王中杰，蘇 龍

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障分析及查找方法討論

王中杰，蘇 龍

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

直流系統(tǒng)在電廠與變電站中主要供給保護(hù)回路、控制回路、事故照明回路和通信設(shè)備等重要負(fù)載；在重要的變電站和電廠均采用2套獨(dú)立的直流系統(tǒng)對(duì)全站（廠）直流系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行供電。2套獨(dú)立的直流系統(tǒng)在工作失誤或者絕緣故障時(shí)發(fā)生電氣連接導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的直流系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備存在危害性，當(dāng)發(fā)生直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障時(shí)需及時(shí)進(jìn)行排查。排查環(huán)網(wǎng)故障需要一種安全有效的方法，通過(guò)分析環(huán)網(wǎng)故障，提出合理的查找環(huán)網(wǎng)故障方法。

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

0 引言

為了保證變電站（電廠）保護(hù)回路、控制回路、事故照明回路和通信設(shè)備等更為安全可靠地運(yùn)行，在電廠廠房控制段和大多數(shù)110 kV站及以上電壓等級(jí)變電站大多采用2組充電機(jī)2組蓄電池，直流系統(tǒng)設(shè)備均衡分配到2段獨(dú)立的直流系統(tǒng)。重要回路設(shè)備，分別從2段去電源，互為備用，正常情況下只投運(yùn)1段電源。2段獨(dú)立直流系統(tǒng)經(jīng)母線聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)還可互為備用。“5.5.6.1當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生直流互竄故障時(shí)，產(chǎn)品應(yīng)能發(fā)出直流互竄故障告警信息；5.5.6.2產(chǎn)品應(yīng)能選出直流互竄的故障支路?！盵1]電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確要求在線設(shè)備具備環(huán)網(wǎng)故障告警選線功能，即禁止2套獨(dú)立的直流系統(tǒng)長(zhǎng)期環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在技改工程中錯(cuò)誤接線或者系統(tǒng)線路絕緣故障等會(huì)導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)，2套獨(dú)立直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障運(yùn)行給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)嚴(yán)重危害[2]。

1 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障危害分析

直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的危害主要有：引發(fā)直流系統(tǒng)火災(zāi)、降低接地故障監(jiān)測(cè)靈敏度、縮短蓄電池壽命、一點(diǎn)接地引起接地保護(hù)誤動(dòng)、導(dǎo)致設(shè)備拒動(dòng)、影響空開(kāi)級(jí)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(tǒng)火災(zāi)。環(huán)網(wǎng)故障點(diǎn)在直流系統(tǒng)回路末端，當(dāng)2套直流系統(tǒng)壓差過(guò)大時(shí)，環(huán)網(wǎng)支路環(huán)流電流大，易引發(fā)火災(zāi)。

b）降低接地故障監(jiān)測(cè)靈敏度。獨(dú)立直流系統(tǒng)均配置1個(gè)獨(dú)立的人工接地回路即平衡橋回路，當(dāng)環(huán)網(wǎng)故障時(shí)2套獨(dú)立系統(tǒng)有電氣連接，造成直流系統(tǒng)有2個(gè)人工接地回路，平衡橋原理監(jiān)測(cè)絕緣電阻的設(shè)備靈敏度受直接影響。

c）縮短蓄電池壽命。環(huán)網(wǎng)故障可能使2套獨(dú)立的蓄電池組并聯(lián)運(yùn)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(guò)充，蓄電池長(zhǎng)期欠充或過(guò)充狀態(tài)進(jìn)行浮充運(yùn)行，縮短蓄電池壽命。

d）一點(diǎn)接地引起接地保護(hù)誤動(dòng)。環(huán)網(wǎng)故障發(fā)生時(shí)，多了人工接地回路，降低直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣，保護(hù)回路接地時(shí)易引起保護(hù)誤動(dòng)。

e）導(dǎo)致設(shè)備拒動(dòng)。拒動(dòng)設(shè)備跨接在2段母線的正和負(fù)之間，控制回路發(fā)出動(dòng)作信號(hào)時(shí)拒動(dòng)設(shè)備沒(méi)能量不能動(dòng)作。

f）影響空開(kāi)級(jí)差配合。當(dāng)2套直流系統(tǒng)正負(fù)極同時(shí)環(huán)網(wǎng)時(shí)，如果發(fā)生直流系統(tǒng)短路故障，將由2套直流電源提供短路電流。而直流空開(kāi)級(jí)差配合是單套直流電源提供短路電流為條件設(shè)計(jì)的，因此，2套直流系統(tǒng)正負(fù)極同時(shí)環(huán)網(wǎng)，將影響空開(kāi)的級(jí)差配合，導(dǎo)致越級(jí)跳閘，擴(kuò)大了直流系統(tǒng)停電范圍。

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

h）易發(fā)生接地故障。發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障直流系統(tǒng)有效覆蓋面積比環(huán)網(wǎng)故障前擴(kuò)大一倍，導(dǎo)致發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障的概率增加一倍。

2 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障電路模型分析

直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障是2段獨(dú)立直流系統(tǒng)存在有效的電氣回路。直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障分為：正極—正極環(huán)網(wǎng)、負(fù)極—負(fù)極環(huán)網(wǎng)、正極—正極和負(fù)極—負(fù)極環(huán)網(wǎng)、正極—負(fù)極環(huán)網(wǎng)（見(jiàn)圖1—圖5）。2.1 正極環(huán)網(wǎng)

如圖1所示，2套獨(dú)立的直流電源正極產(chǎn)生電氣連接，通過(guò)兩段對(duì)地平衡橋形成有效電氣回路。圖1有以下關(guān)系式成立。

圖1 正極環(huán)網(wǎng)圖示

正極環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：2段直流系統(tǒng)正極對(duì)地電壓相等，負(fù)極對(duì)地電壓可能不等。

導(dǎo)致正極環(huán)網(wǎng)原因：技改時(shí)并接電壓錯(cuò)接線、母聯(lián)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)單極故障等。

正極環(huán)網(wǎng)危害：影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測(cè)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(fù)極環(huán)網(wǎng)

如圖2所示，2套獨(dú)立的直流電源負(fù)極產(chǎn)生電氣連接，通過(guò)兩段對(duì)地平衡橋形成有效電氣回路。圖2有以下關(guān)系式成立。

圖2 傾斜方陣面上的太陽(yáng)總輻射量，負(fù)極環(huán)網(wǎng)圖示

負(fù)極環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：2段直流系統(tǒng)負(fù)極對(duì)地電壓相等，正極對(duì)地電壓可能不等。

導(dǎo)致負(fù)極環(huán)網(wǎng)原因：技改時(shí)并接電壓錯(cuò)接線、母聯(lián)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)單極故障等。

負(fù)極環(huán)網(wǎng)危害：影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測(cè)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(wǎng)

如圖3所示，2套獨(dú)立的直流電源正極、負(fù)極產(chǎn)生電氣連接，2套并聯(lián)運(yùn)行。圖3有以下關(guān)系式成立。

圖3 兩極環(huán)網(wǎng)圖示

兩極環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：兩段直流系統(tǒng)母線電壓、正極對(duì)地電壓、負(fù)極對(duì)地電壓均相等。

導(dǎo)致負(fù)極環(huán)網(wǎng)原因：技改時(shí)并接電壓錯(cuò)接線、母聯(lián)轉(zhuǎn)換空開(kāi)長(zhǎng)期投運(yùn)、重要負(fù)載備用電源投入運(yùn)行等。

兩極環(huán)網(wǎng)危害：引發(fā)直流系統(tǒng)火災(zāi)、影響蓄電池壽命、降低接地故障監(jiān)測(cè)靈敏度、一點(diǎn)接地引起接地保護(hù)誤動(dòng)、影響空開(kāi)級(jí)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(wǎng)

如圖4所示，異極環(huán)網(wǎng)是有設(shè)備跨接在兩段獨(dú)立電源正、負(fù)之間，故障回路通過(guò)負(fù)載、平衡橋、大地構(gòu)成有效電氣回路；電路分解如圖5所示，可分解為①和②2個(gè)獨(dú)立電路疊加。

圖4 異極環(huán)網(wǎng)圖示

圖5 異極環(huán)網(wǎng)電路分解圖

異極環(huán)網(wǎng)特點(diǎn)：2段直流系統(tǒng)母線電壓、正極對(duì)地電壓、負(fù)極對(duì)地電壓均不相等；一段的正對(duì)地電壓約等于另一段的負(fù)對(duì)地電壓；平衡橋電阻差距大的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)對(duì)地一極電壓大于母線電壓的現(xiàn)象，另外一極對(duì)地電壓反向。

導(dǎo)致負(fù)極環(huán)網(wǎng)原因：技改時(shí)并接電壓錯(cuò)接線。兩極環(huán)網(wǎng)危害：導(dǎo)致設(shè)備拒動(dòng)、一點(diǎn)接地引起接地保護(hù)誤動(dòng)。

3 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障查找辦法

3.1 判斷環(huán)網(wǎng)方法

判斷環(huán)網(wǎng)故障的方法有：直流接地法、負(fù)荷電流法和調(diào)節(jié)電壓法[3]。

通過(guò)上述分析，環(huán)網(wǎng)故障的2套直流系統(tǒng)在電壓上存在關(guān)聯(lián)，當(dāng)直流系統(tǒng)接地時(shí)對(duì)地電壓發(fā)生改變；所以在直流系統(tǒng)模擬接地時(shí)若兩段系統(tǒng)同時(shí)接地即可證明直流系統(tǒng)存在環(huán)網(wǎng)。直流接地法使用于原系統(tǒng)存在環(huán)網(wǎng)故障運(yùn)行，直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)進(jìn)行判斷。日常維護(hù)不建議使用直流接地法判斷，因?yàn)樵诠收舷到y(tǒng)模擬接地故障增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

負(fù)荷電流法是通過(guò)觀察直流系統(tǒng)表計(jì)電流，在直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)直流負(fù)荷均勻分配在兩段母線上，當(dāng)兩段負(fù)荷電流差距太大時(shí)可判斷為存在環(huán)網(wǎng)故障。該方法多用于判斷兩極環(huán)網(wǎng)。

通過(guò)上述分析，環(huán)網(wǎng)故障的2套直流系統(tǒng)在電壓上存在關(guān)聯(lián)，日常維護(hù)時(shí)我們?nèi)藶樘岣咭欢纬潆姍C(jī)電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)另外一對(duì)正對(duì)地電壓和負(fù)對(duì)地電壓，當(dāng)一段母線電壓發(fā)生變化時(shí)另外一段母線對(duì)地電壓隨之變化，說(shuō)明兩段直流母線存在環(huán)網(wǎng)故障。

3.2 環(huán)網(wǎng)查找方法分析

環(huán)網(wǎng)故障多為接線錯(cuò)誤，存在環(huán)網(wǎng)故障的直流系統(tǒng)多數(shù)是運(yùn)行年限久遠(yuǎn)，存在環(huán)網(wǎng)、寄生回路等問(wèn)題，環(huán)網(wǎng)的環(huán)流和寄生回路的不平衡電流無(wú)法區(qū)分；兩極環(huán)網(wǎng)的環(huán)流在同一支路，正負(fù)極電流差為零，霍爾互感器監(jiān)測(cè)不到；諸多限制決定了環(huán)網(wǎng)查找不能使用直流漏電流法進(jìn)行定位。查找環(huán)網(wǎng)故障需要特征信號(hào)方可進(jìn)行有效追蹤定位查找。

3.3 對(duì)地特征信號(hào)法

如圖6所示，在環(huán)網(wǎng)故障的一段直流系統(tǒng)對(duì)地加一個(gè)特征信號(hào)源，信號(hào)源通過(guò)環(huán)網(wǎng)點(diǎn)，再通過(guò)二段的對(duì)地電阻形成回路；干擾回路有一段對(duì)地故障或者人工接地回路。使用對(duì)地特征信號(hào)法原理的設(shè)備，在查找環(huán)網(wǎng)故障時(shí)需退一段人工接地橋電阻，減少干擾。

圖6 對(duì)地特征信號(hào)法原理圖

3.4 母線對(duì)母線特征信號(hào)法

如圖7所示，在兩環(huán)網(wǎng)故障直流系統(tǒng)負(fù)極間加一個(gè)特征信號(hào)源，信號(hào)通過(guò)環(huán)網(wǎng)回路形成有效電氣回路，接地回路電阻過(guò)大，特征信號(hào)分流作用小，干擾小。母線對(duì)母線加特征信號(hào)法是較為理想的查找原理方法，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行影響小、其他干擾信號(hào)小。該方法使用有一定的局限性，要求兩段直流系統(tǒng)母線距離近，距離過(guò)遠(yuǎn)不方便接線。

圖7 母線對(duì)母線特征信號(hào)法

4 結(jié)論

上述分析，總結(jié)了環(huán)網(wǎng)故障的危害，分析環(huán)網(wǎng)故障現(xiàn)象與特征，設(shè)計(jì)2種查找環(huán)網(wǎng)故障的原理電氣回路。其中對(duì)地加信號(hào)查找環(huán)網(wǎng)故障的方法是現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)查找儀常用的方法，設(shè)備實(shí)現(xiàn)比較容易，使用快捷、方便；而母線對(duì)母線加特征信號(hào)法主要使用于干擾大的系統(tǒng)存在環(huán)網(wǎng)故障，由于操作沒(méi)有對(duì)地加信號(hào)查找環(huán)網(wǎng)故障的方法的儀器方便，較少設(shè)備使用。使用特制的母線對(duì)母線加特征信號(hào)法儀器解決過(guò)不少的復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)，充分體現(xiàn)其優(yōu)越的抗干擾力。綜上分析，在選擇儀器時(shí)可結(jié)合實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)需求，選擇一種實(shí)用的、更有價(jià)值的設(shè)備。

[1]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化中心.DL/T 1392—2014直流電源系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)條件 [S].北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[2]徐玉鳳，云昌安，尹星光.直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)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(tǒng)環(huán)網(wǎng)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(tái)人，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事變電運(yùn)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(xué)智能電網(wǎng)研究專(zhuān)業(yè)，碩士，高級(jí)工程師，從事配電網(wǎng)建設(shè)工作。