高永強

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020）

消除變電站直流系統(tǒng)電壓不平衡方法研究

高永強

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518020）

介紹了某500 kV變電站直流電壓不平衡的缺陷，闡述了直流平衡橋原理，研究了2種通過調整平衡橋電阻消除電壓不平衡的解決方案，并分析了電阻調整后對保護裝置的影響，最后比較了2種方式的優(yōu)劣及使用時的注意事項。

直流系統(tǒng)；變電站；平衡橋；保護裝置

0 引言

直流系統(tǒng)在變電站中具有十分重要的地位，保證直流系統(tǒng)的正常運行，特別是保持直流絕緣的良好，必須引起高度重視。某500 kV變電站自投產(chǎn)起，一直存在直流電壓不平衡的缺陷，2段直流母線正極對地電壓約為66 V，負極對地電壓約為-44 V。經(jīng)過多次現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無明顯的直流接地點，開關場地內的每一條電源支路都會對直流系統(tǒng)的偏移產(chǎn)生影響，系統(tǒng)目前的偏移是各個支路疊加的后果。因此，需要研究一種消除直流電壓不平衡的方案，同時確保該方案不會對保護裝置產(chǎn)生消極影響。

1 直流平衡橋原理

平衡橋檢測法在變電站直流系統(tǒng)母線絕緣檢測中應用極廣，其優(yōu)點是受直流回路分布電容的影響小，檢測速度快。由于直流母線通過平衡電阻橋接地，使地成為直流母線零電位的參考點，由此可以用萬用表準確判斷直流負荷設備對地有無電壓。

平衡橋檢測法是通過在直流母線上加一個平衡電阻接地，當直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地情況時，接地點通過平衡橋電阻形成一個回路，通過絕緣檢測裝置檢測對地電壓可算出接地電阻，接地電阻小于告警值時裝置發(fā)出接地告警，其原理如圖1所示。根據(jù)DL/T856—2004《電力用直流電源監(jiān)控裝置》的規(guī)定，220 V直流系統(tǒng)的絕緣整定值為25 kΩ，110 V直流系統(tǒng)的絕緣整定值為7 kΩ。當裝置檢測到絕緣電阻低于整定值時，應可靠動作告警。

圖1 平衡橋法檢測直流母線絕緣原理

2 平衡橋電阻對直流電壓偏移的影響

直流系統(tǒng)正極或負極絕緣下降時，直流系統(tǒng)正、負極對地電壓會偏離正常值(1/2額定電壓)，絕緣越低，電壓偏移越大，正、負極對地電壓差也越大。從絕緣檢測裝置靈敏度考慮，平衡橋電阻越大，電壓偏移越大，靈敏度越高。從功耗、直流正負極對地電壓偏移的角度考慮，平衡電阻越小越好；但平衡電阻也不能選得過小,需要和靈敏度相匹配。

3 某500 kV變電站直流系統(tǒng)模型

某500 kV變電站直流系統(tǒng)模型如圖2所示，其中，R1，R2為絕緣檢測裝置中的平衡橋電阻，大小已知；R+，R-，C+，C-是等效的負載電阻、電容，大小未知，且隨溫濕度等環(huán)境的變化而變化。

圖2 直流系統(tǒng)模型

3.1 方案1

只調整某一極的平衡橋電阻使電壓達到平衡，調整后R1，R2大小不再相等。該500 kV變電站目前正極對地電壓為66 V，負極對地電壓為-44 V，說明負載負極電阻R-較小，絕緣性能不夠好。如果要使電壓達到平衡，只能采取減小R1阻值或者增大R2阻值的措施。調整之后，(R+//R1)與(R-// R2)大小相等，直流電壓平衡。

3.1.1 直流系統(tǒng)正常運行

正常運行時，直流負載回路感受到的電壓只是正負極的電壓差，即110 V，而對正負極各占多少沒有要求。因此，正負極電壓偏移以及調整平衡橋電阻對正常運行的直流回路沒有影響。

3.1.2 直流系統(tǒng)正極接地

直流系統(tǒng)正極接地時的等效電路如圖3所示，其中V+為正常運行時正極對地電壓，V-為正常運行時負極對地電壓，C為控制電纜的對地分布電容，TJ為跳閘出口繼電器(其內阻為Rj)，TJ-1為該繼電器的一對節(jié)點，等效電路橫型可簡化成圖4。

圖3 直流系統(tǒng)正極接地時的等效模型

圖4為一個簡單的RC電路，通過三要素法進行計算分析后得出，跳閘出口繼電器TJ兩端的電壓變化規(guī)律為：

其中時間常數(shù)T=(R1//R2//Rj)×C，電壓變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出：

(1) 直流接地前正極電壓偏移越大，繼電器越容易誤動；

(2) 調整平衡橋時，如果采用了增大R2阻值的方法，則會造成時間常數(shù)T延長，電壓衰減變慢，繼電器更容易誤動。

圖4 直流系統(tǒng)正極接地時的簡化模型

圖5 直流系統(tǒng)正極接地時的電壓變化曲線

3.1.3 直流系統(tǒng)負極接地

直流系統(tǒng)負極接地時的等效電路如圖6所示，簡化后的模型如圖7所示。

圖6 直流系統(tǒng)負極接地時的等效模型

跳閘出口繼電器TJ兩端的電壓變化規(guī)律為：

其中T=Rj×C，電壓變化曲線如圖8所示，由此可以看出：

(1) 直流接地前負極電壓偏移越大，繼電器越容易誤動；

(2) 調整平衡橋電阻對電壓的衰減沒有影響。

圖7 直流系統(tǒng)負接地時的簡化模型

圖8 直流系統(tǒng)負接地時的電壓變化曲線

3.1.4 出口繼電器線圈接地

出口繼電器線圈接地時的等效電路如圖9所示。根據(jù)三要素法分析跳閘出口繼電器TJ兩端的電壓Vj的變化規(guī)律為：

圖9 出口繼電器線圈接地時的等效模型

電壓變化曲線如圖10所示，由圖10可以看出：

(1) 直流接地前負極電壓偏移越大，繼電器越容易誤動；

(2) 平衡橋電阻R1，R2越小，衰減時間越短。

圖10 出口繼電器線圈接地時的電壓變化曲線

綜上分析，采用減小R1阻值的方法，比采用增大R2阻值的方法更好。

該500 kV變電站目前正極對地電壓為66 V，負極對地電壓為-44 V。已知現(xiàn)場平衡橋電阻R1=R2=200 kΩ，正極負載電阻R+為無窮大，則根據(jù)R1/(R2//R-)=66 V/44 V，其中R2//R-= R2×R-/(R2+R-)，計算得出R-=400 kΩ。

如果采用減小R1的方法，則計算減小后的電阻R1=(R2//R-)=R2×R-/(R2+R-) =200×400/ (200+400)=133 kΩ，即將R1減小到133 kΩ即可實現(xiàn)正負極電壓平衡。

3.2 方案2

同時減小正負極電阻R1，R2，調整后R1，R2大小仍相等。根據(jù)上述計算結果，負極負載電阻R-=400 kΩ?，F(xiàn)同時減小平衡橋電阻，假定減小為R1=R2=50 kΩ,則負極電阻為R2//R-=R2× R-/R2+R-=44.4 kΩ,正極電壓為[50/(44.4+50)]× 110=58.2 V，負極電壓為110-58.2=51.8 V，電壓偏移狀況有所好轉。

根據(jù)《電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》第4.1條的要求：“應裝設直流電源回路絕緣監(jiān)視裝置，但必須用高內阻儀表實現(xiàn)，220 V的高內阻不小于20 kΩ，110 V的高內阻不小于10 kΩ”。當前的不平衡橋電阻為200 kΩ,適當減小在規(guī)程上是允許的。

該方案只能在一定程度上減小電壓偏移，不能完全消除。同時，該方案降低了接地檢測裝置的靈敏性。

4 2種方案的比較

4.1 比較表

2種方案的比較如表1所示。

表1 2種方案比較

4.2 具體分析

(1) 根據(jù)以上分析可知，消除電壓不平衡是必要的，否則某一點接地時極易造成保護誤動。

(2) 2種方案都不能從根本上消除絕緣下降現(xiàn)狀，只是減小了電壓偏移。

方案1在絕緣下降值恒定的情況下使用，可以補償電壓偏移，但現(xiàn)場絕緣是隨環(huán)境變化而變化的，如果絕緣恢復正常水平，反而會使正負極電壓產(chǎn)生偏移。且此方案無應用先例，應慎重考慮。

方案2是在降低檢測靈敏度的前提下減小電壓偏移，起緩和影響的作用，且《電力系統(tǒng)繼電保護及安全自動裝置反事故措施要點》有明確要求，只要在大于要求值的范圍內取合適值都是可以的。此方案除減小了檢測靈敏度外，其檢測準確性并沒改變，可真實反應接地情況。

(3) 若采用方案1(即只減小正平衡橋電阻)，建議先做好數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計工作，可每日記錄一段時期內正負極電壓的變化情況，涵蓋各種天氣下的數(shù)據(jù)，然后取一個折中值。

1 DL/T856—2004電力用直流電源監(jiān)控裝置[S].

2 甘景福．直流系統(tǒng)間的寄生回路造成的直流假接地現(xiàn)象[J]．華北電力技術，2004(2).

3 高 旭，胥桂仙，孫集偉，等．一起典型的500 kV失靈保護誤動分析[J]．電力系統(tǒng)自動化，2007(8).

4 魏偉明，魏秉國．直流系統(tǒng)負極一點接地致開關跳閘原因分析[J]．繼電器，2008(5).

5 王振彥．直流接地引起斷路器跳閘情況分析[J]．上海電力，2001(1).

6 李潤平，溫 泉．直流系統(tǒng)接地故障分析[J]．華電技術，2008(2).

7 張 帆．直流系統(tǒng)接地故障探討[J]．電力安全技術，2012(10).

2014-06-24。

高永強(1986-)，男，工程師，主要從事繼電保護維護工作，email:304487719@qq.com。