直流系統環(huán)網故障分析及查找方法討論

王中杰，蘇 龍

（國網山西省電力公司，山西 太原 030001）

直流系統環(huán)網故障分析及查找方法討論

王中杰，蘇 龍

（國網山西省電力公司，山西 太原 030001）

直流系統在電廠與變電站中主要供給保護回路、控制回路、事故照明回路和通信設備等重要負載；在重要的變電站和電廠均采用2套獨立的直流系統對全站（廠）直流系統設備進行供電。2套獨立的直流系統在工作失誤或者絕緣故障時發(fā)生電氣連接導致環(huán)網，環(huán)網對獨立運行的直流系統內設備存在危害性，當發(fā)生直流系統環(huán)網故障時需及時進行排查。排查環(huán)網故障需要一種安全有效的方法，通過分析環(huán)網故障，提出合理的查找環(huán)網故障方法。

直流系統環(huán)網；不平衡電流；環(huán)流；環(huán)網電路分析

0 引言

為了保證變電站（電廠）保護回路、控制回路、事故照明回路和通信設備等更為安全可靠地運行，在電廠廠房控制段和大多數110 kV站及以上電壓等級變電站大多采用2組充電機2組蓄電池，直流系統設備均衡分配到2段獨立的直流系統。重要回路設備，分別從2段去電源，互為備用，正常情況下只投運1段電源。2段獨立直流系統經母線聯絡開關還可互為備用?！?.5.6.1當直流系統發(fā)生直流互竄故障時，產品應能發(fā)出直流互竄故障告警信息；5.5.6.2產品應能選出直流互竄的故障支路?！盵1]電力行業(yè)標準明確要求在線設備具備環(huán)網故障告警選線功能，即禁止2套獨立的直流系統長期環(huán)網運行。但實際運行時，在技改工程中錯誤接線或者系統線路絕緣故障等會導致環(huán)網，2套獨立直流系統環(huán)網故障運行給電力系統的安全穩(wěn)定帶來嚴重危害[2]。

1 直流系統環(huán)網故障危害分析

直流系統環(huán)網故障的危害主要有：引發(fā)直流系統火災、降低接地故障監(jiān)測靈敏度、縮短蓄電池壽命、一點接地引起接地保護誤動、導致設備拒動、影響空開級差配合、增加接地故障查找難度和易發(fā)生接地故障等[2]。

a）引起直流系統火災。環(huán)網故障點在直流系統回路末端，當2套直流系統壓差過大時，環(huán)網支路環(huán)流電流大，易引發(fā)火災。

b）降低接地故障監(jiān)測靈敏度。獨立直流系統均配置1個獨立的人工接地回路即平衡橋回路，當環(huán)網故障時2套獨立系統有電氣連接，造成直流系統有2個人工接地回路，平衡橋原理監(jiān)測絕緣電阻的設備靈敏度受直接影響。

c）縮短蓄電池壽命。環(huán)網故障可能使2套獨立的蓄電池組并聯運行，由于蓄電池組單體電池差異性，總有部分電池處于欠充而部分電池處于過充，蓄電池長期欠充或過充狀態(tài)進行浮充運行，縮短蓄電池壽命。

d）一點接地引起接地保護誤動。環(huán)網故障發(fā)生時，多了人工接地回路，降低直流系統對地絕緣，保護回路接地時易引起保護誤動。

e）導致設備拒動。拒動設備跨接在2段母線的正和負之間，控制回路發(fā)出動作信號時拒動設備沒能量不能動作。

f）影響空開級差配合。當2套直流系統正負極同時環(huán)網時，如果發(fā)生直流系統短路故障，將由2套直流電源提供短路電流。而直流空開級差配合是單套直流電源提供短路電流為條件設計的，因此，2套直流系統正負極同時環(huán)網，將影響空開的級差配合，導致越級跳閘，擴大了直流系統停電范圍。

g）增加接地故障查找難度。環(huán)網故障產生環(huán)流，環(huán)流與接地特征信號電流相互干擾，查接地設備互感器難以分辨。

h）易發(fā)生接地故障。發(fā)生環(huán)網故障直流系統有效覆蓋面積比環(huán)網故障前擴大一倍，導致發(fā)生環(huán)網故障的概率增加一倍。

2 直流系統環(huán)網故障電路模型分析

直流系統環(huán)網故障是2段獨立直流系統存在有效的電氣回路。直流系統環(huán)網故障分為：正極—正極環(huán)網、負極—負極環(huán)網、正極—正極和負極—負極環(huán)網、正極—負極環(huán)網（見圖1—圖5）。2.1 正極環(huán)網

如圖1所示，2套獨立的直流電源正極產生電氣連接，通過兩段對地平衡橋形成有效電氣回路。圖1有以下關系式成立。

圖1 正極環(huán)網圖示

正極環(huán)網特點：2段直流系統正極對地電壓相等，負極對地電壓可能不等。

導致正極環(huán)網原因：技改時并接電壓錯接線、母聯轉換開關單極故障等。

正極環(huán)網危害：影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測靈敏度、增加接地故障查找難度和易發(fā)生接地故障。

2.2負極環(huán)網

如圖2所示，2套獨立的直流電源負極產生電氣連接，通過兩段對地平衡橋形成有效電氣回路。圖2有以下關系式成立。

圖2 傾斜方陣面上的太陽總輻射量，負極環(huán)網圖示

負極環(huán)網特點：2段直流系統負極對地電壓相等，正極對地電壓可能不等。

導致負極環(huán)網原因：技改時并接電壓錯接線、母聯轉換開關單極故障等。

負極環(huán)網危害：影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測靈敏度、增加接地故障查找難度和易發(fā)生接地故障。

2.3 兩極環(huán)網

如圖3所示，2套獨立的直流電源正極、負極產生電氣連接，2套并聯運行。圖3有以下關系式成立。

圖3 兩極環(huán)網圖示

兩極環(huán)網特點：兩段直流系統母線電壓、正極對地電壓、負極對地電壓均相等。

導致負極環(huán)網原因：技改時并接電壓錯接線、母聯轉換空開長期投運、重要負載備用電源投入運行等。

兩極環(huán)網危害：引發(fā)直流系統火災、影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測靈敏度、一點接地引起接地保護誤動、影響空開級差配合、增加接地故障查找難度和易發(fā)生接地故障。

2.4 異極環(huán)網

如圖4所示，異極環(huán)網是有設備跨接在兩段獨立電源正、負之間，故障回路通過負載、平衡橋、大地構成有效電氣回路；電路分解如圖5所示，可分解為①和②2個獨立電路疊加。

圖4 異極環(huán)網圖示

圖5 異極環(huán)網電路分解圖

異極環(huán)網特點：2段直流系統母線電壓、正極對地電壓、負極對地電壓均不相等；一段的正對地電壓約等于另一段的負對地電壓；平衡橋電阻差距大的時候會出現對地一極電壓大于母線電壓的現象，另外一極對地電壓反向。

導致負極環(huán)網原因：技改時并接電壓錯接線。兩極環(huán)網危害：導致設備拒動、一點接地引起接地保護誤動。

3 直流系統環(huán)網故障查找辦法

3.1 判斷環(huán)網方法

判斷環(huán)網故障的方法有：直流接地法、負荷電流法和調節(jié)電壓法[3]。

通過上述分析，環(huán)網故障的2套直流系統在電壓上存在關聯，當直流系統接地時對地電壓發(fā)生改變；所以在直流系統模擬接地時若兩段系統同時接地即可證明直流系統存在環(huán)網。直流接地法使用于原系統存在環(huán)網故障運行，直流系統發(fā)生接地故障時進行判斷。日常維護不建議使用直流接地法判斷，因為在故障系統模擬接地故障增加運行風險。

負荷電流法是通過觀察直流系統表計電流，在直流系統設計時直流負荷均勻分配在兩段母線上，當兩段負荷電流差距太大時可判斷為存在環(huán)網故障。該方法多用于判斷兩極環(huán)網。

通過上述分析，環(huán)網故障的2套直流系統在電壓上存在關聯，日常維護時我們人為提高一段充電機電壓，同時監(jiān)測另外一對正對地電壓和負對地電壓，當一段母線電壓發(fā)生變化時另外一段母線對地電壓隨之變化，說明兩段直流母線存在環(huán)網故障。

3.2 環(huán)網查找方法分析

環(huán)網故障多為接線錯誤，存在環(huán)網故障的直流系統多數是運行年限久遠，存在環(huán)網、寄生回路等問題，環(huán)網的環(huán)流和寄生回路的不平衡電流無法區(qū)分；兩極環(huán)網的環(huán)流在同一支路，正負極電流差為零，霍爾互感器監(jiān)測不到；諸多限制決定了環(huán)網查找不能使用直流漏電流法進行定位。查找環(huán)網故障需要特征信號方可進行有效追蹤定位查找。

3.3 對地特征信號法

如圖6所示，在環(huán)網故障的一段直流系統對地加一個特征信號源，信號源通過環(huán)網點，再通過二段的對地電阻形成回路；干擾回路有一段對地故障或者人工接地回路。使用對地特征信號法原理的設備，在查找環(huán)網故障時需退一段人工接地橋電阻，減少干擾。

圖6 對地特征信號法原理圖

3.4 母線對母線特征信號法

如圖7所示，在兩環(huán)網故障直流系統負極間加一個特征信號源，信號通過環(huán)網回路形成有效電氣回路，接地回路電阻過大，特征信號分流作用小，干擾小。母線對母線加特征信號法是較為理想的查找原理方法，對系統運行影響小、其他干擾信號小。該方法使用有一定的局限性，要求兩段直流系統母線距離近，距離過遠不方便接線。

圖7 母線對母線特征信號法

4 結論

上述分析，總結了環(huán)網故障的危害，分析環(huán)網故障現象與特征，設計2種查找環(huán)網故障的原理電氣回路。其中對地加信號查找環(huán)網故障的方法是現有環(huán)網查找儀常用的方法，設備實現比較容易，使用快捷、方便；而母線對母線加特征信號法主要使用于干擾大的系統存在環(huán)網故障，由于操作沒有對地加信號查找環(huán)網故障的方法的儀器方便，較少設備使用。使用特制的母線對母線加特征信號法儀器解決過不少的復雜系統環(huán)網，充分體現其優(yōu)越的抗干擾力。綜上分析，在選擇儀器時可結合實際運行系統需求，選擇一種實用的、更有價值的設備。

[1]中國電力企業(yè)聯合會標準化中心.DL/T 1392—2014直流電源系統絕緣監(jiān)測裝置技術條件 [S].北京：中國電力出版社，2015.

[2]徐玉鳳，云昌安，尹星光.直流系統環(huán)網故障的危害與處理[J].廣東電力，2010，23（9）：83-85.

[3]馬海霞，李傳文.直流系統環(huán)網故障的判斷及查找案例分析[J].電子制作，2014（9）：172-173.

Fault Analysis and Troubleshooting Method of DC System Ring Network

WANG Zhongjie,SU Long
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

DC system in power plants and substations mainly provides important load for protection circuits,control loops,emergency lighting and communication equipment etc.Important substations and power plants commonly adopt two independent DC systems for DC power supply.When insulation faults occur,the two sets of independent DC system will cause electric connection,then leading to ring network.Ringnetwork on the independent operation ofDCsystemequipment is harmful sothat when the fault ofringnetwork occurs in DC system,troubleshootinghas tobe done promptly.Troubleshootingringnetwork failure requires a safe and effective way.Areasonable wayto find the ringnetwork failure is put forward in this paper.

DCsystemringnetwork;unbalanced current;circulatingcurrent;circuit analysis ofringnetwork

TM732

A

1671-0320（2017）02-0027-04

2017-01-03，

2017-03-07

王中杰（1983），男，河北邢臺人，2013年畢業(yè)于華北電力大學電氣工程專業(yè)，碩士，高級工程師，從事變電運維管理工作；

蘇 龍（1976），男，山西清徐人，2001年畢業(yè)于華北電力大學智能電網研究專業(yè)，碩士，高級工程師，從事配電網建設工作。