变电站直流系统中交流侵入问题分析

2020-02-20陈亮

通信电源技术 2020年1期

陈亮

（国网无锡供电公司，江苏无锡 214000）

0 引言

电能是一种清洁化的高效能源，其在人们生活生产中发挥着重要作用。现阶段，人们对于电能的依赖程度不断加深，使得变电站建设项目逐渐增多。在变电站建设中，直流系统的建设及运行质量直接关系变电站电网控制的安全与稳定。一方面，直流系统能持续性地输出稳定电压，确保监控系统、继电保护、控制及信号等装置的稳定运行；另一方面，直流系统供电能应对交流系统意外中断等突发状况，保证系统整体稳定。然而在实际运行中，直流系统本身的运行也存在较大威胁，其中交流侵入是影响变电站直流系统运行稳定的关键因素。本文就变电站直流系统中交流侵入的影响及应对策略展开分析。

1 交流侵入的基本类型

交流侵入直接影响着变电站直流系统运行的稳定性与安全性。变电站运行中，低压交流侵入和高压交流侵入是直流系统交流侵入的两种基本类型[1]。

低压交流侵入与交流系统的故障有较大关系。通常，当变电站交流系统故障时，二次侧交流电源就会发生变动，并侵入到直流系统中。此时，交流系统工频分量的电压会叠加到直流系统，并对直流系统的母线电压造成扰动，降低直流系统运行的安全性与稳定性。

当一次设备发生故障且在接地电流作用下接地网局部电压升高时，就会产生高压电流侵入威胁。与低压侵入所不同的是，高压侵入会击穿二次回路的对地绝缘组织，并进入到二次系统中。随后，当高压电流再次击穿二次回路另一处绝缘薄弱位时，就会形成高压侵入。本质上，高压侵入是一种异常地电位分流现象。

2 变电站直流系统中交流侵入的影响

变电站电网运作管理中，因交流侵入而引发的直流系统故障危害性较大，尤其是因交流侵入引起的接地故障，其极易对直流系统乃至整个变电站的运行造成影响。具体地，当交流侵入引发接地故障时，单点接地会引起系统保护误动或拒动，使得保护组织往往需要承受较大的功率和电压，存在被烧毁的风险。同时，交流侵入还会使得蓄电池的电极性能受到损伤，缩短蓄电池使用寿命。此外，在一定程度上，交流侵入还会使得变电站的检测装置受损，降低检测的结果的精确性（见图1）。低压交流侵入和高压交流侵入具体影响如下。

图1 交流侵入时母线对地电压波形图

2.1 低压交流侵入的影响

低压交流侵入会使得变电站直流电系统的母线电压出现较大波动。通常，当扰动电压频率达到50 Hz时，就会出现直流系统异常状况[2]。变电站运行中，低压交流侵入最常见的类型就是二次交流电源串入直流系统。从发生机理来看，造成这一现象的原因具有多样性。例如，当工作人员接错断路器的发信号与联闭锁副接点时，就可能诱发二次交流电源串入。此外，接线失误、绝缘性能不佳等均有可能造成此类问题发生。

现阶段，针对低压交流侵入现象，我国尚未有科学、完善的解决方案。这是由于在变电站运行中，其直流系统属于不接地系统。即当发生交流侵入状况时，交流、直流母线的电压就会发生叠加，使得直流母线系统出现较大的交流分量。当这些交流分量接触到正电源后，交流电压则会在继电器线圈的作用下形成回路，并随着回路电流的增大，开关误跳的概率也会大大增加。同时，当前变电站的自动化装置较多，而当直流系统发生交流入侵时，就会对这些自动化装置的应用造成影响，情形严重时会导致自动化装置受损。例如，我国华东电网某电厂在变电站管理中，受工作人员误操作的影响，220 V交流电源线被接入到了直流电系统，当检测出该故障时，多个单元ID插件板已被烧坏，同时电厂众多开关发生了跳闸。可见，低压交流侵入对于直流系统乃至变电站有极大影响。变电站运行中，要实现低压交流侵入的有效防止，就应在避免交流分量串入直流系统的同时，进行保护装置的规范安装，进而在系统发生交流侵入的过程中，及时切段线路，实现系统损失的有效控制。

2.2 高压交流侵入的影响

高压交流侵入与交流系统绝缘性能下降有较大关系。变电站管理中，高压交流侵入的影响包括3方面。第一，一旦直流系统发生高压电流侵入，则电流会通过一些小开关，使得小开关跳闸的危害大大增加。第二，当高压交流侵入直流系统保护性设备时，就会影响继电保护装置的功能应用，并使得二次设备受损，造成更大的串电事故。第三，与低压交流侵入所不同的是，高压交流侵入对于蓄电池组、保护、控制设备也有一定威胁。尤其是当高压交流电侵入蓄电池组时，就会使得蓄电池电极性能造成影响，缩短蓄电池的使用寿命。实践过程中，要实现高压交流侵入的有效开控制，可在优化交流系统绝缘薄弱环节的基础上，降低接地网的接地电阻，进而保证变电站直流系统运行的平稳性、安全性。

3 直流系统中交流侵入的应对策略

3.1 交流侵入的研究思路

现阶段，钳位二极管方案是抵御直流系统交流侵入的主要方式[3]。具体地，当交流电压侵入直流系统后，直流系统母线回路和频率就会产生波动。在该环节中，控制电压的波动频率，就可以有效控制交流侵入对直流系统的影响。因此，在实践中，需稳定直流母线的对地电压。现阶段，直流母线多通过直流二极管替代，同时在二极管选择中，注重其功率和高压反应性能的优化。此外，还应注重二极管和一次设备保护装置的优化，如在两者一定距离外设置接地点，然后在二极管的作用下钳制母线，通过二极管保证母线的绝缘效果。一旦交流电压串入正极电流，则通过二极管切除交流分量，进而实现交流回路和小开关跳闸的有效控制。当负极电流出入交流电时，二极管对其防护功能与交流电压串入正极电流桩的防护效果一致。需注意，当入侵电流分量较高时，应通过二极管，将母线电压控制在一定范围，防止交流入侵其他回路，确保变电站直流系统电压稳定。

3.2 交流侵入的仿真实验

采用钳位二极管进行交流侵入控制中，应注重控制方案的模拟实验。一般交流侵入直流系统的仿真模拟实验采用EWB仿真程序作为支撑，然后通过仿真实验设计，可实现二极管有效性的充分验证。例如，当直流系统额定直流电压117 V时，设定母线对地电容为10 μF，则在交流侵入仿真实验中，先在未安装二极管的直流系统中进行操作。当直流系统传入交流电后，系统本身的电压会出现较大浮动。二次验证中，为直流母线系统配置二极管。仿真实验表明，母线的对地电压会变得平稳化，其电压基本会保持在110 V以内，有效地保证了直流系统的稳定性。

3.3 进行钳位二极管优化

现阶段，借助于钳位二极管优化直流系统交流侵入问题已经成为变电站现代管理的重要方式。实际应用中，为确保钳位二极管性能的有效发挥，还应注重如下要点把控。第一，控制二极管接地点的位置，避免其与一次设备距离过近。实际布置中，应将二极管布置在继保室直流屏的接地处，以有效提升二极管的运作性能，确保直流母线对地电压的稳定。第二，二极管的质量直接影响直流系统保护效果，故而在其选择中，应在确保二极管耐压性能合理的基础上，规范化的串联正、负对地二极管，防止二极管本击穿。第三，当高压交流点侵入时，二极管的防护性能相对有限，故而需进行高压入侵机理的有效分析，并在控制过程中降低接地网电阻，实现二次回路对地绝缘性能的有效优化。