变电站直流系统中交流侵入问题的分析及策略

王磊磊，郑春旭，朱 锋，杨慧媛

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250000；2.国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博 255000；3.山东泉舜工程设计监理有限公司，山东 淄博 255000）

0 引 言

变电站依靠多种设备工作，其中变电站直流系统至关重要。直流系统易受到交流入侵，影响自身乃至整个变电站的运行。一旦交流入侵，可能损坏二级设备，也可能导致开关误跳，进而发生一系列事故。目前，国家对变电站交流入侵问题越来越重视。因此，本文分析了变电站直流系统交流入侵问题及其改进方案。

1 变电站直流系统中的交流侵入问题

1.1 低压交流侵入对变电站直流系统的影响

变电站直流系统可能遭到低压交流入侵，也可能遭到高压交流入侵，两种入侵方式均危害直流系统。二次交流电源串入直流系统属于低压交流入侵，可导致母线电压出现大幅波动，50 Hz时即属于异常现象。引发这种现象的原因很多，如工作人员接错断路器的发信号与联闭锁副接点、其他情况的接线失误或者一些设备绝缘性能不佳[1]等。对于这种现象，相关人员的解决方案还不够完善。变电站的直流系统是不接地系统，一旦交流入侵，交、直流母线将叠加更大的交流电压，出现大量的交流分量。此外，交流电源火线将直接接触到直流系统的负电源。当交流分量接触正电源后，交流电压通过继电器线圈构成回路，一旦电流增大，将导致开关误跳。同时，交流入侵可能干扰变电站的一些自动化装置甚至损坏设备。例如，我国华东电网的某电厂曾发生低压交流入侵事件，工作人员错误地将220 V交流电源线路接入直流电源，导致系统被入侵，使直流系统产生波动，并烧坏多个单元ID插件板，最终造成众多开关跳闸。防止交流入侵，一方面需避免交流分量串入直流，另一方面需安装保护装置，可在低压交流入侵时尽快切断线路，避免损失扩大。

1.2 高压交流侵入对变电站直流系统的影响

如果变电站的设备出现问题，接地网局部电位将升高，直流回路将与故障地点形成电位差。一旦电位差增大，可能击穿二次回路，并再次击穿其他绝缘薄弱处，导致电位分流异常，使高压电流进入直流系统。直流系统受到高压交流的入侵，可能使电流通过小开关，导致小开关跳闸。如果被入侵的设备是保护性设备，那么可能造成继电保护装置损坏而无法发挥保护作用，进而导致损害二次设备，加大事故的严重性。相关人员可降低接地网的接地电阻，以预防高压交流入侵。此外，一些变电站的交流系统绝缘薄弱环节较多，易导致高压交流入侵。例如，我国某变电站曾发生高压交流入侵事故，直接导致220 kV的控制直流消失，直流系统熔丝被烧断，同时由于系统中的开关未尽快切断故障电流而发生起火现象，造成全站停电[2]。

2 直流系统抵御交流入侵的方案

2.1 研究思路

为抵御直流系统被交流入侵，可实行钳位二极管方案。直流系统遭到交流入侵后，将导致直流回路和频率波动。若降低电压的波动频率，可降低对直流系统的影响。因此，可研究稳定直流母线对地电压来解决问题。通过安装直流二极管来优化直流母线，但需注意使用高功率、高反压性能的二极管。另外，二极管在距离一次设备一定距离外设置接地点，通过二极管钳制母线。一旦交流电压入侵，此时可释放交流分量。当直流系统正常运行时，两个二极管不导通，不影响母线的绝缘效果，也不影响线路和设备。当发生交流电压入侵时，二极管将发挥功效。如果交流串入正极电流，则通过二极管，从而导致交流回路或者小开关跳闸，切除交流分量；如果交流串入负极电流，则通过另一个二极管达到相同的抵御效果。一旦入侵的电流分量较高，二极管可发挥钳位作用，把母线对地电压控制在一定范围，促使电压稳定，从而避免交流入侵其他回路。这种设置保证了直流正母线电压高于大地电压、负母线电压低于大地电压，提高了对地电压稳定性，减少了继电器误动[3]。

2.2 仿真实验

为验证此方案的可行性，需模拟实验，分析结果。交流电压入侵时，利用EWB仿真程序设计仿真实验，以验证二极管方案的有效性。该实验采用110 V的直流系统，额定直流电压117 V，母线对地电容10 μF。首先，在未安装二极管的直流系统中操作。交流进入直流系统后，电压出现较大浮动。其次，在直流母线中安装二极管，母线对地电压变得较为平稳。当电流中持续串入更高的交流分量时，电压基本未超出110 V。可见，二极管方案可有效防止直流系统产生电压波动。

2.3 现场实验

以我国某变电站的现场实验为例，利用110 V直流系统做实验。该直流系统中有避雷针设备，工作人员首先在其直流母线中安装二极管，然后将较老化的设备接入直流电路，用以测试交流入侵的影响。做好准备工作后，工作人员向直流电源中加入交流电压，交流电压最高达到1 000 V。通过实验发现，交流入侵后，二极管促使直流系统出现短路，此时保护系统将迅速切断直流电路。整个实验中，无论是高压交流入侵还是低压交流入侵，直流母线对地电压始终稳定在110 V以内。实验结束后，相关人员检查直流系统中的各设备，发现设备无损害，全程未发生跳闸情况，且避雷针装置无任何异常。通过实验结果可知，钳位二极管的方案可切实、有效地抵御交流电压入侵，保护系统装置不受损害。另外，二极管售价低，实用性较强。

2.4 关于钳位二极管的问题

通过钳位二极管的方案抵御交流入侵，相关人员还需注意以下三方面问题。第一，注意二极管的接地点不能离一次设备较近。较近的位置接地电阻较大，一旦交流入侵，可能提供通路。较好的位置是继保室直流屏的接地处，有利于更好地发挥二极管的作用，保障直流母线的对地电压稳定。第二，二极管的选用。工作人员需将正、负对地二极管串联，避免其被击穿，同时需耐压性高，如电流1 000 A、耐压5 000 V的二极管。工作人员可选用3～10个电流、电压较大的二极管接入直流母线中，促使其更好地发挥作用。第三，虽然二极管方案具有一定作用，但在预防高压交流入侵时不能完全阻挡高压反击。因此，相关人员需进一步研究高压入侵问题，如降低接地网电阻，提高二次回路对地绝缘性等。

3 结 论

通过实验设计和验证过程可知，在直流系统中安装二极管可有效减少交流入侵的危害，且其可行性高，实用性强，操作方便。