩個110V的電池，每組由53節電池組成。每機組單元：220V電池組，由107節電池組成，單路母線進行連接。在使用輻射連接時需要依據直流饋線原則，同時還需要在直流系統的負荷集中區域設立直流分屏。110V直流系統和220V直流系統的相同處是兩者都包含有配電母線以及充電母線，其中充電母線的功能是進行實驗測試和蓄電池充電。電池通過各自的直流保險絲直接連接到充電母線上，充電器與充電母線以及配電母線相連接就需要利用雙擲開關。充電母線在向配電母線進行供電時需要通過進線開關，而配電母線的兩端連接雙開開關，一般情況，會將母線進行獨立工作，110V直流系統的配置與圖1220V直流系統的配置相似。絕緣監控裝置，對此裝置進行檢測時通過非平衡電橋原理。

2.直流系統故障分析

2.1故障概述

2016年1月10日，我國曾經發生過一起110kV某變電站故障跳閘，1號和2號變壓器非電量保護動作跳閘，而3號主變壓器非電量保護動作信號燈亮，工作人員在現場進行檢查測試時，1號、2號、3號主變壓器非電量保護裝置的信號燈亮，1號、2號主變壓器保護屏及操作箱跳閘燈亮，111、101、112、102開關跳閘，3號主變壓器非電量保護動作未出口跳閘，3臺主變壓器在差動保護以及后備保護均無動作信息和異常。如圖1所示.

2.2故障經過

變電站有3臺主變壓器，故障發生時，1號和2號主變壓器運行在110kv Ⅰ母線上，并各帶10kV一段母線運行，10kV 01斷路器聯絡運行;3號主變壓器在110kV Ⅱ母線上運行，單獨供10kV母線運行。故障導致1號和2號主變壓器非電量保護動作跳閘，切斷01斷路器聯絡的10kV兩段母線負荷，3號主變壓器非電量保護動作，斷路器未出現跳閘現象。相關工作人員在現場檢測時發現，3臺變壓器跳閘前非電量保護均接收到2ms的開入信號。由于開入信號持續時間非常短，非電量保護來不及出口跳閘，直至80ms后，1號、2號主變壓器非電量保護裝置接收到持續5ms的開人信號，導致繼電器持續抖動。3號主變壓器的有接點抖動，但其抖動時間較短，僅報出非電量保護動作信號，未出口跳閘。

2.3原因分析

通過分析，3臺主變壓器在同一時間內非電量保護動作，可以將其自身帶來的故障因素消除，這類故障的起因是發生直流接地現象。該變電站內的消弧線圈的控制屏在進行布置時，需要將其安置在1號變壓器和2號變壓器保護屏的相鄰位置。

若消弧線圈控制電路出現問題故障，將會對直流保險螺旋底座產生不利影響，甚至發生融化現象，導致直流正極保險被擊穿，由于屏內的三相交流電壓保險和直流電源保險之間并沒有相應的隔離措施，所以在保險被擊穿后，消弧線圈就會導通底座的槽板，進而使交流電流入到直流電路中，導致直流系統中的電源正極接地。電力系統中出現的非電量保護動作跳閘的直接原因是由于變壓器中出現了直流系統接地或交流電串入直流電路的問題。

3.直流系統變電站暴露的問題分析

由于變壓器冷卻器控制設備與通信電路和直流電路相連，因此電力系統內部控制設備因交流串聯變壓器冷卻器異常而變成直流，造成保護裝置或操作繼電器箱誤動的事故頻繁發生，說明檢修維護工作也有許多弊端;另外，部分早期運行繼電器箱的運行功率不符合反措要求。

4.防止交流電串入直流系統的措施

電力系統中的故障問題非常多，重視交流電串入直流回路導致直流系統故障的問題，相關的工作人員需要對故障的問題有所掌握，一旦電力系統中出現直流系統故障，可以做出相應的措施，務必保證系統中的直流系統可以正常工作，同時也需要確保整個系統能夠進行穩定的運轉，基于此提出了以下的具體方案。

4.1加強直流系統設計施工管控

在電力企業設計變電站的建設工作以及變電站施工建筑過程中，在布置電纜時，一定要將其交流電纜和直流電纜分開，以避免交流電串入直流電路造成直流接地;所有二次回路電纜應使用屏蔽電纜，屏蔽層的兩端應接地，嚴禁用電纜內的空線代替屏蔽層接地;交流和直流端子應分開，中間加裝隔離端子，并使用不同的顏色或標題加以區分，以防止工作人員誤將交流量接入直流回路中;中間繼電器非電量保護中開關場部分，由強大的電動直流啟動，且中間繼電器啟動功率高應采用符合要求的起始功率不低于5w，工作過程中的電壓大小應該保持在額定電壓的一半以上，但是不能超過70%的額定電壓，另外在進行操作過程中，持續的時間也不可以少于10ms。

4.2改進直流絕緣監測裝置

傳統的絕緣監測裝置過于落后，監測不到變電站系統中出現的交流串入直流系統的故障，所以為了更好地監測出現問題，必須優化完善絕緣監測裝置，以便交流或直流系統發生絕緣異常或交流接入直流電路時，能及時發出報警，及時處理。

4.3改進繼電保護及自動裝置

隔離變壓器和濾波電容器安裝在繼電保護裝置的交流輸入電路中，從物理層分析是，將交流系統和直流系統兩者與大地進行分離，這樣可以有效避免直流系統與交流系統出現的電耦合現象，可以最大程度的將直流系統中的交流電量進行消除，進而避免繼電保護裝置做出誤動。

4.4嚴格控制直流系統電纜布置方式

根據直流系統的技術標準，直流系統的電纜不應鋪設太長，應避免和減少向后移動，在鋪設電纜的過程中，原則上不能低于400米的，電纜的長度取決于直流系統中正負極帶開關場的電纜芯數，兩者成正比，正、負電纜到地的分布電容越大，一旦交流串入到直流電路中，繼電器交流電壓就會發生衰減現象，并且越來越慢，所以在直流系統中應該布置二次電纜。電力系統中的直流電路中產生過大的負荷時，可以對整個電路考慮單獨供電，有效縮短鋪設的電纜長度，在單段的直流系統出現故障問題時，可以確保故障段進行正常工作，在設計制定直流系統時，需要對電網系統的適應性進行充分的考慮，也為繼電保護安全可靠的運行打下堅實的基礎。

4.5提高直流系統告警信號的重要級別

直流系統警告信號，如“直流系統接地”、“直流電壓降低”、“直流絕緣異常”等，建議將其視為1級缺陷。此類信號也可被視為保護性事故信號旁邊的一個類別，以避免事故范圍的擴大。

總結

由于直流系統在變電站中起著極其重要的作用，所以一旦出現故障就會造成極其嚴重的危害，就之前出現的故障實例的經驗提出了相應的建議，以供參考。

嚴格執行電網公司反事故措施的標準，確保交流電路和直流電路明顯分開，避免出現寄生回路的現象發生。

在選擇相應的設備產品時，需要選擇一些較為安全可靠、性能高的產品，盡可能的做到不出現產品質量問題，加強直流系統電源的整改力度，在選擇保險的代替品時可以考慮選擇用直流空氣開關，可以有效的避免出現底座熔化現象的，從而最大程度的將電纜的繼電保護裝置的工作效率發揮出來，防止直流系統串聯交流充電引起跳閘出口繼電器抖動。

多注意直流系統的異常或故障，直流系統一點接地是不可忽視的，當交流串入直流電路發生故障時，會快速形成兩點接地現象或者多點接地現象，對電力系統造成嚴重的危害。對設備進行維修管理的工作人員需要定時進行檢測維修，排出一系列隱患，避免電力系統中出現直流系統接地現象，確保電網安全穩定運行。

參考文獻

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第一作者：馮俊超，性別：男，出生日期：1995年1月25日，籍貫：云南瀘西，民族：漢族，單位：云南電網有限責任公司紅河供電局、職稱：助理工程師、學歷：大學本科、研究方向：電力系統及其自動化