交流窜入主动防御技术在清河发电直流系统的应用

曹雷鸣 ，赵立春 ，贺国宾 ，邹学毅 ，刘伟东

(1. 辽宁清河发电有限责任公司，辽宁 铁岭 112003；2.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110181；3.南京国臣直流配电科技有限公司，江苏 南京 211100)

火电厂直流电源是厂内二次电源的重要组成部分，是继电保护和控制的直流供电电源，直流系统的用电负荷极为重要，对供电可靠性要求很高，当直流电源发生接地、交流窜入以及短路故障时都会造成继电保护装置的不正确动作[1-3]。在电厂实际运行中，由于操作人员误碰、接线错误以及恶劣天气等都会造成交流窜入直流电源系统，带来安全隐患。为了解决交流窜入直流电源带来的一系列安全问题，本文分析了交流窜入直流的原因和危害，提出了一种交流窜入直流的主动防御技术，并进行原理分析、控制与实现方案分析以及现场应用测试。

1 事故概况

2014年12月，清河发电有限责任公司9号机组发生空压机跳闸、控制盘烧毁导致直流I段母线接地故障，引起B定冷水泵跳闸、汽机PC9A3L开关跳闸，从而引起发电机断水保护等动作，最终导致机组跳闸。原因分析表明，这是一起由多个复杂原因共同作用而引起的跳闸事故，具体原因包括元器件过热、绝缘损坏、直流接地以及交流窜入直流电源等。

2 交流窜入的原因及危害

2.1 交流窜入的原因分析

交流电源一般是接地系统，直流电源是浮地系统，交直流电源是两个相互独立的系统，但在某些特殊情况下会出现交流窜入直流的现象，即交流的火线或零线与直流电源系统的正或负母线连接，分析原因如下[4-7]。

2.1.1 现场人员操作失误

由于工作人员不熟悉现场情况，专业技能不扎实，思想放松等都会造成将交流电接到直流回路上，造成交流窜入故障。

2.1.2 电缆或设备绝缘损坏

由于现场交流电缆和直流电缆大多在同一个桥架中，若电缆绝缘损坏或下降，电气设备绝缘损坏，都会造成交流和直流电缆的导线互联，造成交流窜入故障。

2.1.3 直流系统对地电容的影响

直流系统对地电容包括长距离电缆的对地分布电容和系统引入的抗干扰滤波电容，由于分布电容的存在，若交直流电缆距离较近，交流电会通过分布电容对直流电缆放电，引起交流窜入故障。

2.1.4 自然灾害

由于自然原因，会造成室外电源操作箱进水或存在大量导电尘埃，进一步会引起交流端子和直流端子存在电气连接，造成交流窜入故障。

2.2 交流窜入的危害

交流窜入直流电源系统造成的危害：直流电压出现异常或直流接地故障；引起光耦或继电器动作，开关跳闸事故，造成保护误动；造成直流熔断器熔断，引起保护拒动。

鉴于交流窜入直流电源系统带来的重大危害，《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》要求严防交流窜入直流故障的出现。

文献[5-7]介绍了防范交流窜入的保护措施，上述措施在一定程度上可以防范交流窜入故障，但各种措施也有自身的缺陷。另外，现有直流系统防范措施只能对交流窜入故障进行报警，但不能从根本上解决交流窜入故障带来的危害。

为了解决厂内直流电源系统的交流窜入问题，本文提出了一种基于电力电子技术和保护控制技术的交流窜入主动防御技术。

3 交流窜入主动防御技术原理分析

3.1 主动防御原理

对于厂内直流电源系统的交流窜入故障，目前还没有成熟的保护技术和装备，只是利用绝缘监察装置进行故障监测；在故障发生后限制故障电流及通过保护设备将线路切断，属于被动防御保护，且动作时间及切换隔离时间相对较长。

主动防御技术，即基于电力电子变换技术和保护控制技术，将交流窜入防御保护的检测原理和控制策略“双融于”电力电子变换器的硬件电路设计和控制算法设计，并有效利用变换器中高频变压器的主动隔离作用和电力电子器件的开断来实现直流电源系统交流窜入故障的主动防御、主动隔离和故障支路的快速精确定位。

另外，基于变换器自身保护功能，主动防御装置还可实现欠压、过压、过流、接地和短路保护等功能。

3.2 基于主动防御技术的厂内直流电源系统

基于主动防御保护技术，结合交流窜入故障的检测方法与控制算法，即将交流窜入故障检测方法融于变换器内部的硬件电路设计中，将交流窜入故障检测保护控制策略融于变换器自身的保护控制策略，通过软硬件“双融于”的控制方案来实现交流窜入故障的检测、保护、定位和隔离。将其串联在直流电源系统的直流母线和各条直流负载支路之间，即一条支路对应一个或多个主动防御装置，可以减小交流窜入故障影响，提高直流系统的供电可靠性[8]，如图1所示。

图1 新型直流电源系统原理图

3.3 交流窜入主动防御装置主电路拓扑与主动防御实现形式

交流窜入检测电路集成在主动防御装置中，其主电路拓扑结构采用隔离型的双管正激DC/DC变换器，如图2所示，通过隔离型DC/DC变换器来实现直流电压变换以及交流窜入故障的主动隔离和防御。

图2 主动防御装置原理和交流窜入示意图

主动防御功能的实现：交流窜入直流电源系统主动防御保护集成在电力电子变换器中，高频变压器副边侧的高频交流方波经整流后输出直流，再经电感电容滤波后输出稳定的直流电。如图2所示，当保护装置所连接支路发生交流单点接入时，交流单点无法构成回路，直流系统不受影响；当保护装置连接的支路发生交流两点接入时，由于副边侧存在整流电路以及二极管的单向导电性，交流电经过二极管后变成直流电，而对于高频变压器而言，直流电是无法通过变压器进行传递的，可以实现蓄电池组直流母线和直流支路负载母线的电气隔离，当负载侧发生故障时，由于变压器原副边电气隔离，负载侧的故障不会传递到直流母线侧，将故障限制在故障支路[9]。

交流窜入主动防御装置串联在直流母线和直流负载之间，当检测到直流负载支路发生故障时，支路装置发出故障报警信号，实现故障的快速与精准定位。

3.4 交流窜入检测原理

交流窜入检测电路原理如图3所示，通过采样电路来采集正负母线对地交流电压，由内部的数字控制器来计算交流窜入数值，进行实时监测与显示，根据软件程序中的设定的阈值来实现故障的报警，并通过通信进行故障信息上传。

图3 交流窜入检测原理图

4 交流窜入主动防御技术的应用

4.1 厂内直流电源系统改造原理

为了解决厂内直流电源系统的交流窜入故障，将厂内直流电源进行改造，增加交流窜入主动防御装置，实现直流电源系统的交流窜入故障的主动防御保护，改造方案原理如图4所示。两组蓄电池并联输出，通过主动防御装置给支路直流负荷供电，主动防御装置内部具有交流窜入主动防御保护功能，实现支路直流母线的交流窜入检测与保护。

图4 厂内直流电源系统改造原理图

4.2 厂内直流电源系统改造可靠性分析

厂内直流电源系统改造的重点在于提高系统的供电可靠性，本文将“分散风险”和“提高元件的可靠性”作为设计依据[10]，采取以下措施来提高直流系统的可靠性。

a. “分散风险”：是指两组蓄电池并联运行，一组蓄电池出现故障，系统仍能正常工作；进行蓄电池组的在线巡检与定时进行蓄电池组放电，检测电池内阻和容量，蓄电池组的状态实时上传至监控系统。

b. “提高元件的可靠性”：即通过防御装置的并联冗余配置来提高直流负载的供电可靠性，同时装置内部器件按照2倍以上裕量来设计，提高了装置自身的可靠性。

4.3 厂内直流电源系统改造试验

为了验证原理分析和现场改造方案的可行性和正确性，本文针对改造后的直流系统(DC110 V，600 Ah)进行相关的试验验证。

a. 正常情况下，直流电源系统的电压波形如图5所示。由图5可知，通道1表示蓄电池输出的直流母线电压，其数值为114 V；通道2和3为防御装置输出的正、负母线对地电压，数值分别为62.5 V和-61.5 V；输出正负母线对地电压基本对称，无交流窜入直流故障。

图5 正常情况下直流系统的输出电压波形

b. 模拟交流电(AC220 V)窜入主动防御装置的输出正母线，如图6—8所示。

图6 防御装置输出负母线对地电压和非故障支路输出电压波形

图7 防御装置输出正母线对地电压和非故障支路输出电压波形

图8 直流母线电压和输出负母线对地电压以及非故障支路母线电压波形

由图6—7可知，通道1表示直流支路1的输出母线电压，其数值为124 V；通道2和3表示直流支路2的正负母线对地电压，其峰峰值分别为(316 V，-316 V)，(200 V，-440 V)；由图8可知，通道1表示蓄电池直流母线电压，其数值为112 V；由数据和电压波形可知，交流窜入直流支路2的输出正母线，直流支路2的电压波形发生变化；而直流支路1和蓄电池直流母线电压未受交流窜入的影响，工作正常。

c. 模拟交流电(AC220 V)窜入主动防御装置输出负母线，相关波形如图9—11所示。

图9 防御装置输出正母线对地电压和非故障支路输出电压波形

图10 防御装置输出负母线对地电压和非故障支路输出电压波形

图11 直流母线电压和输出正母线对地电压以及非故障支路母线电压波形

由图9—10可知，通道1表示直流支路1的输出母线电压，数值为124 V；通道2和3表示直流支路2的正负母线对地电压，其峰峰值分别为(196 V，-436 V)，(320 V，-320 V)；由图11可知，通道1表示蓄电池直流母线电压，其数值为112 V；由数据和波形可知，交流窜入直流支路2的输出负母线，直流支路2的电压波形发生变化；而直流支路1和蓄电池直流母线电压未受交流窜入的影响，工作正常。

从图6—11可知，改造后的直流电源系统，当交流电压窜入某一直流支路正极或负极时，故障支路正、负极对地电压为直流电压与交流电压的叠加，交流窜入的极为正常的交流电压波形，而非故障支路正负极间电压依然保持稳定，直流电源的直流母线正负极之间的电压也保持不变；由于交流窜入主动防御装置的作用，非故障支路和直流母线均可正常运行，窜入的交流电被限制并主动隔离在故障支路，同时故障支路的防御装置进行故障报警，实现故障支路的精准定位，改造后的直流电源系统具有交流窜入主动防御保护功能。

5 结束语

本文介绍了一起由交流窜入直流引起的机组跳闸事故，分析了交流窜入的原因和危害，介绍了常见防范措施以及缺陷；提出了基于电力电子和保护控制的交流窜入主动防御技术，并对主动防御的原理、拓扑结构、功能实现方式、系统可靠性等进行了深入的研究和分析。交流窜入主动防御技术可以有效减小交流窜入故障的影响范围，实现对故障的主动隔离与故障线路的精准定位，提高了厂内直流电源系统供电可靠性；该技术在清河发电有限责任公司的成功应用，可为电厂直流电源系统的设计和改造提供参考。

参考文献：

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[9] 吴 鸣，刘海涛，陈文波，等.中低压直流配电系统的主动保护研究[J].中国电机工程学报，2016，36(4)：891-899.

[10] 王 丽，陈文波.基于本质安全化设计的直流系统研究[J].供用电，2016，33(3)：3-9．