交流窜入直流电源故障分析与检测

交流窜入直流电源故障分析与检测

马建民

（国网冀北电力有限公司唐山供电公司河北唐山063000）

摘要：变电站直流电源系统是保障变电站设备正常运行的血脉，它的健康状况将直接影响到变电站的安全运行。但变电站的直流电源系统实际上并不是理想的系统，常常会因直流电源设备的质量问题、外部干扰、内部扰动等原因都给直流电源系统电源质量构成污染，常常引起电气设备的误动或拒动，对变电站的安全运行构成严重威胁。而当变电站发生事故或异常情况时是否与直流电源系统有关，现有直流电源系统的监测装置无法提供对直流电源系统实时动态的监测数据，只能依赖事后的推断，缺少事发时故障信息的数据支撑。

关键词：交流窜入；直流电；故障分析

1导言

直流电源系统在变电站、发电厂中起着极其重要的作用，它就好像人体的心脏一样。在电力系统，直流电源系统在正常情况下为控制信号、继电保护、自动装置、断路器跳合闸操作回路等提供可靠的直流电源。当发生站用交流电源失电事故的情况下，直流电源系统为事故照明、交流不停电电源和事故润滑油泵以及控制信号、继电保护、自动装置、断路器跳合闸操作回路等提供直流电源。直流系统可靠与否对发电厂和变电所的安全运行起着至关重要的作用，是安全运行的保证。

2交流窜人直流系统原理

在电力系统中，由于直流供电范围大，尤其是控制直流系统，几乎涉及全厂或全站，因此直流回路电缆相当长，而电缆对地阻抗的等效回路可看成是电容与电阻并联。当设备长期运行后，控制电缆将出现老化现象，会导致直流系统对地的电容将逐渐变大。而对地电阻将逐渐变小，正常运行时直流系统的母线由蓄电池组和充电装置同时供电。而在直流系统的母线可等效为理想的110kV直流电压源，同时110kV直流系统的母线根据设计一般所带负载为事故照明、直流控制回路、微机保护装置、监控系统等电源，其中微机保护装置的直流电源模块通常采用直流逆变电源，可等效为在正、负直流系统的母线之间并接了许多滤波电容器。

3直流电源系统内环境剖析

3.1设备或器件的影响

一是绝缘监察装置的影响。在现有直流电源系统绝缘监察装置中，为避免在对地进行接地电压的检测过程中平衡电桥对测量精度的影响，往往采用单臂电桥进行测量，这就需在测量过程中对电桥正负对地回路进行分别切换。而现场检测过程中发现在电桥的切换过程中会造成直流系统电压的波动，这种频繁地波动实际上相当于给直流系统叠加了一个干扰源。在实际运行过程中，有些变电站在两段直流母线上分别配有直流系统绝缘监察，当两段母线分列运行时，两段母线上的绝缘监察装置平衡桥的中性点分别接地运行，当因故两段直流母线需并列时，应使某一段母线的绝缘监察装置的平衡桥的中性点接地点断开，如果操作人员在直流母线并列操作过程中未能正确操作将其断开，则会人为形成直流系统的两点接地，当并列前两段直流母线正负对地绝缘电阻不对称时，极易造成设备地误动。二是稳压装置动作的影响。从充电母线至控制母线配置有稳压装置的，其稳压装置一般有硅链或直流斩波器，当充电电源失电后，直流控制母线的稳压装置将会动作，造成直流控制母线电压地波动，影响直流电源的品质。如稳压装置出现故障，则对直流电源系统构成致命性威胁，所以，有些变电站的设计中，从安全的角度则取消了稳压装置。当然从控制母线的稳压控制方面则失去了调节手段。

3.2二次回路的影响

一是直流电源系统滤波电容的影响。直流电源系统为了滤去谐波一般会配置滤波电容，有些直流系统电容数值高达100μF。如此大容量的电容储备了大量的电能量，其电容积聚的能量如加载在设备动作线圈上足以使继电器动作。二是直流回路分布电容的影响。变电站的控制电缆数量众多，电缆越长其分布电容越大，由于各分布电容的并联作用，再叠加直流系统的滤波电容，使得直流系统存在较大的对地电容，当设备出口动作线圈的正极端发生接地时，由于直流系统绝缘监察装置的平衡桥有一个中性点接地存在，整个系统对地电容会通过这个中性点对动作线圈放电，极易造成设备误动作。

3.3交流窜入的影响

交直流串扰实质上也是直流接地，要严防交流窜入直流故障出现。因直流系统是通过绝缘监测装置的平衡桥接地的，正常运行时正负极对地绝缘电阻是对称的。而交流系统的零线是接地的，一旦交直流发生串扰，就会形成直流回路一点接地。因此继电保护操作回路中不允许交直流有公共接地点，以免引起交直流串扰。对于直流操作回路，由于电缆的分布电容比较大，一旦发生直流回路接地或发生交直流串扰，就会使分布电容放电，在直流操作回路中极易造成设备地误动。交流窜入的形式有多种，各种形式的窜入对直流回路的影响程度各有不同，但其危害结果却类同，极易造成设备地误动。由于设计施工的不合理，交流电源电缆与直流电缆合用，或交流电缆与直流电缆长距离并行敷设，造成交流的耦合窜入，耦合的交流分量叠加在直流电源上对直流电源的质量带来较大影响。

4引起保护误动试验

直流电源系统供电网络主要有电源正极、负极与控制回路，相比较而言，控制回路的数量远远少于正负极电源线路的数量，据目前的有关报道，发生交流窜入直流系统的接地故障主要是窜入直流系统的正负极。因此，本文仅分析交流窜入直流系统正负极引起的保护误动情况。

交流电压源UAC（220V）通过电阻R3（1kΩ）接入直流系统UDC（220V）正极与大地之间。直流系统平衡桥电阻R1、R2均为25kΩ。控制节点CKJ到跳闸继电器J（动作功率大于5W）的连接电缆对地电容C（0.13μF）。采用数字记忆示波器测量继电器J两端的电压，最高电压值为178V。按有关规程的规定，继电器J最高动作电压小于70%母线电压值，即70%×220V=154V<178V。显然，继电器J将发生误动。交流电压源UAC（220V）通过电阻R3（1kΩ）接入直流系统UDC（220V）负极与大地之间。数字记忆示波器测量继电器J两端的电压，最高电压值为192V，也高于继电器最高动作电压154V，继电器将误动。

5交流窜入故障检测

交流窜入直流系统接地故障特征是直流系统正负极对地电压中含有交流电压成分，通过检测直流系统对地电压中的交流电压幅值大小，即可判断直流系统是否发生交流窜入接地故障。交流窜入直流系统后，直流正负母线对地交流电压相同，测量任意极对地交流电压即可。采用RC电路取样直流系统正极对地交流电压，电容用于隔离直流成分。经隔离放大，进行A/D高速采样、存储，由专用CPU负责管理。可在线监测直流系统的对地交流电压，并记录10次以上故障。主要记录以下参数：一是交流窜入接地告警；二是窜入交流电压幅值；三是窜入交流时间长度及时刻。上述交流窜入信息，可用于保护误动事故分析、接地故障处理等。

6结论

首先试验表明，交流电源窜入直流系统正极或负极，都可能造成保护控制等设备发生误动。其次采用阻容元件提取直流系统对地电压中的交流成分，并进行测量，可实现交流窜入直流系统接地故障的实时告警。最后完善绝缘装置的接地故障检测功能，及时发现交流窜入接地故障，有利于减少由此产生的保护误动事故。

参考文献

[1]吴激勇.一种直流系统交流窜电故障检测及选线定位方法[J].低碳世界,2016(30):19-20.

[2]林英,李秀兰,宋敏.变电站移动式直流接地检测研究[J].科技经济导刊,2016(27):47.

[3]郭晟.一种监测交流窜入直流的方法[J].中国高新技术企业,2016(17):34-35.

[4]崔涛,刘孝刚,姜珊珊,许建刚,高翔.变电站直流电源系统故障监测装置的研制与应用[J].江苏电机工程,2016,35(02):26-30+38.

[5]杨超余,陈达民,杨磊.变电站交流窜入直流报警与录波的研究[J].电力科学与工程,2015,31(12):39-42.

[6]王洪,黄彬,林雄武,王雪楠.电力系统交流电窜入直流故障监测与定位[J].电气应用,2015,34(12):151-155.

[7]徐玉凤,张焕清.交流窜入直流电源故障分析与检测[J].供用电,2015(02):28-30.