柳呈祥，程詩龍，張元棟，任忠芳

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

直流電源系統(tǒng)主要負責(zé)發(fā)電廠和變電站內(nèi)設(shè)備的能源動力供給，其穩(wěn)定性、可靠性直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的正常運行。為提高可靠性，目前在重要場合都使用兩套直流系統(tǒng)。一般情況下，兩套直流系統(tǒng)相互獨立，不形成電氣連接[1]。但由于供電設(shè)計問題，諸多電廠和電站存在直流系統(tǒng)負載使用雙電源供電，而沒有進行電源隔離的情況，使得系統(tǒng)出現(xiàn)直流環(huán)網(wǎng)的情況[2]。環(huán)網(wǎng)直接影響到直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的正確性和可靠性，分析和研究環(huán)網(wǎng)情況，做出應(yīng)對方案尤為重要。

文獻[3]針對一起110 kV 變電站直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障查找和處理的案例，從缺陷現(xiàn)象、缺陷分析、直流環(huán)網(wǎng)故障查找及處理等方面，總結(jié)了變電站直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障查找和處理的方法。文獻[4]針對某220 kV 變電站改造過程中由于直流系統(tǒng)多點環(huán)網(wǎng)引起的直流系統(tǒng)電壓波動故障，排查并分析了故障原因，并提出了改造建議。文獻[5]研究了直流系統(tǒng)中單極、兩極、以及交流竄入接地故障類型及其檢測方法，提出了絕緣電阻、環(huán)網(wǎng)電阻及交流對地電壓的計算方法。本文介紹了直流系統(tǒng)絕緣的一般監(jiān)測方法，針對直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)模型進行了仿真研究，并在某電站機組直流系統(tǒng)進行了接地試驗，提出了在直流環(huán)網(wǎng)情況下準確監(jiān)測直流系統(tǒng)絕緣異常的思路。

1 環(huán)網(wǎng)故障

1.1 環(huán)網(wǎng)故障原因

由于設(shè)計、施工和人為操作等多方面的因素，直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障原因總結(jié)有以下幾個方面[6，7]：

（1）在進行工程的改造或者施工時接線錯誤，比如存在負荷電源線不只一組，將其連接到不同段的直流母線上；

（2）運行人員在進行負荷轉(zhuǎn)移過程中操作不當，負荷接入一段母線而未斷開原先的母線開關(guān)，使得兩端母線都給負載供電；

（3）在發(fā)電廠和變電站中的重要回路都使用雙電源供電，而在進入供電負載之前沒有進行電源的隔離，常見的有兩路電源通過二極管給重要電源供電，造成直流環(huán)網(wǎng)。

一般來說，由于接線錯誤和操作不當導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)故障解決相對簡單，但是對于第3 點提到的雙電源供電引起的環(huán)網(wǎng)則需要在設(shè)計時就考慮到，所以本文也主要針對雙電源供電引起的環(huán)網(wǎng)故障進行分析研究。

1.2 雙電源供電引起的環(huán)網(wǎng)故障

雙電源供電的原理如圖1 所示，由兩路電源對同一路負載進行供電，通過二極管切換（無擾動切換），此種方式供電會引起絕緣監(jiān)測的諸多困難，將在第三節(jié)進行深入分析。

圖1 通過二極管進行雙電源供電的原理圖

2 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測原理

在分析環(huán)網(wǎng)故障對絕緣監(jiān)測的影響之前，有必要對目前直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測的原理進行簡單介紹。目前市場上主流的絕緣監(jiān)測方法是母線監(jiān)測與支路巡檢配合，本文的研究也是基于此監(jiān)測方式展開。

2.1 母線監(jiān)測原理

母線監(jiān)測通常采用平衡橋法和不平衡橋法，本文主要針對應(yīng)用最廣的平衡橋法進行介紹。

平衡電橋法在絕緣監(jiān)測儀主機內(nèi)部設(shè)置2 個阻值相同的對地分壓電阻R1、R2，通過它們測得母線對地電壓V1、V2。平衡電橋檢測原理框圖見圖2。

圖2 直流系統(tǒng)平衡橋監(jiān)測原理圖

當RX=RY=∞時，系統(tǒng)無接地。此時，V1=V2=110 V。當系統(tǒng)單端接地時，通過方程（1）可求得單端接地電阻Rx或Ry。

2.2 支路監(jiān)測原理

支路監(jiān)測主要有交流法和直流法，由于交流法需要向直流母線注入交流信號，容易引起設(shè)備誤動或干擾設(shè)備，檢測精度也受接地電容影響，不能識別母線接地極性，已逐漸被淘汰。

直流法采用直流有源CT，不需注入交流信號。當出現(xiàn)接地時，直流CT 將直流漏電流變換為電壓或電流信號上傳至絕緣監(jiān)測儀。目前使用直流有源CT 也是進行支路監(jiān)測的主要方法。

3 仿真分析

本節(jié)主要針對機組直流系統(tǒng)存在的環(huán)路問題進行定性和定量分析，首先利用Matlab/Simulink 搭建直流系統(tǒng)的仿真模型，接著利用模型模擬母線和支路故障報警，最后針對仿真結(jié)果展開詳細分析。

為了使仿真更加符合實際情況，有如下設(shè)置：

（1）220 V 直流電源取正常運行時的數(shù)值作為參考，I 段和II 段電壓值稍有區(qū)別，電壓源取極小的內(nèi)阻；

（2）對于存在環(huán)路的負載支路，一般二極管通態(tài)壓降設(shè)為0.3 V，由于取值大小對定量分析的數(shù)值影響很小，不會影響定性分析的結(jié)果，故取值為0。

為保障分析的全面性和正確性，本節(jié)對直流獨立運行無環(huán)路和有環(huán)路的情況均進行了仿真分析。

3.1 兩段直流獨立運行無環(huán)路

對于兩段直流獨立運行無環(huán)路情況，兩段直流系統(tǒng)均投入電橋，接地點均只有電橋中間點。其中，電橋電阻R1、R2、R1’和R2’按實際設(shè)置為38.5 kΩ。對直流I 段的正極接地，由于直流系統(tǒng)的并聯(lián)關(guān)系，母線接地和支路負載接地的拓撲結(jié)構(gòu)相同。

將接地電阻設(shè)置為0.001 Ω（直接接地）。運行仿真，顯示接地電流為6.024 8 mA，I 段正負母線對地電壓分別為0 和-232 V（I 段總電壓設(shè)定為232 V）。分析得漏電流基本等于232 V/38 500 Ω=6.025 mA。觀察II 段母線電壓值，正負母線對地電壓分別為+117 V 和-117 V（II 段總電壓設(shè)定為234 V），不存在對地漏電流。接著將直流II 段接地，直流I 段正常運行，I 段也不存在對地漏電流。

綜上，當直流系統(tǒng)不存在環(huán)路且分段運行時，某一段的母線或者支路接地，不會對本段的其它支路以及另一段的母線及支路的絕緣監(jiān)測產(chǎn)生影響。

3.2 兩段直流獨立運行有環(huán)路

對于存在環(huán)路的接地主要分為兩種情形：

（1）無環(huán)路負載一點接地或任一段母線一點接地；

（2）環(huán)路負載一點接地。

3.2.1 無環(huán)路負載一點接地或任一段母線一點接地

模型基本參數(shù)設(shè)置如下：直流I段母線電壓232 V，直流II 段母線電壓234 V，內(nèi)阻為0.001 Ω，普通負載接地電阻為0.001 Ω（直接接地），I 段無環(huán)路負載為100 Ω，環(huán)路負載RL為100 Ω，I 段無環(huán)路負載為100 Ω，二極管通態(tài)壓降設(shè)為0。

圖3 兩段直流獨立運行無環(huán)路的仿真模型

圖4 對仿真后的重要電氣量進行了標注。其中，接地支路的電流大小12 mA，它的流向分別是往I段母線電橋的接地點（6.052 4 mA）以及II 段母線電橋的接地點（5.974 2 mA），I 段的平衡橋電阻R1基本被短路，沒有電流流過，II 段平衡橋電阻R1′流過的電流也非常小，僅0.051 28 mA。I 段母線正負極對地電壓為0 V 和-232 V，II 段母線正負極對地電壓為1.76 V 和-232 V（內(nèi)阻存在很小的壓降）。對環(huán)路負載進行分析，Diode1 流過電流為0A，Diode2 流過電流為5.974 1 mA，Diode3 流過電流為2.339 5 A，Diode1 流過電流為2.333 5 A。由此可見，對于雙電源供電的環(huán)路負載，①②這一對正負極接線對應(yīng)的CT 在發(fā)生接地的時候會測量出漏電流，③④這一對接線的CT 也會測量出6 mA 左右的漏電流。

圖4 無環(huán)路負載一點接地或任一段母線一點接地的仿真模型

綜上可得，當出現(xiàn)一段母線接地的情況，或者非環(huán)路負載一點接地的情況時，對于另一未發(fā)生接地直流段，也使母線電壓發(fā)生變化，此時對于環(huán)路負載來說，I 段和II 段都會監(jiān)測出接地故障。對于一般非環(huán)路未發(fā)生接地負載不會報警。實際上，接地處的電流不僅僅是由接地的這一段直流母線電壓發(fā)出，另一段未發(fā)生故障的一段電源也提供了接地電流。

3.2.2 環(huán)路負載一點接地

電路的基本參數(shù)設(shè)置與3.2.1 基本相同，只是將接地電阻的位置換到環(huán)路負載上面來，如圖5 所示，這時仿真的是環(huán)路負載接地的情況。

圖5 環(huán)路負載一點接地的仿真模型

可以看出接地支路的電流大小為12.1 mA，它的流向分別是往I 段母線電橋的接地點（6.052 4 mA）以及II 段母線電橋的接地點（6.071 mA），I 段的平衡橋電阻和II 段平衡橋電阻R1′流過的電流接近于0。I 段母線正負極對地電壓為0 V 和-232 V，II段母線正負極對地電壓為2.9 mV 和-233.74 V（內(nèi)阻存在很小的壓降）。接著對環(huán)路負載進行分析，Diode1 流過電流為6.025 4 A，Diode2 流過電流為0A，Diode3 流過電流為2.343 5 A，Diode1 流過電流為2.337 4 A。由此可見，對于雙電源供電的環(huán)路負載，測量①②這一對正負極接線的CT 在發(fā)生接地的時候會測量出漏電流，測量③④這一對接線的CT也會測量出6.1mA 左右的漏電流。

由此得出，當環(huán)路負載出現(xiàn)一點接地時，會使母線電壓發(fā)生變化，報出母線絕緣故障（電橋法計算對地絕緣），對于未發(fā)生接地的非環(huán)路負載則不會報警。

4 試驗驗證

上節(jié)針對存在環(huán)網(wǎng)支路的接地故障完成了詳細的仿真分析，本節(jié)利用某電站機組直流系統(tǒng)進行接地試驗驗證。試驗圍繞環(huán)網(wǎng)負載在接地點不同的情況下對母線和支路絕緣監(jiān)測的影響。

4.1 環(huán)網(wǎng)支路對母線絕緣監(jiān)測的影響

根據(jù)行業(yè)標準DL/T 5044-2014，現(xiàn)每段直流都分別配置了一組絕緣監(jiān)測裝置[8]，則直流系統(tǒng)實際上有兩組平衡電橋，而由于環(huán)路的影響，電橋被并聯(lián)，測量值是實際值的兩倍。

將直流系統(tǒng)I 段母線正接地，兩段電橋均投入，接地電阻為47 kΩ，此時直流電壓為232 V，正對地為96.3 V，負對地為135.7 V，母線正對地絕緣顯示為94 kΩ。

這是由于絕緣監(jiān)測儀認為接地電阻為38.5 kΩ，通過（2）式進行

而實際上由于環(huán)路引起并聯(lián)電橋的關(guān)系，接地電阻應(yīng)按照（3）式計算：

計算得Ry=47 kΩ。

綜合以上分析，環(huán)路對于母線絕緣監(jiān)測存在較大影響，使計算的對地電阻接近實際電阻的兩倍，導(dǎo)致母線絕緣計算錯誤。

4.2 環(huán)網(wǎng)支路對支路絕緣監(jiān)測的影響

4.1 節(jié)已對環(huán)網(wǎng)支路對母線絕緣監(jiān)測進行了分析，由于投入兩段電橋會對母線絕緣產(chǎn)生影響，所以對支路進行試驗時我們退出一段電橋，只投入一段電橋（試驗采取投入I 段電橋方式），經(jīng)過驗證只投入一段電橋母線絕緣監(jiān)測正常。

與仿真分析的項目一致，支路接地試驗使用以下4 種條件進行。

（1）直流系統(tǒng)I 段無環(huán)路負載或母線一點正接地、負接地；

（2）直流系統(tǒng)II 段無環(huán)路負載或母線一點正接地、負接地；（3）直流系統(tǒng)I 段環(huán)路負載正接地、負接地；（4）直流系統(tǒng)II 段環(huán)路負載正接地、負接地。經(jīng)過試驗，得到以下結(jié)論：

（1）任意一段母線一點或者非環(huán)路負載一點接地的情況時，兩段母線絕緣均告警，兩段直流環(huán)路負載均監(jiān)測出漏電流，其它非環(huán)路未發(fā)生接地負載不告警；

（2）當環(huán)路負載出現(xiàn)一點接地時，兩段母線絕緣均告警，未發(fā)生接地的非環(huán)路負載不告警。

以上母線和支路接地試驗的結(jié)論也與仿真結(jié)果一致，驗證了上節(jié)所搭建仿真模型的正確性。

5 結(jié)語

結(jié)合以上的理論仿真分析和試驗結(jié)論，本節(jié)對存在環(huán)路的直流系統(tǒng)提出以下建議：

（1）通過二極管實現(xiàn)雙電源供電的負荷，在機組歲修時進行設(shè)備改造，雙電源供電使用電源切換裝置實現(xiàn)，徹底解決環(huán)網(wǎng)引起的支路接地故障定位難的問題；

（2）對于目前存在環(huán)網(wǎng)且不具備改造條件的直流系統(tǒng)，采取只投入一段電橋的方式，保證母線絕緣監(jiān)測的準確性。