消除变电站直流系统电压不平衡方法研究

高永强

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518020）

消除变电站直流系统电压不平衡方法研究

高永强

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518020）

介绍了某500 kV变电站直流电压不平衡的缺陷，阐述了直流平衡桥原理，研究了2种通过调整平衡桥电阻消除电压不平衡的解决方案，并分析了电阻调整后对保护装置的影响，最后比较了2种方式的优劣及使用时的注意事项。

直流系统；变电站；平衡桥；保护装置

0 引言

直流系统在变电站中具有十分重要的地位，保证直流系统的正常运行，特别是保持直流绝缘的良好，必须引起高度重视。某500 kV变电站自投产起，一直存在直流电压不平衡的缺陷，2段直流母线正极对地电压约为66 V，负极对地电压约为-44 V。经过多次现场检查发现系统无明显的直流接地点，开关场地内的每一条电源支路都会对直流系统的偏移产生影响，系统目前的偏移是各个支路叠加的后果。因此，需要研究一种消除直流电压不平衡的方案，同时确保该方案不会对保护装置产生消极影响。

1 直流平衡桥原理

平衡桥检测法在变电站直流系统母线绝缘检测中应用极广，其优点是受直流回路分布电容的影响小，检测速度快。由于直流母线通过平衡电阻桥接地，使地成为直流母线零电位的参考点，由此可以用万用表准确判断直流负荷设备对地有无电压。

平衡桥检测法是通过在直流母线上加一个平衡电阻接地，当直流系统出现接地情况时，接地点通过平衡桥电阻形成一个回路，通过绝缘检测装置检测对地电压可算出接地电阻，接地电阻小于告警值时装置发出接地告警，其原理如图1所示。根据DL/T856—2004《电力用直流电源监控装置》的规定，220 V直流系统的绝缘整定值为25 kΩ，110 V直流系统的绝缘整定值为7 kΩ。当装置检测到绝缘电阻低于整定值时，应可靠动作告警。

图1 平衡桥法检测直流母线绝缘原理

2 平衡桥电阻对直流电压偏移的影响

直流系统正极或负极绝缘下降时，直流系统正、负极对地电压会偏离正常值(1/2额定电压)，绝缘越低，电压偏移越大，正、负极对地电压差也越大。从绝缘检测装置灵敏度考虑，平衡桥电阻越大，电压偏移越大，灵敏度越高。从功耗、直流正负极对地电压偏移的角度考虑，平衡电阻越小越好；但平衡电阻也不能选得过小,需要和灵敏度相匹配。

3 某500 kV变电站直流系统模型

某500 kV变电站直流系统模型如图2所示，其中，R1，R2为绝缘检测装置中的平衡桥电阻，大小已知；R+，R-，C+，C-是等效的负载电阻、电容，大小未知，且随温湿度等环境的变化而变化。

图2 直流系统模型

3.1 方案1

只调整某一极的平衡桥电阻使电压达到平衡，调整后R1，R2大小不再相等。该500 kV变电站目前正极对地电压为66 V，负极对地电压为-44 V，说明负载负极电阻R-较小，绝缘性能不够好。如果要使电压达到平衡，只能采取减小R1阻值或者增大R2阻值的措施。调整之后，(R+//R1)与(R-// R2)大小相等，直流电压平衡。

3.1.1 直流系统正常运行

正常运行时，直流负载回路感受到的电压只是正负极的电压差，即110 V，而对正负极各占多少没有要求。因此，正负极电压偏移以及调整平衡桥电阻对正常运行的直流回路没有影响。

3.1.2 直流系统正极接地

直流系统正极接地时的等效电路如图3所示，其中V+为正常运行时正极对地电压，V-为正常运行时负极对地电压，C为控制电缆的对地分布电容，TJ为跳闸出口继电器(其内阻为Rj)，TJ-1为该继电器的一对节点，等效电路横型可简化成图4。

图3 直流系统正极接地时的等效模型

图4为一个简单的RC电路，通过三要素法进行计算分析后得出，跳闸出口继电器TJ两端的电压变化规律为：

其中时间常数T=(R1//R2//Rj)×C，电压变化曲线如图5所示。由图5可以看出：

(1) 直流接地前正极电压偏移越大，继电器越容易误动；

(2) 调整平衡桥时，如果采用了增大R2阻值的方法，则会造成时间常数T延长，电压衰减变慢，继电器更容易误动。

图4 直流系统正极接地时的简化模型

图5 直流系统正极接地时的电压变化曲线

3.1.3 直流系统负极接地

直流系统负极接地时的等效电路如图6所示，简化后的模型如图7所示。

图6 直流系统负极接地时的等效模型

跳闸出口继电器TJ两端的电压变化规律为：

其中T=Rj×C，电压变化曲线如图8所示，由此可以看出：

(1) 直流接地前负极电压偏移越大，继电器越容易误动；

(2) 调整平衡桥电阻对电压的衰减没有影响。

图7 直流系统负接地时的简化模型

图8 直流系统负接地时的电压变化曲线

3.1.4 出口继电器线圈接地

出口继电器线圈接地时的等效电路如图9所示。根据三要素法分析跳闸出口继电器TJ两端的电压Vj的变化规律为：

图9 出口继电器线圈接地时的等效模型

电压变化曲线如图10所示，由图10可以看出：

(1) 直流接地前负极电压偏移越大，继电器越容易误动；

(2) 平衡桥电阻R1，R2越小，衰减时间越短。

图10 出口继电器线圈接地时的电压变化曲线

综上分析，采用减小R1阻值的方法，比采用增大R2阻值的方法更好。

该500 kV变电站目前正极对地电压为66 V，负极对地电压为-44 V。已知现场平衡桥电阻R1=R2=200 kΩ，正极负载电阻R+为无穷大，则根据R1/(R2//R-)=66 V/44 V，其中R2//R-= R2×R-/(R2+R-)，计算得出R-=400 kΩ。

如果采用减小R1的方法，则计算减小后的电阻R1=(R2//R-)=R2×R-/(R2+R-) =200×400/ (200+400)=133 kΩ，即将R1减小到133 kΩ即可实现正负极电压平衡。

3.2 方案2

同时减小正负极电阻R1，R2，调整后R1，R2大小仍相等。根据上述计算结果，负极负载电阻R-=400 kΩ。现同时减小平衡桥电阻，假定减小为R1=R2=50 kΩ,则负极电阻为R2//R-=R2× R-/R2+R-=44.4 kΩ,正极电压为[50/(44.4+50)]× 110=58.2 V，负极电压为110-58.2=51.8 V，电压偏移状况有所好转。

根据《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》第4.1条的要求：“应装设直流电源回路绝缘监视装置，但必须用高内阻仪表实现，220 V的高内阻不小于20 kΩ，110 V的高内阻不小于10 kΩ”。当前的不平衡桥电阻为200 kΩ,适当减小在规程上是允许的。

该方案只能在一定程度上减小电压偏移，不能完全消除。同时，该方案降低了接地检测装置的灵敏性。

4 2种方案的比较

4.1 比较表

2种方案的比较如表1所示。

表1 2种方案比较

4.2 具体分析

(1) 根据以上分析可知，消除电压不平衡是必要的，否则某一点接地时极易造成保护误动。

(2) 2种方案都不能从根本上消除绝缘下降现状，只是减小了电压偏移。

方案1在绝缘下降值恒定的情况下使用，可以补偿电压偏移，但现场绝缘是随环境变化而变化的，如果绝缘恢复正常水平，反而会使正负极电压产生偏移。且此方案无应用先例，应慎重考虑。

方案2是在降低检测灵敏度的前提下减小电压偏移，起缓和影响的作用，且《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》有明确要求，只要在大于要求值的范围内取合适值都是可以的。此方案除减小了检测灵敏度外，其检测准确性并没改变，可真实反应接地情况。

(3) 若采用方案1(即只减小正平衡桥电阻)，建议先做好数据分析统计工作，可每日记录一段时期内正负极电压的变化情况，涵盖各种天气下的数据，然后取一个折中值。

1 DL/T856—2004电力用直流电源监控装置[S].

2 甘景福．直流系统间的寄生回路造成的直流假接地现象[J]．华北电力技术，2004(2).

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4 魏伟明，魏秉国．直流系统负极一点接地致开关跳闸原因分析[J]．继电器，2008(5).

5 王振彦．直流接地引起断路器跳闸情况分析[J]．上海电力，2001(1).

6 李润平，温 泉．直流系统接地故障分析[J]．华电技术，2008(2).

7 张 帆．直流系统接地故障探讨[J]．电力安全技术，2012(10).

2014-06-24。

高永强(1986-)，男，工程师，主要从事继电保护维护工作，email:304487719@qq.com。