變電站站用直流系統合環問題分析

李國強

（錫林郭勒電業局，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

變電站內直流系統作為二次系統最重要的組成部分，為繼電保護、事故照明、交流不間斷電源等裝置提供穩定的直流電源[1]。直流系統主要由高頻開關電源、蓄電池、絕緣檢測裝置及饋線組成[2]。由于直流饋線需要延伸至變電站每一個間隔，故其在空間上比較龐大，且接線錯綜復雜，這也導致直流系統饋線部分容易出現故障[3]。直流系統故障對電力系統危害很大，有可能造成斷路器的誤跳或拒跳。

直流系統正常運行時，由于平衡橋的作用，正極對地電壓為+110 V，負極對地電壓為-110 V[4]。當直流系統發生合環故障時，正、負極對地電壓值都會發生改變，絕緣監測裝置會報出直流母線絕緣電阻下降信號。2段直流系統都有絕緣監測裝置，當2段直流系統合環時會相互影響，報出絕緣降低甚至直流接地信號，還會影響正常的絕緣監測功能[5-6]。因此，當直流系統產生故障時，應迅速準確判斷故障類型并處理，以保證直流系統的穩定運行。本文以某220 kV變電站產生的合環故障為例，對三種合環故障的特征進行分析，為解決類似故障提供參考。

1 故障概況

某日巡視發現某220 kV變電站的2段直流供電系統正負極電壓均不平且極性相反，具體數據如表1所示。用萬用表測量兩段母線電壓，結果與表1相同。絕緣監測裝置無報警信號；查看絕緣監測裝置的支路絕緣，并將絕緣較低的支路進行拉路，電壓不平未消失，判斷裝置的選線不準確。隨后對所有支路使用拉路法進行故障查找，經多次試驗未找到故障點，判斷該故障為2段直流母線的合環故障。

表1 2段直流母線電壓

2 絕緣監測裝置的工作原理

2.1 平衡橋監測方法

基于平衡橋的絕緣電阻監測裝置工作原理如圖1所示[7]。通過檢測U+、U-可以判斷正極和負極對地的絕緣電阻情況。該檢測方法的缺點為：正極和負極同時以相同的電阻接地時，絕緣電阻狀態不能檢測。

圖1 平衡橋絕緣監測裝置工作原理

2.2 不平衡橋監測方法

基于不平衡橋的絕緣電阻監測裝置工作原理如圖2所示，設正負極之間電壓為U，當可控開關SW1閉合、SW2打開時可測得U+，當SW2閉合、SW1打開時可測得U-。可得：

圖2 不平衡橋絕緣監測裝置工作原理

根據公式（1）可得正負極對地絕緣電阻RX和RY，這種方法解決了平衡橋監測時正負極同時接地不能準確監測的缺點，但需要頻繁分合控制開關，降低了監測速度。

3 直流系統合環故障分析

由于雙重保護中每套保護都要采集該間隔的斷路器、隔離開關等設備的位置信息，且2套保護分別用2套直流系統電源，因此2段直流系統合環常發生在配有雙套保護的主變壓器或線路遙信接點處。以下就2段直流系統可能出現的正極相連、負極相連、正負相連故障特征進行分析。

3.1 正極相連

2段直流系統正極相連時電路結構如圖3所示，其中，R1為Ⅰ段直流系統絕緣監測裝置的內部平衡橋電阻，R2為Ⅱ段直流系統絕緣監測裝置的內部平衡橋電阻。根據電路分析可得2段系統正極相連特點為：2段直流系統正極電壓和絕緣電阻相同，正極的絕緣電阻變為R1與R2并聯后的電阻值，因此正極的絕緣電阻和對地電壓都會有所下降；相應地，2段直流母線負極電壓有所升高，絕緣電阻不變。

圖3 2段直流系統正極相連時的電路圖

3.2 負極相連

2段直流系統負極相連電路結構如圖4所示，考慮到合環故障一般都出現在遙信回路，而遙信回路的負極均接有一個阻值較大的限流電阻，用R3和R4表示。根據電路分析可得，2段母線負極相連時，2段直流系統的負極絕緣電阻和對地電壓相等，但是低于正極的絕緣電阻和對地電壓。由于R3和R4電阻的影響，降低幅度會比正極相連時小。

圖4 2段直流系統負極相連時的電路圖

正極相連和負極相連同時存在的情況相當于2段母線并列運行，當2段直流母線的絕緣監測裝置都投入時會相互影響，造成正負極絕緣電阻值降低，降低幅度和正負極的并列回路中電阻大小有關[8]。同理，此時正負極對地電壓也會受并列回路中電阻大小的影響。日常運行中如果需要緊急將2段直流母線并列運行，必須退出其中一套絕緣監測裝置[9]。

3.3 正負相連

2段直流系統正負相連時電路結構如圖5所示，同樣以遙信回路中正負相連分析，此時Ⅰ段系統正極對地絕緣電阻和對地電壓下降、Ⅱ段系統負極對地絕緣電阻和對地電壓也下降，而且下降的數值相等。此時正負極對地電壓一高一低，且出現2段直流系統正負極電壓相反的現象。

圖5 2段直流系統正負相連時的電路圖

另外，還存在2段直流系統正負極互相連接的情況，即Ⅰ段直流系統的正極接Ⅱ段直流系統的負極、Ⅱ段直流系統的正極接Ⅰ段直流系統的負極。當遙信回路中發生這種故障時，由于有限流電阻的存在，正負極對地電壓沒有變化，但是正負極的絕緣電阻均有所下降。當連接回路中沒有電阻時相當于2段直流系統短路，會直接短路跳開相應的空氣開關。

4 Proteus仿真及故障處理

根據以上分析可以看出，某220 kV變電站故障特征符合2段直流系統正負極相連時的特征。為進一步對故障類型進行驗證，采用Proteus軟件仿真模擬該故障并觀察電壓變化情況[10-15]。使用Proteus軟件建立2段直流系統正負極相連時的模型，設置直流系統平衡橋的電阻值為25 kΩ、遙信回路中的限流電阻值為100 kΩ，用223 V的電池組模擬直流系統的電源并運行仿真程序，結果如圖6所示。可以看出，理論分析與實際故障中的結果完全吻合。隨后通過查找發現，在主變壓器隔離開關的機構箱內輔助觸點的公共端接線錯誤，Ⅰ段直流系統的正極接于Ⅱ段直流系統的負極，排除故障后系統正常運行。

圖6 2段直流系統正負相連仿真結果

5 結論及建議

由以上分析及仿真可知，通過變電站內2段直流系統絕緣監測裝置所顯示的正、負極對地電壓及正、負極絕緣電阻，快速判斷出該故障為合環故障。為避免發生直流系統合環故障，在變電站設計階段應明確規定雙重化保護、電壓切換等裝置分別接入2段直流系統；輔助開關等同時接入2段直流系統容易發生合環的裝置，應將2段直流系統分開接入不同的端子排；在施工階段應保證電纜牌、電纜走向的正確性，兩段直流系統可以使用不同顏色的電纜，便于運行維護。