变电站直流电源“单向寄生”问题研究

祝 凯，张贻娜

(1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

目前，变电站二次回路由保护装置、控制、信号等多组直流电源供电，一旦2组直流电源之间发生寄生，可能会导致保护误动或拒动。常见的直流电源寄生现象都是双向寄生，即2组电源空开K1，K2之间，任意拉掉其中一组空开，合上另一组空开，断开的空开下端均存在寄生电压；同时断开K1，K2，空开K1，K2下端均无寄生电压。

变电站“单向寄生”现象相对较少，但其既有寄生现象的部分特征，又有绝缘低的特征，对继电保护装置的安全稳定运行有着很大的威胁；同时与传统双向寄生完全不同，这也是对继保人员一个严峻的考验。因此，若能还原“单向寄生”现象的本质，将对电网安全和现场继保工作具有重要的意义。

1 “单向寄生”案例

1.1 缺陷描述

500 kV某变电站进行5043断路器保护定检，在检查该保护回路寄生、绝缘情况时，发现同时存在控制回路寄生和绝缘低缺陷。

1.1.1 寄生缺陷

现场量取到的对地电位数据如表1所示。该变电站直流系统电源为110 V，K1和K2分别为5043断路器第1组控制电源和第2组控制电源空开。

由表1数据可知，组合2(K1断开，K2合上)，K1回路无寄生；组合3(K1合上，K2断开)，K2回路有寄生；组合1(K1和K2同时断开时)，2回路均无寄生，认为该控制回路存在特殊的寄生缺陷。

表1 现场电位数据

1.1.2 绝缘低缺陷

2组控制回路对地绝缘电阻结果如表2所示。

表2 现场绝缘电阻数据 MΩ

根据《南方电网500 kV继电保护检验规范（2012版）》规定：接线后的屏柜在进行绝缘检查时，用1 000 V兆欧表测量电流、电压、直流、信号等回路的绝缘电阻，其绝缘电阻应大于1 MΩ。因此第1组控制回路绝缘也存在问题。

1.1.3 “单向寄生”缺陷

从原理上来讲，寄生必然是双向的，本案例表现出来的寄生却是单向的，故认为2个缺陷之间很有可能有所关联，才会导致出现这种特殊的寄生现象，因此暂将2个缺陷整合命名为“单向寄生”缺陷。

1.2 缺陷处理

经继保人员排查后，“单向寄生”缺陷消除。缺陷处理过程整理如下：

(1) 对于寄生缺陷，经排查是第2组分闸回路B，C相开关辅助接点受潮所致。更换相应接点后，合上K1，断开K2，量取K2下端电压由-16 V恢复为2 V左右，寄生现象消失；

(2) 对于绝缘低缺陷，经排查是“三相强迫动作”和“计数器”中的开关辅助接点受潮所致。更换相应接点后，绝缘恢复正常。

2 电路模型分析

针对“单向寄生”缺陷的特征，尝试建立其电路模型并进行分析，以期还原“单向寄生”现象的本质。

2.1 直流电源等效电路模型

参考相关文献，可得直流电源等效电路模型如图1所示。

在图1中，Ud为直流电源电动势；R1/R2分别为直流系统正/负极对地等效绝缘电阻；C1/C2分别为直流系统正/负极对地等效电容；R3，R4等为回路负载电阻，K1，K2等分别为直流电源所带支路空开。当变电站直流系统为110 V时，正常情况下，K1正端对地为+55 V，K1负端对地为-55 V，K2等亦同。

2.2 直流电源寄生等效电路模型

当2个直流电源之间产生寄生时，他们所供电的回路间会产生电的直接连接，可用1个电阻将2个直流电源等效电路模型连接起来，即为直流电源寄生等效电路模型，如图2所示。

图1 直流电源等效电路模型

在图2中，R3，R5分别为K1回路中A点与正/负极间的电阻，R4，R6分别为K2回路中B点与正/负极间的电阻。R7，R9分别为A，B点对地绝缘电阻，R8为K1，K2回路之间寄生电阻。

2.3 求取寄生电压

(1) K1断开，K2合上。K1寄生电压U1即为此时K1回路中A点电压：

（2）K1合上，K2断开。K2寄生电压U2即为此时K2回路中B点电压：式中，UA，UB分别为K1和K2回路中A，B 2点的电位。

2.4 求取UA和UB

当K1合上、K2断开时，要求出寄生电压U2，首先要求出UA。因为寄生点在开关辅助接点处，因此R3是K1+到开关辅助接点处的电阻，R5是开关辅助接点到K1-处的电阻。

现以第2组跳闸回路中的A相为例。

图2 直流电源寄生等效电路模型

(1) 分析第2组保护操作箱A相跳闸回路可知，因A相跳闸回路未导通，所以正电到达机构的路径为A相跳闸监视回路。若忽略电缆本身电阻，那么R3电阻即为跳闸线圈的电阻；

(2) 分析第2组机构箱A相跳闸回路可知，真正可分压的只有跳闸线圈，若忽略电缆本身电阻，R5即为跳闸线圈电阻。

查阅相关文献可知，断路器跳闸线圈电阻一般为82—102 Ω，而与其串联的电压型继电器HWJA的电阻约为6 kΩ，要远大于跳闸线圈的电阻，因此认为：R5≈0。可得：UA=UK1-=-48 V。

当K1断开，K2合上时，同理可得：UB=UK2-=-59 V。

2.5 验证直流电源寄生等效电路模型

测得K1回路对地绝缘为0，K2对地绝缘为5 MΩ，则对应到直流电源寄生等效电路模型：

R7=0，R8//R9=5 MΩ。

测得R8≈2R9，由式(1)和(2)可知，寄生电压为：U1=UB×R7/(R7+R8)=0；U2=UA×R9/(R8+R9)=-16 V。

这与表1中的现场数据相符合；当R8→∞时，U1=U2=0，无寄生，也符合实际情况，因此认为该模型符合本案例实际情况。

2.6 直流电源寄生等效电路模型普适性分析

验证了直流电源寄生等效电路模型在案例中的合理性，但该模型是否具有普适性还需要进一步分析。由于保护装置电源与控制、信号电源基本无交汇点，因此不讨论保护装置电源与控制、信号电源之间的寄生。

下面仍以K1合上、K2断开为例，在控制电源与信号电源之间有回路交汇点的前提下，寄生电压的大小仅决定于K1，因此分析的情况分为2种：K1为控制电源；K1为信号电源。

2.6.1 K1为控制电源

分析思路和前面相同，合闸回路也与分闸回路类似，跳闸线圈电阻远大于合闸线圈电阻，仍有UA=UK1-，模型仍成立。

2.6.2 K1为信号电源

根据现场经验，寄生源多为SF6压力低闭锁、弹簧未储能等接点，而信号回路中阻值较大的只有光耦元件，且该元件靠近负电端，因此有UA=UK1+。一般情况下，和信号电源寄生时，合上信号电源，断开另一电源，量取到的电位都是正电，符合实际情况，模型仍成立。

综上，直流电源寄生等效电路模型具有普适性。

3 “单向寄生”现象溯源

3.1 “单向寄生”现象的必要条件

由于寄生电压U1，U2的值取决于R7，R8和R9的相对大小，因此本文讨论时数值按3种情况来讨论：数值为0(数值相对可忽略)；数值相当(即大小成一定比例)；无穷大。

(1) K1合上、K2断开时，U2≠0；K1断开、K2合上时，U1=0，应满足：

① R7=0；

② R8与R9相当或为无穷大。

(2) K1合上、K2断开时，U2=0；K1断开、K2合上时，U1≠0，应满足：

① R9=0；

② R7与R8相当或为无穷大。

可得“单向寄生”的必要条件为：

(1) 2组电源空开KX和KY，断开KX，合上KY，空开KX下端无寄生；断开KY，合上KX，空开KY下端有寄生；同时断开KX和KY，2组空开下端均无寄生；

(2) 2组电源空开所供电的2组回路，无寄生的一组绝缘低，接近于0；有寄生的一组绝缘电阻与寄生电阻阻值相当或为无穷大。

3.2 “单向寄生”现象的本质

将“单向寄生”现象的必要条件进行深度挖掘，可得以下结论：

(1) 当出现“单向寄生”缺陷时，必然伴随着2组回路中一组绝缘低，一组绝缘正常，且绝缘低的回路无寄生，绝缘正常的回路有寄生；

(2) 出现“单向寄生”本质上是因为无寄生组的回路绝缘低，按阻值分配得到的电压为0；

(3) “单向寄生”缺陷寄生源和绝缘缺陷源必然不在同一处，否则只会表现出绝缘低缺陷，即“单向寄生”缺陷至少有2处缺陷点。

3.3 案例中“单向寄生”缺陷还原

B，C相开关辅助接点受潮但未接地，K1和K2都取了开关的辅助接点，导致2者之间产生了寄生，寄生本身是双向的，按理说U1≠0，但K1回路“三相强迫动作”和“计数器”中的开关辅助接点受潮且接地，导致R7=0，才造成了寄生是单向的表层现象，即“单向寄生”现象。

4 寄生等效电路模型推广

电路模型建立后，除了“单向寄生”现象，还可以用于分析其他寄生现象的必要条件，加深继保人员对寄生现象的理解，以下条件满足其一即可。

4.1 无寄生

(1) R8无穷大，R7和R9为任意值；

(2) R7为 0，R9为0。

4.2 双向寄生

(1) R8为0，R7和R9无穷大或相当；

(2) R7和R8数值相当，R9无穷大；

(3) R8和R9数值相当，R7无穷大；

(4) R7，R8和R9数值相当。

5 “单向寄生”缺陷对策

根据以上结论，“单向寄生”缺陷应分为寄生、绝缘低2种缺陷来处理。

5.1 消缺思路

回路一般路径为：保护屏—端子箱—机构，中间用电缆相连。因此，缺陷可能存在于5个位置：保护屏、保护屏到端子箱间电缆、端子箱、端子箱到机构电缆、机构。

对于这2种类型的的缺陷，都是采用排除法，寄生是通过解线、量电位；绝缘低是通过解线、摇绝缘的方法逐步缩小查找范围。当寄生、绝缘低缺陷同时存在时，若不清楚寄生产生的原因和影响范围，可能会导致二次回路带电摇绝缘。故缺陷查找顺序为：先查寄生、再查绝缘低。

5.2 消除寄生缺陷

对于寄生缺陷，合上K1、断开K2，首先在保护屏解开K2下的电缆，用万用表直流档一一量取端子电位，再量取电缆电位。若端子上有寄生电压，则寄生源在保护屏；若电缆上有寄生电压，则寄生源在保护屏电缆到机构的某个位置。同样的道理，通过解线、量电位的方法逐步缩小故障范围。

排查寄生缺陷的现场经验如下：

(1) 应先考虑接死寄生，即接错线导致的寄生。110 V直流系统一般显示寄生电压为+55 V或-55 V，若为接死寄生，找到接错的线修正即可；

(2) 如果不是接死寄生，主要考虑2组直流电源交汇处。取用同一继电器的2副辅助接点时，因接点受潮而导致的寄生，如SF6压力低闭锁接点、弹簧未储能接点等，尤其是敞开式机构，运行条件恶劣，很容易受潮导致寄生。

5.3 消除绝缘低缺陷

对于绝缘低缺陷，排查方法和寄生类似，不同的地方在于空开要全部断开，通过解线与摇绝缘配合，逐步缩小查找范围。

排查绝缘低缺陷的现场经验如下：

(1) 可能是由于长电缆绝缘不良导致，也有可能是辅助接点受潮导致；

(2) 若为机构处绝缘问题，首先应该查看开关端子箱、中控箱等，观察有无明显受潮、凝露现象，很多情况下是寄生源受潮导致的绝缘低，干燥处理后可消除缺陷；

(3) 机构处绝缘问题也可能是机构内辅助接点损坏导致；确认为机构问题后，转检修处理更换辅助接点后可消除缺陷。

5.4 事前防范措施

(1) 进行日常巡视工作时，应多关注端子箱、中控箱等是否受潮，加热器是否正常工作。

(2) 保护定检中做好寄生、绝缘检查，有问题及时处理。

(3) 验收时注意检查回路接线，防止因接错线导致的接死寄生。