变电站直流电源系统环网故障分析.pdf

37 电工电气 (2023 No.7)作者简介：张讥培(1992)，男，工程师，硕士，从事变电站二次设备检修维护工作；刘亚娟(1989)，女，工程师，硕士，从事变电站二次设备检修维护工作；程意平(1993)，女，工程师，硕士，从事变电站二次设备检修维护工作。张讥培，刘亚娟，程意平(国网河南省电力公司平顶山供电公司，河南 平顶山 467200)摘 要：随着对电网安全要求越来越高，因直流环网引起的继电保护装置拒动和误动案例也越来越多。介绍了直流环网类型及原因，并讨论了不同直流环网类型对直流电源影响表征现象和影响程度，发现按直流环网对直流系统的影响程度和紧急情况而言，两极异极环网最为严重，单极异极环网次之，同极环网影响程度最小，为现场检修人员提供了判断依据，缩短了故障查找和处理时限。关键词：直流环网；过渡电阻；对地电压中图分类号：TM711 文献标识码：B 文章编号：1007-3175(2023)07-0037-04 Abstract:As the requirements of power grid security become higher,more and more cases of refuse operation and false action of relay protection devices caused by DC ring network appear.The paper introduces the types and causes of DC ring network and discusses the ef-fects of different types of DC ring network on DC power source characterization and influence degree.From the perspective of the influence degree of DC ring network on DC system and emergency situation,bipolar heteropolar ring network is the most serious,unipolar heteropolar ring network is the second,and homopolar ring network has the least influence degree.Therefore,the above conclusion can provide judgment basis for on-site maintenance personnel and shorten the time of fault search and treatment.Key words:DC ring network;transition resistance;ground voltageZHANG Ji-pei,LIU Ya-juan,CHENG Yi-ping（State Grid Henan Electric Power Company Pingdingshan Power Supply Company,Pingdingshan 467200,China）Ring Network Fault Analysis of DC Power Source System in Substations变电站直流电源系统环网故障分析0 引言变电站直流系统主要为站内所有继电保护、自动装置、公共测控装置以及二次控制回路、断路器分合闸操作机构、事故照明等设备提供连续可靠的工作电源1-2。随着对电网安全要求越来越高，因直流环网引起的继电保护装置拒动和误动案例也越来越多，另外基于行业标准 DL/T 7242021 中明确要求绝缘监测装置要测试模拟直流环网(直流互窜)故障监测功能3，为此，快速准确分析变电站直流环网故障，保证直流系统可靠运行至关重要4-6。1 直流环网类型及原因1.1 变电站直流电源系统 在直流系统正常运行时，除绝缘监测装置的平衡桥绝缘电阻外，负荷电缆都不接地，即其绝缘电阻值为无穷大，可得整个直流系统负荷的等效正极绝缘电阻和负极绝缘电阻为无穷大，相当于开路，另外电容大小与电缆的长度有关，因现有中小变电站往紧凑型方向发展，电容往往较小7，文中暂不考虑等效电容的影响，因此变电站直流系统可简化为如图 1 所示。图1 变电站直流系统简化图R1R2+-直流电源+KM-KM变电站直流电源系统环网故障分析38电工电气 (2023 No.7)1.2 直流环网类型直流环网是指两段直流母线及其馈出支路相互发生的非正常电气连接，或两套直流系统相互发生的非正常电气连接8。直流环网的类型主要有同极环网和异极环网9，其中同极环网又可分为单极同极环网和两极同极环网，异极环网又可分为单极异极环网和两极异极环网，其简略图如图 2 所示。1.3 直流环网原因现河南电网 110 kV 及以上电压等级的变电站直流电源系统均为双重化配置，发生直流环网的几率大大增加。直流环网的原因主要有：(1)新建、扩建或技术改造的施工过程中，将有些负荷的电源线同时接入两套直流电源系统，形成的寄生回路1。(2)在倒负荷操作时，将某些负荷从一段母线转移到另一段母线后，未将原来空气开关断开，致使两套直流系统并联运行9。(3)原只有一套直流系统，再增加一套直流系统时，分配给新建直流系统的负荷，还与原有直流系统相连。2 直流环网分析直流环网问题已经成为不可忽视的现场问题，为更好地理解现场环网问题，下面逐一对各直流环网类型进行分析，结合现场维护经验和相关厂家咨询情况，直流电源系统参数设定如表 1 所示。平衡桥电阻一般设置范围为10100 k 之间1，本文拟定为 25 k进行定量分析，下面将对各直流系统环网类型分别讨论。2.1 单极异极环网当两套直流系统之间存在异极环网往往是因为新建、改造或扩建过程中，特别针对双电源设备或同屏不同设备要求两路电源时存在误接或设备内部短路，也有可能是两组电源相距较近，中间隔断灰尘较多，环境潮湿导致不同套直流系统存在异极环网，其等效电路如图 3 所示。图 3 中：UW和UY分别代表直流电源系统中正母线+KM 和负母线-KM 电压；UX和UZ分别代表直流电源系统中正母线+KM 和负母线-KM 电压。以图 3 中 M 点和 N 点为参考，根据KCL 定理得到方程式：2.1.1 非直接环网非直接环网可理解为经过渡绝缘电阻环网，这里假设取过渡绝缘电阻Rg=25 k，根据表 1 所列参数和式(1)进行计算可得：UX=58 V，UY=-58 V，UZ=-174 V，UW=174 V。此时对直流电源而言，设负极等效接地绝缘电阻Rx为：由式(2)进行计算可得Rx=12.5 k，因为Rx小于绝缘监测装置的告警阈值 25 k，所以直流电源绝缘监测装置报警，负极等效接地绝缘电阻为 12.5 k；直流电源绝缘监测装置同时也报警，正极等效接地绝缘电阻为 12.5 k。a)单极同极环网+-+-b)两极同极环网+-+-图2 直流环网类型d)两极异极环网+-+c)单极异极环网+-+-表1 直流系统参数表参数名称数值备注直流母线电压/VUN232无硅链平衡桥正极电阻/kR1、R325平衡桥负极电阻/kR2、R425绝缘电阻告警阈值/k25标准10图3 单极异极环网电路图+-+-直流电源直流电源R1R3R2R4Rg+KMUWUYUXUZ+KMN-KMM-KM(1)UX-UYRg-UYR2UWR1+=UX-UYRgUXR3-UZR4+=UX-UZ=UNUW-UY=UN(2)RxR2/(Rx+R2)R158174=变电站直流电源系统环网故障分析39 电工电气 (2023 No.7)2.1.2 直接环网直接环网可理解为金属性环网，过渡绝缘电阻Rg=0 k，即实际工作现场误接线所致，此时UX=UY=0，两套直流系统均报接地，表征现象为直流电源负母线为 0 V，直流电源正母线为 0 V，即“死”接地现象；但以上是理想状态，现场一般表现为过渡绝缘电阻为几欧姆至几十欧姆。可看出两套直流系统单极异极环网，接地绝缘电阻值等于过渡绝缘电阻值的一半，等效于过渡绝缘电阻Rg中间有一个电位零点，是否报接地告警跟过渡绝缘电阻的阻值有关。2.2 单极同极环网当两套直流系统之间存在同极环网往往是因为新建、改造或扩建过程中，领路电源混接导致的，以正-正环网为例进行说明，如图 4 所示。以图 4 中 M 点和 N 点为参考，根据 KCL 定理得到方程式：若两边都是 232 V 的直流电源系统，两组母线电压完全相等，即过渡绝缘电阻Rg上没有电流，此时直流电源系统中正负母线和直流电源系统中正负母线电压相等，正母线电压均为 116 V，负母线电压均为-116 V，对直流系统没有影响，直流绝缘监测装置不告警。上面考虑两套直流系统完全相同，但现场实际两组母线不可能完全相等，必存在电压差；为考虑其特殊性，下面以第一套系统为合闸母线与控制母线合并为同母一线，第二套系统为合闸母线与控制母线分开为两母线，第一套直流系统电压为 232 V，第二套直流系统控制母线电压为 220 V，两套系统存在第一套直流系统母线正极与第二套直流系统控制母线正极环网；为充分了解同极环网的影响，下面分别以有过渡绝缘电阻和无过渡绝缘电阻进行逐一讨论。2.2.1 有过渡绝缘电阻取过渡绝缘电阻Rg=25 k，根据表 1 所列参数和式(3)进行计算可得：UX=111.5 V，UY=-117.5 V，UZ=-108.5 V，UW=114.5 V。此时对直流电源而言，设正极等效接地绝缘电阻R1x为 954 k，对直流电源而言，设正极等效接地绝缘电阻R2x为-929 k。此时得到两套直流系统等效接地绝缘电阻绝对值均大于绝缘监测装置的告警阈值25 k，所以两套直流系统均不告警，算出R2x=-929 k，表示相当于第二套直流系统的负极并接绝缘电阻，负极绝缘有所降低。2.2.2 无过渡绝缘电阻取过渡绝缘电阻Rg=0 k，根据表 1 所列参数和式(3)进行计算，对直流电源而言，设正极等效接地绝缘电阻R1x为 470 k，正负母线对地电压分别为 113 V 和-119 V；对直流电源而言，设正极等效接地绝缘电阻R2x为-470 k，正负母线对地电压分别为 113 V 和-107 V。此时得两套直流系统等效接地绝缘电阻绝对值均大于绝缘监测装置的告警阈值 25 k，所以两套直流系统绝缘监测装置均不告警，算出R2x=-470 k，表示相当于第二套直流系统的负极并接绝缘电阻，负极绝缘有所降低。综上所述，可看出两套直流系统同极环网，等效接地绝缘电阻值都比较大，均大于绝缘监测装置的告警阈值25 k ，两套直流系统绝缘监测装置均不告警。2.3 两极同极环网两极同极环网往往是由于两组直流电源混用造成，即两组直流电源合环运行，同时为某负荷供电，其等效电路图如图 5 所示，图 5 中仅画出了直流电源系统中的负荷电缆绝缘电阻R+和R-，直流电源系统类似。(3)UX-UZ=UNUW-UY=UNUW-UXRg-UZR4UXR3+=UW-UXRgUWR1-UYR2+=图4 单极同极环网电路图+-+-直流电源直流电源R1R3R2R4Rg+KMUWUYUXUZ+KMN-KMM-KM变电站直流电源系统环网故障分析图5 两极同极环网电路图+-+-直流电源直流电源R1R3R+R2R4R-Rg+Rg-+KMUWUYUXUZ+KMN-KMM-KM40电工电气 (2023 No.7)若两边都是 232 V 的直流电源系统，两组母线电压完全相等，即过渡绝缘电阻Rg上没有电流，此时直流电源系统中正负母线和直流电源系统中正负母线电压相等，正母线电压均为 116 V，负母线电压均为-116 V，对直流系统没有影响，直流绝缘监测装置不告警；但是当不平衡桥投入运行时会告警。上面考虑两套直流系统完全相同，但现场实际两组母线不可能完全相等，必存在电压差。此时对直流电源而言，设正极等效接地绝缘电