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(diào)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(diào)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(guān)場地內(nèi)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(diào)整某一極的平衡橋電阻使電壓達到平衡，調(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)整后R1，R2大小仍相等。根據(jù)上述計算結(jié)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(zhuǎn)。

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(yīng)裝設(shè)直流電源回路絕緣監(jiān)視裝置，但必須用高內(nèi)阻儀表實現(xiàn)，220 V的高內(nèi)阻不小于20 kΩ，110 V的高內(nèi)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(fù)正常水平，反而會使正負極電壓產(chǎn)生偏移。且此方案無應(yīng)用先例，應(yīng)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(nèi)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(yīng)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(nèi)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(shù)，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(guān)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(shù)，2008(2).

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