变电站直流系统两段母线串电分析

2011-04-12李修金王乃科邓洁清袁宇波孙天宇

电力工程技术 2011年3期

李修金，王乃科，邓洁清，袁宇波，孙天宇

(1.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.无锡供电公司，江苏无锡214031)

无论是常规变电站还是智能变电站，设备的稳定运行和可靠动作都离不开直流系统。目前，继电保护装置发展到微机型继电保护后，抗干扰能力有所下降，变电站断路器接口屏由操作箱代替后，其抗干扰能力也有所下降。变电站直流系统是公用系统，如果发生绝缘异常，有可能导致保护误动作、断路器无故障跳闸，甚至可能导致变电站全停事故[1]。直流系统绝缘异常通常有一点接点、两点接点、交流串直流和两段母线正负极串电等现象。其中两段母线正负极串电的表征比较特殊，且原因较为复杂。文中借一起实际案例对两段母线正负极串电进行分析，并说明其危害。

1 现场案例

某500 kV变电站在启动试验中，当500 kV断路器进行分闸操作时，后台发出 “直流母线I段接地”和“直流母线II段接地”信号，且这2个信号同时产生。大约2 m后，这2个信号又同时复归。检修人员用万用表对两段母线电压进行实测，确定当断路器分闸的时候，直流I段母线负极完全接地，直流II段母线正极完全接地，且接地现象同时产生，约2 m后同时恢复正常。

基于这种情况进行如下分析：当断路器分闸时，I/O测控单元发出2 m的分闸脉冲，刚好与直流接点信号持续时间相吻合，可以初步判断是断路器分闸操作回路上有问题。后对断路器分闸操作回路（如图1所示）进行检查，发现如下问题。

图1中KK是I/O测控装置的分闸接点，驱动STJ继电器。STJ继电器动作后，通过2个接点分别驱动1TJQ继电器和2TJQ继电器，需要注意的是，按照双重化配置要求，1TJQ和2TJQ应分别由两段母线供电并驱动。由于施工错误，将STJ继电器一副接点（STJ-1）错接至直流II段的正极。这样当I/O测控装置发出合闸脉冲时（该脉冲持续2 m），STJ继电器动作，则由于错接，导致直流II段的正极通过1JIQ的励磁线圈（电阻值大约1.4 kΩ）[2]和直流I段的负极导通，即直流I段负极通过电阻（阻值1.4 kΩ）和直流II段正极串电。后将STJ-1接点改接至直流I段的正极，该异常现象消失。

图1 直流回路示意图

2 原因分析

2.1 星三角转换分析方法

根据上节的分析建立如图2所示的等效模型，其中R为1TJQ的励磁线圈电阻，RS为绝缘监测装置的平衡桥电阻[3]（约为50 kΩ）。

图2 等效模型

对图2的等效模型进行化简，得出如图3（a）的等效电路。根据电路原理中的Δ-Y[4]变换得出如图3（b）的等效电路图，其中：

图3 化简后的等效电路

根据电路叠加原理，得出图3(b)中的电流i1和电流i2大小相等、方向相反，所以R3上没有电流流过，K1和K2等电位，对地电压都为0。因此得出如图4所示的等效电路。

图4 等效电路

根据图4所示，I段母线负对地电压UⅠ－为：

由于R远小于RS，由式（1）得出：R1约等于R/2。带入式（3）得出：I段母线负极对地电压约为0，即出现所谓的I段母线负极完全接地。

同样可以得出II段母线正极对地电压UⅡ＋为：

由于R远小于RS，由式（2）得出：R2约等于R/2。带入式（4）得出：II段母线正极对地电压约为0 V，即出现所谓的II段母线正极完全接地。

至此，已分析出直流I段负极通过小电阻和直流II段正极串接，会导致两段母线同时直流接地报警的原因。在此基础上，作进一步分析：（1）若两段母线之间通过大电阻串接（即R电阻阻值很大），由式（3）和式（4）得出，I段母线负极对地电压就不是0，假设R=RS，则I段母线负极对地电压约为27 V。同样II段母线正极对地电压也不等于0。（2）若两段母线之间没有串接，即R无穷大，根据式（1）和式（2），有 R1=R2=RS，则由式（3）得出直流 I段母线负对地电压为55 V，没有接地现象或者绝缘异常现象。同样由式（4）得出直流II段母线正极电压也正常。

2.2 虚拟地分析方法

虚拟电路如图5所示。因为电路是对称的，可以认为在电阻R中间中存在一个虚拟的地，这样就可将直流I段母线和II段母线解耦（如图6和图7所示），各自单独分析。以I段母线为例，可以推导出：

图5 虚拟电路

图6 Ⅰ段母线接线示意图

图7 I段母线接线等效图

将 R=1.4 kΩ，RS=50 kΩ 代入：可得到 UⅠ-=-1.37 V，趋近于0。同理：

可得到：UⅡ＋=1.37 V，趋近于 0 。

同样可得到：当R趋近于无穷大时，UⅠ-=-55V，UⅡ＋=55 V；当 R 越小，电压越低，R=0 时，UⅠ-=UⅡ＋=0。其R与测量电压大小的曲线如图8所示。

图8 R与测量电压关系曲线

3 危害分析

当两段母线发生正负极串电时，其并非真的发生直流接地，但依然会造成继电器误动作（如图9所示）[5]。假设图9中出口继电器和驱动接点之间通过长电缆连接。由于长电缆对于存在分布电容，则当如图所示的K处发生一点接地，则长电缆对地电容通过K形成放电回路，而出口继电器刚好处于放电回路中。若此时直流母线正负极对地电压平衡，则放电电压为额定电压的50%，而出口继电器的动作电压按照规程规定为额定电压的55%～70%[6]，则不会动作。如此时直流母线正负极对地电压不平衡，若负极对地电压大于额定电压的55%，则放电电压大于出口继电器的动作电压，继电器将误动作。当直流两段母线发生正负极串电，会导致母线正负极对地电压严重不平衡，甚至全偏。在此情况下，若发生直流系统一点接地，极易导致继电器误动作。

图9 继电器误动示意图

4 查找串电点的方法

综上所述，若两段母线发生正负极串电，则两段母线会同时发生直流正接地、负接地现象。随着串接电阻阻值的大小不同，两段直流母线正、负极接地程度会发生变化。虽然两段母线正负极串电，不是真的发生直流接地，但是由于串电时造成两段母线对地电压不平衡，如果此时发生一点接地，则有可能导致继电器误动作，导致电网无故障跳闸，危害较大，希望专业人员引起重视。由于两段母线串电没有真正意义上的接地点，所以查找起来较为困难。

目前比较有效查找串电点的方法是小信号注入法，其基本原理是在一段母线上加小信号源，并将该母线绝缘监测装置的平衡桥退出，小信号则会通过串电电阻流入另一段母线，在从该段母线绝缘监测装置的平衡桥流入大地。通过检测小信号的流向就可查找出两段母线的串电点。