变电站直流系统二次回路故障分析与处理方法研究

陈平芳

（广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512000）

0 引 言

近年来，变电站直流系统二次回路因为受到干扰而造成的无事故停电案例屡见不鲜，甚至可能导致变电站全面停运。为了制定有效的预防措施，相关人员必须认真研究干扰所引起的开关跳闸的原理和成因。其中，对线路干扰最严重的主要有直流接地和交直流混合接地两种情况。本文将针对这些情况进行研究和分析，提出防范措施，使线路形成二次回路的抗干扰能力，以切实保障电网安全稳定运行。

1 变电站直流系统二次回路故障分析

查找直流系统二次故障的原因应该考虑两个方面：一方面是分析不同交直流信号干扰直流系统的源头和程度，另一方面是分析接地的直流系统故障。

1.1 交直流信号的干扰

在众多的变电站一次设备和二次设备中，很多设施需要应用交流电源和直流电源。因此，电气设施会与直流供电系统、交流系统以及通信网络进行交叉，同时各种交、直流信号也会干扰电气设备。这种干扰主要表现在交流串扰、直流串扰以及直流系统电容电流干扰3个方面[1]。

1.1.1 电容电流干扰

在直流系统中，接地电容包括两个部分：第一部分是屏蔽层与芯线、对地电缆以及电缆芯线存在的分布电容；第二部分为滤波电容，存在于直流负载保护控制设备的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器中。

（1）直流电缆分布电容是两个绝缘体组成的电容器，其中导体面积和距离会影响电容量。在实际电路中，另一种形式电容器的构成也可以包括两个彼此靠近却相互绝缘的导体、构件或者其他电体，这种构成也具备电容量。这种由器件和导体组成的呈现分布状态形成的电容就是所谓的分布电容。

分布电容C的数学表达式为：

式中，ε为设定的介电常数；s为两处导体之间的相对表面积；d为导体间的距离。第一，电缆对地电容C的大小直接影响直流系统的大小。第二，一旦直流供电系统改变结构，随之而变的是电缆对地电容。分布电容存在于直流电缆中，造成直流系统有很多电容电流串入，成为直流系统不稳定的因素。同时，直流负载的稳定性也会受到这些电容电流变化的影响。

（2）直流负载滤波电容。目前，很多变电站应用了直流电源的保护测控装置，但是变电站高压电场会影响测控装置，造成这些设备的直流回路产生交流干扰电压。此外，不同程度的电磁干扰也存在于这些保护装置与测控装置之间。为了提升电磁的兼容性，可以把相应的电磁干扰提供给保护测控装置，通过EMI与测控装置的直流输入电路相连接来解决这个问题。该系统运行程序的旁路接地是基于各类干扰源通过EMI中的对地电容实施的，以实现装置的兼容性。控制设备和大量的微机保护装置设置在电力系统，滤波电容器应用在直流系统中。如果直流系统发生事故，必须要检查滤波电容和分布电容。

1.1.2 交流串扰

变电站众多的一、二次设备构成了直流系统供电网络。与诸多交流回路一起走线的直流回路，包括开关端子箱、开关机构箱、保护装置以及防误电源等。一旦交流回路发生故障，尤其是混合接线的交直流负载故障，会造成直流系统中交流电源的串入，严重时会造成直流电压的不正常波动，致使保护设备难以正常运行，甚至导致保护装置失灵。交直流串扰的原因主要包括以下3个方面。第一，交织混合在一起的直流电缆和交流电缆，经常因为绝缘层的老化出现问题而形成导电部分的接触，使其混合在直流系统中被交流电源侵入。第二，变电站改造中错误地连接了交直流系统。第三，变电设备上发生接地故障时，接地网会产生零序电流。如果接地网十分接近直流电缆，直流系统会通过直流电缆分布电容被导入接地网的零序电流。

1.1.3 直流串扰

一般情况下，220 kV及以上变电站因为直流系统的双重配置，会经常发生直流信号串扰现象。这是因为该装置的控制回路和跳闸回路都需要配置的双重化，在实施设计好改造直流系统时，易导致直流系统两段混接的现象。任何一段直流接地，两段直流都会产生接地信号，严重影响故障的查找。如果混接两段直流，会造成不存在分段的母线，增加同级两点接地的概率。直流串扰的特性表现在下面几点。第一，绝缘警报在两组直流系统的绝缘监测系统同时发出。第二，绝缘监测设备不能精确定位对接点。第三，两组直流系统的正负电压呈现下降的趋势。第四，倘若单纯地将接地故障点的空气开关打开，两组绝缘监测装置上的绝缘报警会同时消失；倘若仅仅将直流串扰触点打开，则表现为已经恢复了其中一组直流系统的绝缘能力，而另一组完全没有恢复。

1.2 直流系统接地

直流系统接地故障主要受两方面因素的影响。一是变化的母线电压对直流系统各设备的正常运行造成了严重影响。二是一旦在直流系统发生两点接地事故，容易形成保护装置的误动，严重影响电网的安全运行。因此，一旦直流系统发生接地故障，要在最短的时间内解决问题。图1为直流接地示意图。

图1 直流接地示意图

1.2.1 直流接地的原因分析

作为变电站中分布最广泛的直流系统，电缆铺设多而长，连接的设施多且回路复杂。通常情况下，变电站系统接地故障的发生几率与投运的时间长短有关系。而直流接地的原因主要包括以下几个方面。第一，气候原因。很多直流接地故障都和气候有直接关系，例如在多雨的季节，室外直流设备运行效率降低，电缆的绝缘性能差，对地绝缘电阻下降，造成直流电路正、负极接地。第二，人为原因。操作人员粗心大意，例如在实施工作操作时误碰了带电直流小母线或者误将直流端子排短接等，从而瞬间接地。再如，没有正确安装二次回路接线头、操作失误等，造成室外设施防雨不利、电缆绝缘层被损坏等。这些因素不会立刻引发直流接地，但在环境发生改变或者对设备进行操作时易发生直流接地。第三，设备因素。设备的某些缺陷会影响直流系统的运行，如刀闸、开关位置辅助接点的缺陷形成接触不良、设备原件绝缘效果不好以及绝缘功能老化等，都会造成接地故障。

1.2.2 直流接地的危害

直流接地根据接地的属性分为负接地和正接地。根据接地类型，它可划分为直接接地和间接接地。根据接地的状态，它可划分为绝缘接地、单点接地、环路接地以及多点接地。断路器误动作的原因之一是直流系统正极接地。断路器跳闸线圈由负极连接，因此一旦发生直流系统正极接地现象，断路器就会误判断而误跳[2]。断路器拒跳闸产生的根本原因是直流系统负极接地。负极接地在直流系统中发生时，如果另一点接地发生在断路器分（合）闸线圈和继电器中，将导致继电器和断路器分（合）闸线圈短接，一旦故障在一次系统中发生，将不能触发断路器回路的启动。此外，如果直流系统产生两点接地会形成短路电流，不仅会导致直流熔断器熔断，也会损坏继电器，使一次设备保护失灵。

1.2.3 直流系统两点接地

直流系统是个复杂的供电系统。诸多直流电缆端子箱汇接控制区域的一次设备、二次设备以及信号电源，将直流母线与复杂的二次回路进行连接，因此很容易发生直流接地。如果在直流系统发生一点接地现象，一般接地母线的电压会显著降低，同时升高非接地极母线电压，但没有产生短路电流，因此直流系统开关设备不会被启动。倘若不能尽快排除故障，另一点接地也由此产生，易造成保护系统的误动或者拒动。两点接地故障对直流系统危害较大，因此必须要在一点接地发生时快速消除故障。

2 变电站直流系统二次回路故障处理方法

2.1 交直流信号的干扰处理方法

首先，提高重要回路中继电器（光耦）的动作功率（一般考虑大于5 W），在规定的范围内降低继电器的动作速度，如可以适当放慢失灵启动回路中间继电器。其次，有效隔离重要光耦的开入回路，如该回路只要开入动作就能启动跳闸。隔离开入不能利用长电缆直接带光耦，而是适合利用大功率中间继电器实施隔离。最后，设计时要避免利用长电缆连接重要回路。当前最大的不利因素是保护下放和保护小室化的设计模式，其中取消分布小室布置是改进的方向，适合利用集中一个网控室的模式，避免长电缆在各小室间使用[3]。

2.2 防止直流接地或交直流混联

第一，为了确保回路的绝缘能力符合相关标准，必须强化日常巡查和维护直流系统等重要二次回路设施的力度。第二，在巡查工作开展前，相关人员必须严格分析危险点并制定安全措施，避免发生人为导致的交直流混联或者直流接地。第三，要尽量避免一套直流系统携带过多的一次间隔。当前，一套只带两串间隔的直流系统，开始应用于大型电厂的500 kV升压站。第四，设计时交直流端子应该布设在端子排的不同区域，要保持交直流端子之间的距离，同时要清晰标识交流端子。第五，同一圆盘的开关或刀闸辅助触头不能分别用于交直流回路，以防止瞬时交直流混合引起的辅助触头动作。第六，尽量避免利用220 V交流电源系统，如拆除保护室柜内的交流照明回路等。

2.3 直流接地的处理措施

必须准备好直流接地巡检的应用工具，主要包括1个万能表、1套检测直流接地设备以及1个工具箱。直流接地检查是危险系数相当高的工作，时常发生人为的两点接地事故，引发保护误动[4]，因此需采取相应的安全措施。第一，操作中禁止误碰回路。进行测试前必须认真核对回路，专人专管，杜绝出现大力拉扯电缆的现象。第二，带电间隔禁止误碰，专人实施管控，保证带电设备的距离。第三，直流馈线屏是重要对象，应预防巡查工作中直流接地的人为性。

3 直流接地检查问题

正、负接地情况存在的故障要通过直流检测装置进行检查。严格检查直流检测装置显示故障的支路数，采用万用表测量电压，确定直流系统接地故障。变电站直流系统普遍为双充双馈双电模式。通过一段带负荷的母线投一路空气开关来检查直流双母线的独立性，以保证在系统运行时两段母线独立。

综合直流检测体系检测到的故障支路数，测量支路是否真正接地。如果查到接地问题，若退出空开直流接地的情况消失，则证明该支路发生了接地现象。倘若直流接地的现象没有消失，需要更换另外的支路进行检测。倘若不能退出该空开，只能按照回路测量支路的下支路来确定接地点。确定出现直流接地的支路后，采用直流检测设备检测支路下端分支查出故障点。基于装置测量的误差性，测量过程中系统与确定的接地点分离时，待绝缘恢复正常才能真正确定接地点，随后再采取相应的处理措施。

4 结 论

无论是保护系统、控制系统还是不同种类的自动化设备中，电力系统的直流电源都起着举足轻重的作用。电力系统的稳定运行直接取决于直流系统的稳定性和安全性。当前，众多的在线检测设备和自动化设备在提升供电系统自动化和可靠性的同时，对直流系统提出了更高的要求。大型电网事故多是由直流接地或交流混合接地引起的，本文通过实践证明了采取适当措施可以避免类似事故的发生。