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        直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障危害分析

        2022-09-03 05:54:08曹文彬羅威陳瑞珍
        湖南電力 2022年4期
        關(guān)鍵詞:直流電源環(huán)網(wǎng)負(fù)極

        曹文彬,羅威,陳瑞珍

        (國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓變電公司,湖南長(zhǎng)沙 410004)

        0 引言

        220 kV及以上變電站運(yùn)行中,環(huán)境、檢修等因素常常導(dǎo)致兩套獨(dú)立運(yùn)行的直流電源系統(tǒng)發(fā)生非正常的電氣連接[1-2],這種電氣連接被形象地稱為直流環(huán)網(wǎng)[3-4]。環(huán)網(wǎng)故障是直流電源系統(tǒng)絕緣故障的常見(jiàn)形式之一[5-6]。直流電源系統(tǒng)和負(fù)載供電的方式導(dǎo)致環(huán)網(wǎng)故障,將造成保護(hù)裝置誤動(dòng)、拒動(dòng)、火災(zāi)、蓄電池組壽命縮短等嚴(yán)重后果[7-9],故正常運(yùn)行方式下,禁止兩套直流電源系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間環(huán)網(wǎng)運(yùn)行。

        本文分析環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因、環(huán)網(wǎng)類型,構(gòu)建直流電源系統(tǒng)不同環(huán)網(wǎng)情況下的等效電路,重點(diǎn)從電路結(jié)構(gòu)的角度分析環(huán)網(wǎng)危害的電壓表現(xiàn)形式,闡述環(huán)網(wǎng)故障危害的本質(zhì),最后結(jié)合環(huán)網(wǎng)故障的物理現(xiàn)象給出環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法。

        1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生原因及危害

        文獻(xiàn)[10]規(guī)定當(dāng)圖1中環(huán)網(wǎng)電阻小于20 kΩ時(shí),應(yīng)發(fā)出環(huán)網(wǎng)故障聲光報(bào)警信號(hào)。

        圖1 直流環(huán)網(wǎng)故障

        1.1 環(huán)網(wǎng)故障產(chǎn)生的原因

        1)接線時(shí)打混。大修技改施工時(shí),由于電纜較多,接線時(shí)易混接,導(dǎo)致某個(gè)負(fù)載由Ⅰ段正極(負(fù)極)和Ⅱ段負(fù)極(正極)供電。這是屬于較隱蔽的類型,由于負(fù)載可正常供電,運(yùn)行中不易被發(fā)現(xiàn)。

        2)倒負(fù)荷操作。將某負(fù)荷轉(zhuǎn)到另一段母線后,未斷開(kāi)原來(lái)供電的負(fù)荷開(kāi)關(guān),導(dǎo)致該負(fù)荷由兩段母線同時(shí)供電[11],從而產(chǎn)生環(huán)網(wǎng),造成了雙極環(huán)網(wǎng),如蓄電池組檢修試驗(yàn)中,在退出被試蓄電池組前需合母聯(lián)。

        3)雙電源負(fù)載。重要的保護(hù)回路采用雙電源配置[12],正常工作狀態(tài)下,只投一路,若兩路都投則造成環(huán)網(wǎng)。

        4)設(shè)備內(nèi)部隔離不徹底。某些裝置采用兩路電源(互為備用),但裝置內(nèi)部卻沒(méi)有隔離或隔離不徹底[13]。

        5)運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致絕緣老化。在同一電纜中,分屬兩段母線的供電電纜內(nèi)部破損造成環(huán)網(wǎng)[14];蓄電池組或者充電機(jī)輸出電纜共用一個(gè)通道,運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)致電纜破損產(chǎn)生環(huán)網(wǎng)。

        D礦區(qū)位于滇南,地層主要為三疊系、石炭系、泥盆系,巖性主要為頁(yè)巖、板巖、砂巖、灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、火山碎屑巖、鉛鋅礦,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4:

        1.2 環(huán)網(wǎng)故障危害及其原理分析

        直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的類型如圖2所示,有正極環(huán)網(wǎng)、負(fù)極環(huán)網(wǎng)、兩極環(huán)網(wǎng)、異極環(huán)網(wǎng)[15]。環(huán)網(wǎng)造成的危害主要有:降低絕緣監(jiān)測(cè)儀靈敏度、增加保護(hù)誤動(dòng)機(jī)會(huì)、導(dǎo)致兩段母線同時(shí)接地、引起火災(zāi)、使空開(kāi)級(jí)差配合失效、使直流電源系統(tǒng)單極對(duì)地電壓超過(guò)母線電壓等[16-17],見(jiàn)表1。

        圖2 直流環(huán)網(wǎng)故障示意

        表1 環(huán)網(wǎng)故障的危害

        1.2.1 單極環(huán)網(wǎng)

        所謂單極環(huán)網(wǎng),是指兩套直流電源系統(tǒng)發(fā)生同極性的互竄,即正極與正極或負(fù)極與負(fù)極互竄。

        1)正常情況下獨(dú)立運(yùn)行的直流電源系統(tǒng)等效電路如圖3所示(略去電容,因穩(wěn)態(tài)下電容對(duì)計(jì)算結(jié)果無(wú)影響)。R為平衡橋電阻,R0為接地電阻(為分析方便,設(shè)R=R0),V1為母線電壓,V1+、V1-分別為正負(fù)極母線對(duì)地電壓。圖3(a)為正常運(yùn)行情況下的等效電路圖,圖3(b)為正極接地后等效電路圖。

        圖3 直流電源系統(tǒng)等效電路

        根據(jù)電阻分壓原理:

        接地后正極對(duì)地電壓變化量△V=V1/2-V1/3=V1/6。故發(fā)生接地后正極對(duì)地電壓變小,且變化量為母線電壓的1/6。這是因?yàn)槟妇€對(duì)地電壓是由母線實(shí)際對(duì)地電阻分壓決定的(正比關(guān)系),故發(fā)生接地時(shí),接地極對(duì)地電阻減小,而所分得電壓降低。

        2)當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時(shí),其等效電路如圖4所示。由開(kāi)關(guān)K1、K2模擬環(huán)網(wǎng)類型。當(dāng)K1閉合時(shí),即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng),如圖4所示。

        圖4 直流系統(tǒng)正極環(huán)網(wǎng)等效電路

        設(shè)V1=V2,根據(jù)疊加定理,發(fā)生正極接地后計(jì)算得:

        接地后正極對(duì)地電壓變化量△V=V1/2-2V1/5=V1/10??梢?jiàn),在有環(huán)網(wǎng)故障的情況下,發(fā)生接地后正極對(duì)地電壓變化量為母線電壓的1/10,小于環(huán)網(wǎng)前的電壓變化量,即電壓變化敏感性降低。

        同樣電阻檢測(cè)敏感度也降低,直流系統(tǒng)絕緣檢測(cè)儀對(duì)系統(tǒng)正負(fù)極絕緣電阻的計(jì)算,是根據(jù)正負(fù)極電壓采樣值進(jìn)行的。設(shè)正極對(duì)地絕緣電阻計(jì)算值為Rx+,負(fù)極對(duì)地絕緣接地電阻計(jì)算值為Rx-,則有:

        發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)前,如圖3所示,代入V1+=V1/2、V1-=V1/3,RX-→∞,得出RX+=R0=R;此時(shí)絕緣檢測(cè)儀對(duì)于接地電阻的計(jì)算是準(zhǔn)確的。

        發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)后,如圖4所示,設(shè)此時(shí)正極絕緣電阻計(jì)算值為R1X+,絕緣檢測(cè)儀對(duì)于接地電阻的計(jì)算值按照下式確定:

        式中,V1+=2V1/5;V1-=3V1/5;RX-→∞。

        代入式(2) 可得:R1X+=2R=2R0=2RX+。即發(fā)生正極環(huán)網(wǎng)故障后,絕緣檢測(cè)儀對(duì)于接地電阻的計(jì)算值偏大,是故障前的2倍。按照告警整定值為25 kΩ計(jì)算,當(dāng)發(fā)生單極環(huán)網(wǎng)時(shí),若有一個(gè)電阻為25 kΩ的接地故障,由于實(shí)測(cè)的電阻值為50 kΩ,因而系統(tǒng)無(wú)法正常接地告警,大大降低了接地告警的靈敏度。

        除此之外,當(dāng)環(huán)網(wǎng)故障發(fā)生時(shí),電壓鉗制的作用還可能導(dǎo)致當(dāng)其中一段母線接地告警時(shí)另外一段母線也同時(shí)告警。

        1.2.2 兩極環(huán)網(wǎng)

        兩極環(huán)網(wǎng),指的是直流系統(tǒng)正極與正極、負(fù)極與負(fù)極同時(shí)發(fā)生電氣連接。將圖4中K1、K2同時(shí)閉合,即構(gòu)成兩極環(huán)網(wǎng),如圖5所示。

        圖5 直流系統(tǒng)兩極環(huán)網(wǎng)等效電路

        1)兩套直流電源系統(tǒng)平衡橋電阻相等,故兩極環(huán)網(wǎng)故障情況下,負(fù)極平衡橋電阻對(duì)地構(gòu)成的分壓效果同單極環(huán)網(wǎng)故障時(shí)的情況。設(shè)正極發(fā)生接地,則絕緣檢測(cè)儀對(duì)于電壓和接地電阻的計(jì)算結(jié)果同單極環(huán)網(wǎng)的情況,即R2X+=R1X+=2R=2RX+。因此,兩極環(huán)網(wǎng)同樣會(huì)造成接地故障監(jiān)測(cè)靈敏度降低、保護(hù)誤動(dòng)機(jī)會(huì)增加等危害。

        2)如圖6所示,2套直流系統(tǒng)發(fā)生兩極環(huán)網(wǎng)將產(chǎn)生環(huán)流,當(dāng)電纜直徑較小時(shí),流過(guò)的環(huán)流產(chǎn)生較大的熱量,積聚的熱量將導(dǎo)致火災(zāi)。其次,禁止兩段直流電源系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)的另一個(gè)重要原因是蓄電池組不能長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行,否則自放電的差異導(dǎo)致蓄電池組欠充、過(guò)充,縮短蓄電池組使用壽命。

        圖6 兩套直流系統(tǒng)環(huán)流等效電路

        3)空氣開(kāi)關(guān)裝置(以下簡(jiǎn)稱“空開(kāi)”)級(jí)差配合失效。直流電源系統(tǒng)的某一點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),如圖7所示,正常情況下將只由短路點(diǎn)所屬的直流電源向其提供短路電流;而發(fā)生環(huán)網(wǎng)時(shí),將由兩段直流電源向其提供短路電流,短路電流增大。而空開(kāi)級(jí)差配合是根據(jù)單套直流電源系統(tǒng)整定值進(jìn)行,因此,環(huán)網(wǎng)故障極易引起直流空開(kāi)越級(jí)跳閘,使級(jí)差配合失效,擴(kuò)大事故面積。

        圖7 空開(kāi)級(jí)差配合失效原理

        1.2.3 異極環(huán)網(wǎng)

        異極環(huán)網(wǎng)指一段直流電源的正極(負(fù)極)與Ⅱ段直流電源的負(fù)極(正極)發(fā)生電氣聯(lián)系,通常由負(fù)載接線錯(cuò)誤導(dǎo)致。異極環(huán)網(wǎng)如圖8所示,Rj表示負(fù)載電阻(環(huán)網(wǎng)等效電阻)。

        圖8 異極環(huán)網(wǎng)等效電路

        將開(kāi)關(guān)K1和K2斷開(kāi),故障回路為:大地→Ⅱ段負(fù)極平衡橋電阻R→負(fù)載電阻Rj→Ⅰ段正極平衡橋電阻R→大地,構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)回路。兩段直流系統(tǒng)正極對(duì)地電壓、負(fù)極對(duì)地電壓、母線電壓均不相等。Rj的數(shù)值一般很小,故一段正對(duì)地電壓約等于Ⅱ段負(fù)對(duì)地電壓。平衡橋電阻值相差較大時(shí),其中一極對(duì)地電壓大于母線電壓,另外一極對(duì)地電壓反向,引起Ⅰ段母線正極接地,Ⅱ段母線負(fù)極接地,發(fā)出接地告警信號(hào)。此外,當(dāng)平衡橋電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rj時(shí),Rj兩端的分壓將很小,以致小于動(dòng)作電壓,導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)。

        2 直流系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)故障的判斷方法

        直流系統(tǒng)發(fā)生環(huán)網(wǎng)故障后的物理現(xiàn)象是:其中一段的電壓將跟隨另外一段的電壓而變化。因此可根據(jù)以下幾種方法來(lái)判斷直流電源系統(tǒng)是否存在環(huán)網(wǎng)故障。

        2.1 直流接地法

        當(dāng)其中一段母線發(fā)生接地告警時(shí),若另外一段同時(shí)告警,則說(shuō)明存在環(huán)網(wǎng)。日常檢修維護(hù)工作中也可采用人為接地方法,在任意段母線正極(或負(fù)極)與大地之間,接入50 kΩ(或更小)以上的電阻,若兩段母線對(duì)地電壓同時(shí)發(fā)生變化,則說(shuō)明存在環(huán)網(wǎng)故障。

        2.2 負(fù)荷電流法

        一般情況下,兩段直流電源系統(tǒng)大致均分整站的負(fù)載。因此,若出現(xiàn)其中一段充電機(jī)所帶負(fù)載為零或接近零、另外一段幾乎承載整站負(fù)荷的現(xiàn)象,則說(shuō)明存在環(huán)網(wǎng),且是正負(fù)極直接環(huán)網(wǎng)(即金屬環(huán)網(wǎng),環(huán)網(wǎng)電阻為零)。

        2.3 電壓調(diào)節(jié)法

        電壓互相鉗制是環(huán)網(wǎng)故障最直觀的物理現(xiàn)象,因此可人為地調(diào)節(jié)其中一段母線電壓,通過(guò)觀察兩段直流系統(tǒng)電壓的變化趨勢(shì)來(lái)判斷環(huán)網(wǎng)類型。以調(diào)高其中一段母線電壓為例(調(diào)低時(shí)同理),有以下三種情況:

        1)若另一段電壓隨之升高且負(fù)載電流減小,則說(shuō)明存在兩極環(huán)網(wǎng)(正-正、負(fù)-負(fù))故障,如母聯(lián)開(kāi)關(guān)在合位時(shí)。

        2)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)正極電壓保持不變(或變化很小),而負(fù)極電壓(絕對(duì)值)隨之升高,則說(shuō)明正極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制,因此存在正極環(huán)網(wǎng)。

        3)若被調(diào)高的直流系統(tǒng)負(fù)極電壓保持不變(或變化很小),而正極電壓(絕對(duì)值)隨之升高,則說(shuō)明負(fù)極電壓被另一段直流系統(tǒng)鉗制,因此存在負(fù)極環(huán)網(wǎng)。

        2.4 在線監(jiān)測(cè)法

        安裝具備環(huán)網(wǎng)告警選線功能的在線絕緣監(jiān)測(cè)裝置,當(dāng)兩套直流系統(tǒng)任何地點(diǎn)發(fā)生電氣連接現(xiàn)象,都能被及時(shí)檢測(cè)并告警。2014年以來(lái),新安裝的絕緣監(jiān)測(cè)裝置基本都具備環(huán)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)功能,大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

        3 結(jié)論

        環(huán)網(wǎng)故障作為直流電源系統(tǒng)的主要絕緣故障形式之一,若不及時(shí)加以排除,將對(duì)電力系統(tǒng)造成難以估計(jì)的惡劣影響。認(rèn)識(shí)并深入研究環(huán)網(wǎng)故障特征,方可實(shí)現(xiàn)故障的有效定位和排除。環(huán)網(wǎng)故障造成危害的本質(zhì),是環(huán)網(wǎng)改變了原來(lái)獨(dú)立運(yùn)行的兩套直流電源系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu),導(dǎo)致電壓、電流分配發(fā)生不符合預(yù)期的改變。環(huán)網(wǎng)故障造成的最本質(zhì)、最直觀的物理現(xiàn)象是發(fā)生互竄的兩段直流電源系統(tǒng)之間的電壓將互相影響,據(jù)此給出判斷環(huán)網(wǎng)故障的四種常用方法,對(duì)于日常工作實(shí)踐具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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