一种监测交流窜入直流的方法

郭晟

摘要：文章讨论了电力系统中一种监测交流窜入直流的方法，该方法是利用电容、电阻、故障录波装置实现对交流窜入直流的监测，通过故障录波装置给后台监控装置报警及记录，从而满足了二十五项反措要求。

关键词：电力系统；交流窜入直流；电力监测；电容；电阻；故障录波装置 文献标识码：A

中图分类号：TM772 文章编号：1009-2374（2016）17-0034-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.015

1 概述

针对国内多地发生多起交流窜入直流系统而发生的电力事故，国家能源局在2014年4月15日发布并实施的《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》第22项“防止发电厂、变电站全停及重要客户停电事故”的第22.2.3.22点“严防交流窜入直流事故出现”的第22.2.3.23.3条中明确规定“新建或改造的变电所，直流电源系统绝缘监测装置，应具备交流窜直流故障的测记和报警功能。原有的直流电源系统绝缘监测装置，应逐步进行改造，使其具备交流窜入直流故障的测记和报警功能”。

此方法成功研究了交流电源窜入直流电源报警功能，在不改变原有直流接地巡检仪的基础上，对提高直流电源的运行可靠性起到了较大的作用，是一种提高电力系统安全稳定运行的好方法。

2 交流窜入直流危害

交流窜入直流系统后，会导致直流系统接地，可能导致保护误动、拒跳等，以某电厂发生交流窜入直流回路为例，2005年10月25日某电厂现场维护人员在消缺过程中误将交流与直流回路短接，使交流窜入直流系统，此电厂运行的1号机组（运行时有功544MW）、4号机组（运行时有功545MW）、5号机组（运行时有功550MW）同时掉闸，500kV两台联络变压器全部跳闸，事故时各开关动作情况：5011开关分位、5012开关分位、5013开关合位，5021开关合位、5022开关分位、5023开关合位，5031开关合位、5032开关合位、5033开关合位，5041开关分位、5042开关分位、5043开关分位，5051开关分位、5052开关分位、5053开关分位；5011开关、5012开关、5022开关、5023开关、5043开关有单相重合闸和两相重合闸现象；此电厂共计甩负荷163.9万千瓦，导致电网该地区频率由50.02赫兹最低降到49.84赫兹，主网系统发生低周事故，事故发生后，华北网调马上启动低周事故处理应急预案，将备用机组开出，迅速将主网频率恢复正常，社会上未出现大面积停电以及不需要进行拉闸限电。

由此可见，当交流窜入直流系统时，可导致继电保护误动、开关跳闸，严重的可导致机组停运、线路跳闸，甚至可导致全厂或全站停电事故，对社会造成大面积停电事故，因此直流系统增加“交流窜直流故障的测记和报警功能”是迫在眉睫的事情。

3 交流窜入直流系统原理

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110V直流电压源，同时110V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，因此直流系统窜入交流电源后的等效电路如图1所示：

如图1所示，其中C为等效直流系统的母线间的电容，C1、C2为直流系统的母线等效的对地电容，R1、R2为直流系统的母线对地等效电阻，正常工况下，C1、C2电容相同，R1、R2大小相等。

第一，当从直流系统的母线负极窜入交流电源分析。当直流系统的母线的负极与220V交流电源相连时，在直流回路中交流电源可视为短路，从而将电容和电阻并联回路进行短接，因此直流系统的母线负极对地等效电阻等于0，此时，用万用表测量直流系统的母线负极对地直流电压应为0V，而直流系统的母线正极对地直流电压应为110V，相当于直流负极对地完全接地。同理，如果从直流系统的母线正极窜入220V交流电源时，就相当于直流系统的母线正极完全接地。

第二，直流系统的母线负极窜入交流电源后，由电路叠加原理可知，在交流等效电路中的直流电源相当于短路，此时万用表测量直流系统的母线正、负极对地交流电压应都为220V。若从直流系统的母线正极窜入交流电源时，直流系统的母线正极和负极对地交流电压均

为220V。

第三，交流电源接入直流系统后，交流回路会通过二次回路及其电缆的对地电容形成回路，在二次回路中流通，当电压达到一定值时，比如达到信号回路中各指示灯的电压值，指示灯会闪烁；而测量回路的仪器仪表的采样值会发生周期性波动；其中危害最大的是控制回路，当电压值达到继电器、接触器的动作电压时，会导致继电器、接触器误动作，从而导致开关跳闸、机组非停、变电站停电等重大事故的发生。同时因电流较大可能烧坏开关的跳合闸线圈。

当出现交流窜入直流系统时，能第一时间发现和区分出是否为交流窜入直流系统故障尤为重要，因此增加交流电源窜入直流电源报警功能是一项必须进行的工作。

4 交流窜入直流系统监测原理

4.1 电容器

电容器由两个极板和绝缘电介质构成，极板在两端，绝缘电介质在两块极板之间，当通电时，两块极板会带电，产生电势差（即电压），但是由于极板中间的是绝缘物质，所以电容器是不导电的，形成了电容器的独特性，既能阻止直流电流通过，又具有充放电特性，同时允许交流通过。在直流回路中，当电容器充满电，电容器是断路的；但在交流回路中，因为交流电流的方向是与时间成正弦的函数关系变化，电容器充放电的过程也随时间的变化，此时在两块极板之间形成变化电场，而这个电场也随时间变化，所以交流回路是通过电场的形式通过电容器。

4.2 监控回路

交流窜入直流系统监控回路如图2所示。利用电容器的特性，在直流系统的母线间各接入一个电容器，正常运行时，电容器在直流系统的母线间相当于断路状态。当交流窜入直流系统后，电容器与电源正极相接的极板所带的自由电子将在电场力作用下移到与电源负极相接的极板。由于失去负电荷而带正电的极板为正极，获得负电荷而带负电的极板为负极，此时在图中A点对地产生电压，如在A点与接地点之间安装一个报警继电器ZJ，那么当交流窜入直流系统后，此报警继电器ZJ会动作，而将报警继电器的动作接点接入远方监控系统或中央信号屏，同时在远方监控系统或中央信号屏上将此信号加入声光报警，那么交流窜入直流系统时，远方监控系统或中央信号屏会发声光报警，提醒运行人员及时知道此运行异常状态，从而进行处理。

4.3 具有交流窜直流故障的测记和报警功能的监测回路

交流窜入直流系统监控回路如图3所示：

如图3所示，在纯监控回路报警的方式下取A点电压接入故障录波构成测量回路。

电厂现有配置情况，直流系统装设有直流接地巡检仪，集中控制室为DCS（分布式控制系统），继电保护装有故障录波装置，如图3在直流系统的母线位置安装此报警监测回路，将报警继电器ZJ的常开接点送电缆送至DCS并做语音和光字牌报警；同时将A点电压接入现有故障录波装置的模拟量采集通道，在故障录波装置中设置好相应定值，在出现交流窜入直流系统时，可以启动故障录波进行记录，故障录波的报文可以分析和计算故障时交流窜入直流系统的大小和时间，从而满足《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》中所要求的“直流系统要具备交流窜直流故障的测记和报警功能”。

4.4 材料

自从《防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义》发布并实施后，一些经营直流系统的厂家开始生产并出售各种监测装置，而这些监测装置分两种：第一种为类似此文讨论的“监控回路”的方法，即只具备接点报警功能；第二种为本文讨论的“监测回路”的方法，具有交流窜直流故障的测记和报警功能。不管购买哪种设备均比此文所提供的方法需要的成本高的多，此文是利用现有设备进行改造，仅需购买一个报警继电器、两个电容自行配置监测回路和报警回路来实现交流窜直流故障的测记和报警功能。

5 结语

此文讨论的方法便捷，所需要的电容和报警继电器在电气二次上为常见物品，可以在各电厂和变电站推广使用，目前在湖南某电厂已安装使用，在此电厂进行交流窜入直流以及直流系统的母线进行停送电时故障录波均启动录波。

参考文献

[1] 国家能源局.防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2] 昊忠智.工业与民用建筑直流电源设计[M].北京：中国建筑出版社，2004.

（责任编辑：蒋建华）