直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障危害分析

曹文彬，羅威，陳瑞珍

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司，湖南長沙 410004)

0 引言

220 kV及以上變電站運行中，環(huán)境、檢修等因素常常導致兩套獨立運行的直流電源系統(tǒng)發(fā)生非正常的電氣連接[1－2]，這種電氣連接被形象地稱為直流環(huán)網(wǎng)[3－4]。環(huán)網(wǎng)故障是直流電源系統(tǒng)絕緣故障的常見形式之一[5－6]。直流電源系統(tǒng)和負載供電的方式導致環(huán)網(wǎng)故障，將造成保護裝置誤動、拒動、火災、蓄電池組壽命縮短等嚴重后果[7－9]，故正常運行方式下，禁止兩套直流電源系統(tǒng)長時間環(huán)網(wǎng)運行。

本文分析環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因、環(huán)網(wǎng)類型，構(gòu)建直流電源系統(tǒng)不同環(huán)網(wǎng)情況下的等效電路，重點從電路結(jié)構(gòu)的角度分析環(huán)網(wǎng)危害的電壓表現(xiàn)形式，闡述環(huán)網(wǎng)故障危害的本質(zhì)，最后結(jié)合環(huán)網(wǎng)故障的物理現(xiàn)象給出環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法。

1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因及危害

文獻[10]規(guī)定當圖1中環(huán)網(wǎng)電阻小于20 kΩ時，應發(fā)出環(huán)網(wǎng)故障聲光報警信號。

圖1 直流環(huán)網(wǎng)故障

1.1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生的原因

1)接線時打混。大修技改施工時，由于電纜較多，接線時易混接，導致某個負載由Ⅰ段正極(負極)和Ⅱ段負極(正極)供電。這是屬于較隱蔽的類型，由于負載可正常供電，運行中不易被發(fā)現(xiàn)。

2)倒負荷操作。將某負荷轉(zhuǎn)到另一段母線后，未斷開原來供電的負荷開關，導致該負荷由兩段母線同時供電[11]，從而產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)，造成了雙極環(huán)網(wǎng)，如蓄電池組檢修試驗中，在退出被試蓄電池組前需合母聯(lián)。

3)雙電源負載。重要的保護回路采用雙電源配置[12]，正常工作狀態(tài)下，只投一路，若兩路都投則造成環(huán)網(wǎng)。

4)設備內(nèi)部隔離不徹底。某些裝置采用兩路電源(互為備用)，但裝置內(nèi)部卻沒有隔離或隔離不徹底[13]。

5)運行環(huán)境導致絕緣老化。在同一電纜中，分屬兩段母線的供電電纜內(nèi)部破損造成環(huán)網(wǎng)[14]；蓄電池組或者充電機輸出電纜共用一個通道，運行時間長導致電纜破損產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)。

D礦區(qū)位于滇南，地層主要為三疊系、石炭系、泥盆系，巖性主要為頁巖、板巖、砂巖、灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、火山碎屑巖、鉛鋅礦，測量結(jié)果見表4：

1.2 環(huán)網(wǎng)故障危害及其原理分析

直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的類型如圖2所示，有正極環(huán)網(wǎng)、負極環(huán)網(wǎng)、兩極環(huán)網(wǎng)、異極環(huán)網(wǎng)[15]。環(huán)網(wǎng)造成的危害主要有:降低絕緣監(jiān)測儀靈敏度、增加保護誤動機會、導致兩段母線同時接地、引起火災、使空開級差配合失效、使直流電源系統(tǒng)單極對地電壓超過母線電壓等[16－17]，見表1。

圖2 直流環(huán)網(wǎng)故障示意

表1 環(huán)網(wǎng)故障的危害

1.2.1 單極環(huán)網(wǎng)

所謂單極環(huán)網(wǎng)，是指兩套直流電源系統(tǒng)發(fā)生同極性的互竄，即正極與正極或負極與負極互竄。

1)正常情況下獨立運行的直流電源系統(tǒng)等效電路如圖3所示(略去電容，因穩(wěn)態(tài)下電容對計算結(jié)果無影響)。R為平衡橋電阻，R0為接地電阻(為分析方便，設R＝R0)，V1為母線電壓，V1＋、V1－分別為正負極母線對地電壓。圖3(a)為正常運行情況下的等效電路圖，圖3(b)為正極接地后等效電路圖。

圖3 直流電源系統(tǒng)等效電路

根據(jù)電阻分壓原理:

接地后正極對地電壓變化量△V＝V1/2－V1/3＝V1/6。故發(fā)生接地后正極對地電壓變小，且變化量為母線電壓的1/6。這是因為母線對地電壓是由母線實際對地電阻分壓決定的(正比關系)，故發(fā)生接地時，接地極對地電阻減小，而所分得電壓降低。

2)當直流系統(tǒng)發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時，其等效電路如圖4所示。由開關K1、K2模擬環(huán)網(wǎng)類型。當K1閉合時，即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 直流系統(tǒng)正極環(huán)網(wǎng)等效電路

設V1＝V2，根據(jù)疊加定理，發(fā)生正極接地后計算得:

接地后正極對地電壓變化量△V＝V1/2－2V1/5＝V1/10。可見，在有環(huán)網(wǎng)故障的情況下，發(fā)生接地后正極對地電壓變化量為母線電壓的1/10，小于環(huán)網(wǎng)前的電壓變化量，即電壓變化敏感性降低。

同樣電阻檢測敏感度也降低，直流系統(tǒng)絕緣檢測儀對系統(tǒng)正負極絕緣電阻的計算，是根據(jù)正負極電壓采樣值進行的。設正極對地絕緣電阻計算值為Rx＋，負極對地絕緣接地電阻計算值為Rx－，則有:

發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)前，如圖3所示，代入V1＋＝V1/2、V1－＝V1/3，RX－→∞，得出RX＋＝R0＝R；此時絕緣檢測儀對于接地電阻的計算是準確的。

發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)后，如圖4所示，設此時正極絕緣電阻計算值為R1X＋，絕緣檢測儀對于接地電阻的計算值按照下式確定:

式中，V1＋＝2V1/5；V1－＝3V1/5；RX－→∞。

代入式(2) 可得:R1X＋＝2R＝2R0＝2RX＋。即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)故障后，絕緣檢測儀對于接地電阻的計算值偏大，是故障前的2倍。按照告警整定值為25 kΩ計算，當發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時，若有一個電阻為25 kΩ的接地故障，由于實測的電阻值為50 kΩ，因而系統(tǒng)無法正常接地告警，大大降低了接地告警的靈敏度。

除此之外，當環(huán)網(wǎng)故障發(fā)生時，電壓鉗制的作用還可能導致當其中一段母線接地告警時另外一段母線也同時告警。

1.2.2 兩極環(huán)網(wǎng)

兩極環(huán)網(wǎng)，指的是直流系統(tǒng)正極與正極、負極與負極同時發(fā)生電氣連接。將圖4中K1、K2同時閉合，即構(gòu)成兩極環(huán)網(wǎng)，如圖5所示。

圖5 直流系統(tǒng)兩極環(huán)網(wǎng)等效電路

1)兩套直流電源系統(tǒng)平衡橋電阻相等，故兩極環(huán)網(wǎng)故障情況下，負極平衡橋電阻對地構(gòu)成的分壓效果同單極環(huán)網(wǎng)故障時的情況。設正極發(fā)生接地，則絕緣檢測儀對于電壓和接地電阻的計算結(jié)果同單極環(huán)網(wǎng)的情況，即R2X＋＝R1X＋＝2R＝2RX＋。因此，兩極環(huán)網(wǎng)同樣會造成接地故障監(jiān)測靈敏度降低、保護誤動機會增加等危害。

2)如圖6所示，2套直流系統(tǒng)發(fā)生兩極環(huán)網(wǎng)將產(chǎn)生環(huán)流，當電纜直徑較小時，流過的環(huán)流產(chǎn)生較大的熱量，積聚的熱量將導致火災。其次，禁止兩段直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)的另一個重要原因是蓄電池組不能長期并聯(lián)運行，否則自放電的差異導致蓄電池組欠充、過充，縮短蓄電池組使用壽命。

圖6 兩套直流系統(tǒng)環(huán)流等效電路

3)空氣開關裝置(以下簡稱“空開”)級差配合失效。直流電源系統(tǒng)的某一點發(fā)生短路時，如圖7所示，正常情況下將只由短路點所屬的直流電源向其提供短路電流；而發(fā)生環(huán)網(wǎng)時，將由兩段直流電源向其提供短路電流，短路電流增大。而空開級差配合是根據(jù)單套直流電源系統(tǒng)整定值進行，因此，環(huán)網(wǎng)故障極易引起直流空開越級跳閘，使級差配合失效，擴大事故面積。

圖7 空開級差配合失效原理

1.2.3 異極環(huán)網(wǎng)

異極環(huán)網(wǎng)指一段直流電源的正極(負極)與Ⅱ段直流電源的負極(正極)發(fā)生電氣聯(lián)系，通常由負載接線錯誤導致。異極環(huán)網(wǎng)如圖8所示，Rj表示負載電阻(環(huán)網(wǎng)等效電阻)。

圖8 異極環(huán)網(wǎng)等效電路

將開關K1和K2斷開，故障回路為:大地→Ⅱ段負極平衡橋電阻R→負載電阻Rj→Ⅰ段正極平衡橋電阻R→大地，構(gòu)成一個串聯(lián)回路。兩段直流系統(tǒng)正極對地電壓、負極對地電壓、母線電壓均不相等。Rj的數(shù)值一般很小，故一段正對地電壓約等于Ⅱ段負對地電壓。平衡橋電阻值相差較大時，其中一極對地電壓大于母線電壓，另外一極對地電壓反向，引起Ⅰ段母線正極接地，Ⅱ段母線負極接地，發(fā)出接地告警信號。此外，當平衡橋電阻遠遠大于Rj時，Rj兩端的分壓將很小，以致小于動作電壓，導致保護拒動。

2 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法

直流系統(tǒng)發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障后的物理現(xiàn)象是:其中一段的電壓將跟隨另外一段的電壓而變化。因此可根據(jù)以下幾種方法來判斷直流電源系統(tǒng)是否存在環(huán)網(wǎng)故障。

2.1 直流接地法

當其中一段母線發(fā)生接地告警時，若另外一段同時告警，則說明存在環(huán)網(wǎng)。日常檢修維護工作中也可采用人為接地方法，在任意段母線正極(或負極)與大地之間，接入50 kΩ(或更小)以上的電阻，若兩段母線對地電壓同時發(fā)生變化，則說明存在環(huán)網(wǎng)故障。

2.2 負荷電流法

一般情況下，兩段直流電源系統(tǒng)大致均分整站的負載。因此，若出現(xiàn)其中一段充電機所帶負載為零或接近零、另外一段幾乎承載整站負荷的現(xiàn)象，則說明存在環(huán)網(wǎng)，且是正負極直接環(huán)網(wǎng)(即金屬環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)電阻為零)。

2.3 電壓調(diào)節(jié)法

電壓互相鉗制是環(huán)網(wǎng)故障最直觀的物理現(xiàn)象，因此可人為地調(diào)節(jié)其中一段母線電壓，通過觀察兩段直流系統(tǒng)電壓的變化趨勢來判斷環(huán)網(wǎng)類型。以調(diào)高其中一段母線電壓為例(調(diào)低時同理)，有以下三種情況:

1)若另一段電壓隨之升高且負載電流減小，則說明存在兩極環(huán)網(wǎng)(正－正、負－負)故障，如母聯(lián)開關在合位時。

2)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)正極電壓保持不變(或變化很小)，而負極電壓(絕對值)隨之升高，則說明正極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制，因此存在正極環(huán)網(wǎng)。

3)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)負極電壓保持不變(或變化很小)，而正極電壓(絕對值)隨之升高，則說明負極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制，因此存在負極環(huán)網(wǎng)。

2.4 在線監(jiān)測法

安裝具備環(huán)網(wǎng)告警選線功能的在線絕緣監(jiān)測裝置，當兩套直流系統(tǒng)任何地點發(fā)生電氣連接現(xiàn)象，都能被及時檢測并告警。2014年以來，新安裝的絕緣監(jiān)測裝置基本都具備環(huán)網(wǎng)在線監(jiān)測功能，大大提升了系統(tǒng)運行的安全性。

3 結(jié)論

環(huán)網(wǎng)故障作為直流電源系統(tǒng)的主要絕緣故障形式之一，若不及時加以排除，將對電力系統(tǒng)造成難以估計的惡劣影響。認識并深入研究環(huán)網(wǎng)故障特征，方可實現(xiàn)故障的有效定位和排除。環(huán)網(wǎng)故障造成危害的本質(zhì)，是環(huán)網(wǎng)改變了原來獨立運行的兩套直流電源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，導致電壓、電流分配發(fā)生不符合預期的改變。環(huán)網(wǎng)故障造成的最本質(zhì)、最直觀的物理現(xiàn)象是發(fā)生互竄的兩段直流電源系統(tǒng)之間的電壓將互相影響，據(jù)此給出判斷環(huán)網(wǎng)故障的四種常用方法，對于日常工作實踐具有實際的指導意義。