变电站交流电串入直流回路故障分析与措施

冯俊超　王旭　朱小超　王开冉

摘要：变电站直流系统出现接地、短路或交流电串入直流回路故障时，将对继电保护系统造成不利影响，严重时致使保护装置出现一系列的误动以及拒动现象，使变电站内部的一次设备失去保护。本文在研究的过程中主要对电力系统中的交流电串入直流电路中的现象进行分析，探讨交流电串入直流回路故障对直流系统及控制回路继电器的危害及故障的产生原因，防止类似的事件再次发生，最大程度的将继电保护的可靠性发挥出来，保证电网安全可靠运行。

关键词：直流系统;接地故障;交流串成直流;保护装置;继电器

引言

在电力系统中，直流系统是其重要的组成部分，为一些继电保护、断路器操作电源、自动化装置、不停电交流系统（UPS）、控制以及信号回路提供稳定的工作电源，但是直流系统电缆较为复杂的系统结构，并且支路较多，进而电力系统容易出现故障，例如发生系统接地或交流直接串入直流电路的问题。同时还会产生寄生电路，这些故障将对电力系统带来严重的危害。

1.直流系统的配置概述

直流系统配置：直流电源按每单元机组分布设置为三组固定防酸式铅酸蓄电池，其中一组的电压为220V，其作用是增强电源的负荷以及提高直流事故照明负荷，另外两组的电压为110V，另外在每个机组单元内配置两组伏蓄电池，用于控制、信号、保护自动化装置。每台机组单元配备两个110V的电池，每组由53节电池组成。每机组单元：220V电池组，由107节电池组成，单路母线进行连接。在使用辐射连接时需要依据直流馈线原则，同时还需要在直流系统的负荷集中区域设立直流分屏。110V直流系统和220V直流系统的相同处是两者都包含有配电母线以及充电母线，其中充电母线的功能是进行实验测试和蓄电池充电。电池通过各自的直流保险丝直接连接到充电母线上，充电器与充电母线以及配电母线相连接就需要利用双掷开关。充电母线在向配电母线进行供电时需要通过进线开关，而配电母线的两端连接双开开关，一般情况，会将母线进行独立工作，110V直流系统的配置与图1220V直流系统的配置相似。绝缘监控装置，对此装置进行检测时通过非平衡电桥原理。

2.直流系统故障分析

2.1故障概述

2016年1月10日，我国曾经发生过一起110kV某变电站故障跳闸，1号和2号变压器非电量保护动作跳闸，而3号主变压器非电量保护动作信号灯亮，工作人员在现场进行检查测试时，1号、2号、3号主变压器非电量保护装置的信号灯亮，1号、2号主变压器保护屏及操作箱跳闸灯亮，111、101、112、102开关跳闸，3号主变压器非电量保护动作未出口跳闸，3台主变压器在差动保护以及后备保护均无动作信息和异常。如图1所示.

2.2故障经过

变电站有3台主变压器，故障发生时，1号和2号主变压器运行在110kv Ⅰ母线上，并各带10kV一段母线运行，10kV 01断路器联络运行;3号主变压器在110kV Ⅱ母线上运行，单独供10kV母线运行。故障导致1号和2号主变压器非电量保护动作跳闸，切断01断路器联络的10kV两段母线负荷，3号主变压器非电量保护动作，断路器未出现跳闸现象。相关工作人员在现场检测时发现，3台变压器跳闸前非电量保护均接收到2ms的开入信号。由于开入信号持续时间非常短，非电量保护来不及出口跳闸，直至80ms后，1號、2号主变压器非电量保护装置接收到持续5ms的开人信号，导致继电器持续抖动。3号主变压器的有接点抖动，但其抖动时间较短，仅报出非电量保护动作信号，未出口跳闸。

2.3原因分析

通过分析，3台主变压器在同一时间内非电量保护动作，可以将其自身带来的故障因素消除，这类故障的起因是发生直流接地现象。该变电站内的消弧线圈的控制屏在进行布置时，需要将其安置在1号变压器和2号变压器保护屏的相邻位置。

若消弧线圈控制电路出现问题故障，将会对直流保险螺旋底座产生不利影响，甚至发生融化现象，导致直流正极保险被击穿，由于屏内的三相交流电压保险和直流电源保险之间并没有相应的隔离措施，所以在保险被击穿后，消弧线圈就会导通底座的槽板，进而使交流电流入到直流电路中，导致直流系统中的电源正极接地。电力系统中出现的非电量保护动作跳闸的直接原因是由于变压器中出现了直流系统接地或交流电串入直流电路的问题。

3.直流系统变电站暴露的问题分析

由于变压器冷却器控制设备与通信电路和直流电路相连，因此电力系统内部控制设备因交流串联变压器冷却器异常而变成直流，造成保护装置或操作继电器箱误动的事故频繁发生，说明检修维护工作也有许多弊端;另外，部分早期运行继电器箱的运行功率不符合反措要求。

4.防止交流电串入直流系统的措施

电力系统中的故障问题非常多，重视交流电串入直流回路导致直流系统故障的问题，相关的工作人员需要对故障的问题有所掌握，一旦电力系统中出现直流系统故障，可以做出相应的措施，务必保证系统中的直流系统可以正常工作，同时也需要确保整个系统能够进行稳定的运转，基于此提出了以下的具体方案。

4.1加强直流系统设计施工管控

在电力企业设计变电站的建设工作以及变电站施工建筑过程中，在布置电缆时，一定要将其交流电缆和直流电缆分开，以避免交流电串入直流电路造成直流接地;所有二次回路电缆应使用屏蔽电缆，屏蔽层的两端应接地，严禁用电缆内的空线代替屏蔽层接地;交流和直流端子应分开，中间加装隔离端子，并使用不同的颜色或标题加以区分，以防止工作人员误将交流量接入直流回路中;中间继电器非电量保护中开关场部分，由强大的电动直流启动，且中间继电器启动功率高应采用符合要求的起始功率不低于5w，工作过程中的电压大小应该保持在额定电压的一半以上，但是不能超过70%的额定电压，另外在进行操作过程中，持续的时间也不可以少于10ms。

4.2改进直流绝缘监测装置

传统的绝缘监测装置过于落后，监测不到变电站系统中出现的交流串入直流系统的故障，所以为了更好地监测出现问题，必须优化完善绝缘监测装置，以便交流或直流系统发生绝缘异常或交流接入直流电路时，能及时发出报警，及时处理。

4.3改进继电保护及自动装置

隔离变压器和滤波电容器安装在继电保护装置的交流输入电路中，从物理层分析是，将交流系统和直流系统两者与大地进行分离，这样可以有效避免直流系统与交流系统出现的电耦合现象，可以最大程度的将直流系统中的交流电量进行消除，进而避免继电保护装置做出误动。

4.4严格控制直流系统电缆布置方式

根据直流系统的技术标准，直流系统的电缆不应铺设太长，应避免和减少向后移动，在铺设电缆的过程中，原则上不能低于400米的，电缆的长度取决于直流系统中正负极带开关场的电缆芯数，两者成正比，正、负电缆到地的分布电容越大，一旦交流串入到直流电路中，继电器交流电压就会发生衰减现象，并且越来越慢，所以在直流系统中应该布置二次电缆。电力系统中的直流电路中产生过大的负荷时，可以对整个电路考虑单独供电，有效缩短铺设的电缆长度，在单段的直流系统出现故障问题时，可以确保故障段进行正常工作，在设计制定直流系统时，需要对电网系统的适应性进行充分的考虑，也为继电保护安全可靠的运行打下坚实的基础。

4.5提高直流系统告警信号的重要级别

直流系统警告信号，如“直流系统接地”、“直流电压降低”、“直流绝缘异常”等，建议将其视为1级缺陷。此类信号也可被视为保护性事故信号旁边的一个类别，以避免事故范围的扩大。

总结

由于直流系统在变电站中起着极其重要的作用，所以一旦出现故障就会造成极其严重的危害，就之前出现的故障实例的经验提出了相应的建议，以供参考。

严格执行电网公司反事故措施的标准，确保交流电路和直流电路明显分开，避免出现寄生回路的现象发生。

在选择相应的设备产品时，需要选择一些较为安全可靠、性能高的产品，尽可能的做到不出现产品质量问题，加强直流系统电源的整改力度，在选择保险的代替品时可以考虑选择用直流空气开关，可以有效的避免出现底座熔化现象的，从而最大程度的将电缆的继电保护装置的工作效率发挥出来，防止直流系统串联交流充电引起跳闸出口继电器抖动。

多注意直流系统的异常或故障，直流系统一点接地是不可忽视的，当交流串入直流电路发生故障时，会快速形成两点接地现象或者多点接地现象，对电力系统造成严重的危害。对设备进行维修管理的工作人员需要定时进行检测维修，排出一系列隱患，避免电力系统中出现直流系统接地现象，确保电网安全稳定运行。

参考文献

[1]丁晓兵，赵曼勇，皮显松，等. 防止交流串入直流导致母线保护误动的措施[J]. 电力系统保护与控制，2008，（22）：97-99.

[2]吴剑鸣，严正. 控制电缆的分布电容对继电保护的影响及防范措施[J]. 电力自动化设备，2007，（11）：115-118，121.

[3] 唐文秀. 直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策[J]. 电力自动化设备，2007，（09）：123-125.

第一作者：冯俊超，性别：男，出生日期：1995年1月25日，籍贯：云南泸西，民族：汉族，单位：云南电网有限责任公司红河供电局、职称：助理工程师、学历：大学本科、研究方向：电力系统及其自动化