交流系统故障对直流系统影响分析及改进措施

刘忠 姚洋 童为为 王宁宁 詹志宏 蒋小莉

摘要：目前我国的电力建设在高速发展，电力系统的技术水平也在不断的提高，这也带动了电力传输方式的改变。特高压交流系统的过电压操作，关系到交流系统的绝缘性能，过电压操作的要求比较高，目的是决定交流系统的电压水平。特高压交流系统合闸时的过电压，不仅要做好配置优化的工作，更重要的是解决过电压中的问题，防止出现损坏、故障的问题，强调交流系统过电压操作的实践性，避免影响特高压交流系统过电压的操作方式。

关键词：直流系统;交流侵入;高压反击;

1 过电流故障

1.1 轻载过电流故障 。

故障现象：在V/F控制模式下，变频系统在运行过程中，电动机磁路系统存在不稳定性。变频系统在低频、轻载的情况下，电动机磁路饱和容易引起过电流跳闸，为了能带动较重的负载，常常需要进行转矩补偿。这样会导致电动机磁路的饱和程度随负载的轻重而变化。 解决方法：进行转矩补偿（调整U/f比），直到达到一个稳定运行的状态，可以参考电机实际运行稳定性，调不好，电机本体会动作异常。

1.2 重载过电流跳闸。

故障现象：生产机械设备在运行过程中由于负荷突然加重，会出现“卡住”或者“堵转”等现象，电动机的转速因带不动负载而大幅下降，同时电流急剧增加，过载保护来不及动作，就导致过电流跳闸。 解决方法： ①在了解电气故障现象的同时，与机械人员及操作人员进行故障现象的共享，并多到现场了解机械设备本身是否有故障、动作是否存在异常、周围是否存在其它设备的干涉、现场环境连带的影响等，如果有故障，则先处理机械设备或其它设备，故障的查找应该从动态和静态两个方面进行。例如：机械齿轮箱齿出现断裂研死、联轴器固定螺栓出现局部断裂、机械轴承研死 、轴瓦研死、保护设备脱落、机械旋转部分卡阻研死等等。②如果这种过载属于生产过程中由于机械设备振动、轴向窜动等经常出现的故障，则通过加大电动机和负载之间的传动比的措施。这样可减轻电动机轴上的阻转矩，避免出现带不动的状况。若不能加大传动比，就只能增大变频器和电动机的容量了。

1.3 升速或降速中过电流故障。

主要原因：升速调节时间或降速调节时间的参数设定过快。解决方法：①准确预置升（降）速自处理（防失速）功能。当升（降）电流超过预置的上限电流时，将暂停升（降）速，待电流降至设定值以下时，再继续升（降）速。变频器对于升、降速过程中的过电流，设置了自处理（防失速）功能。②延长升（降）速时间。根据生产工艺要求分析，如果允许，可采取延长升（降）速时间措施。

2 高压交流侵入对直流系统的影响

高压交流侵入又称为高压反击，是由于一次设备发生故障时的接地电流使接地网局部地电位升高，击穿二次回路对地的绝缘后直接进入二次系统，然后将该二次回路另一处绝缘薄弱处击穿入地，为异常地电位分流的现象。对于高压反击问题，目前只能通过减小接地网的接地电阻来缓解，直流系统本身还没有有效的防范措施。

由于直流系统辐射范围广，绝缘薄弱环节多，较容易遭到高压交流侵入，直流系统遭受高压反击，往往造成二次设备损坏、保护误动或拒动、空气小开关跳闸、直流回路短路或多点接地的严重事故。2002年某变电站曾发生过主变压器内部故障，该主变压器故障后，地电位对二次直流回路反击，主变压器220kV断路器的某电压切换继电器对地击穿，引起主变压器220kV断路器直流操作熔丝烧断，造成保护虽动作，但断路器未分闸，故障电流未被及时切除，最终导致主变压器起火、全站全停的扩大事故。

3 提高直流系统抵御交流侵入能力的方案

3.1 方案的研究思路

交流分量窜入直流系统后最明显的现象就是整个直流回路对地电压以50Hz頻率大幅波动，如果能将这个电压波动衰减到足够小，就能有效减轻交流窜入后对直流系统的危害。因此要提高直流系统抵御交流侵入的能力，关键在于稳定直流母线的对地电压，基于这个原理，本文提出一种直流母线并联钳位二极管的改进方案（下称钳位二极管方案），实验和仿真都证明了这个方案的可行性。

3.2 方案的具体内容

该方案实现方式简单，是在直流母线上装设了两个大功率、高反压的整流二极管，二极管D1负极、D2正极接地，接地点必须选在与一次设备有一定距离的地方（如继电器室），可通过二极管钳制直流母线对地电压来释放串入的交流分量。直流系统正常时，由于正母线、大地、负母线三者间的电位关系，两个二极管均不导通（硅二极管反向阻抗无穷大，不会影响母线对地绝缘）;当母线直流接地时，也不可能出现负母线电位高于大地电位或正母线电位低于大地电位的现象，因此二极管仍旧不导通;当交流分量串入直流系统后，如果串入负极，交流电的正半周将通过二极管D2短路，如果串入正极，同理负半周将通过D1短路，从而迫使该交流回路或直流支路的空气小开关迅速跳闸，切除入侵的交流分量;如果侵入的交流分量幅值很大（高压反击），由于二极管的电压钳位作用，可以保证直流母线对地电压的相对稳定，至少可以使入侵的高压交流不再流入其他回路。

钳位二极管方案使得直流正母线的电压始终高于大地，负母线电压始终低于大地，直流母线对地电压偏移范围一直控制在常规直流接地时的范围内，这就有效地保证了直流母线对地电压的稳定，大幅度降低了继电器误动的概率。220V直流系统正母线遭到站用电侵入后，采用这种新方案后，直流母线在交流入侵后对地电压波动幅值大幅减小，并在干扰源切除后快速恢复正常。如果交流分量通过过渡电阻串入，可能通过二极管的短路电流太小使空气小开关无法跳闸，但由于母线对地电压波动一直限制在较小的范围内，还是大幅降低了继电器误动的概率。为进一步验证这个方案，我们在某110kV换流站停电改造时，在110V直流系统上做了模拟交流入侵和高压反击试验。该换流站的直流母线上设有正母线对地、负母线对地的氧化锌避雷器，现场试验，先在直流母线上安装钳位二极管，然后在选定的几个直流负荷（改造后被淘汰的旧设备）直流电源上加交流电压，交流电压通过升压变压器和自耦调压器调节，最高电压可升到1000V，用于模拟高压反击和交流侵入。

4 特高压交流系统过电压操作的建议

4.1 避免谐振

特高压交流系统中，一旦发生谐振，即会影响过电压的限制操作，很容易引发安全风险。因此，特高压交流系统在限制过电压时，必须提前做好避免谐振的工作，提出两点建议，如：（1）以工频过电压为谐振控制的基础依据，通过高抗补偿的方式，排除谐振的干扰，其中高抗补偿不能过度，根据过电压限制的实际状态，设计恰当的补偿度;（2）积极利用小电抗，控制谐振的规模，待小电抗规避了谐振危险后，自主保护交流系统，抑制过电压的发生。

4.2 推行合闸电阻

合闸电阻的建议，有利于提高过电压限制的操作水平，其可在交流系统的不同状态下，规划对应的限制方法，更为注重过电压限制的实用性，最重要的是保护特高压交流系统的可靠性，规避过电压中潜在的安全隐患，强化交流系统的绝缘性能。

5 结语

特高压交流系统具有一定的特殊性，其在过电压方面与普通操作有明显的不同，电力企业需要深入研究特高压交流系统的过电压问题，保障过电压操作的安全性，进而为特高压交流系统提供稳定的支持，体现过电压的优势，解决过电压中出现的问题。

参考文献：

[1]李杨.特高压交流系统过电压若干问题研究[D].浙江大学，2014.

[2]周浩.特高压交流系统的操作过电压及其控制研究[J].电力建设，2012，09：28-30+35.

[3]计荣荣.特高压交流系统合闸过电压特点研究[J].电力系统保护与控制，2011，14：86-93.