环网故障对直流系统绝缘监测影响的研究

柳呈祥，程诗龙，张元栋，任忠芳

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

直流电源系统主要负责发电厂和变电站内设备的能源动力供给，其稳定性、可靠性直接关系到电力系统的正常运行。为提高可靠性，目前在重要场合都使用两套直流系统。一般情况下，两套直流系统相互独立，不形成电气连接[1]。但由于供电设计问题，诸多电厂和电站存在直流系统负载使用双电源供电，而没有进行电源隔离的情况，使得系统出现直流环网的情况[2]。环网直接影响到直流系统绝缘监测的正确性和可靠性，分析和研究环网情况，做出应对方案尤为重要。

文献[3]针对一起110 kV 变电站直流系统环网故障查找和处理的案例，从缺陷现象、缺陷分析、直流环网故障查找及处理等方面，总结了变电站直流系统环网故障查找和处理的方法。文献[4]针对某220 kV 变电站改造过程中由于直流系统多点环网引起的直流系统电压波动故障，排查并分析了故障原因，并提出了改造建议。文献[5]研究了直流系统中单极、两极、以及交流窜入接地故障类型及其检测方法，提出了绝缘电阻、环网电阻及交流对地电压的计算方法。本文介绍了直流系统绝缘的一般监测方法，针对直流系统环网模型进行了仿真研究，并在某电站机组直流系统进行了接地试验，提出了在直流环网情况下准确监测直流系统绝缘异常的思路。

1 环网故障

1.1 环网故障原因

由于设计、施工和人为操作等多方面的因素，直流系统环网故障原因总结有以下几个方面[6，7]：

（1）在进行工程的改造或者施工时接线错误，比如存在负荷电源线不只一组，将其连接到不同段的直流母线上；

（2）运行人员在进行负荷转移过程中操作不当，负荷接入一段母线而未断开原先的母线开关，使得两端母线都给负载供电；

（3）在发电厂和变电站中的重要回路都使用双电源供电，而在进入供电负载之前没有进行电源的隔离，常见的有两路电源通过二极管给重要电源供电，造成直流环网。

一般来说，由于接线错误和操作不当导致的环网故障解决相对简单，但是对于第3 点提到的双电源供电引起的环网则需要在设计时就考虑到，所以本文也主要针对双电源供电引起的环网故障进行分析研究。

1.2 双电源供电引起的环网故障

双电源供电的原理如图1 所示，由两路电源对同一路负载进行供电，通过二极管切换（无扰动切换），此种方式供电会引起绝缘监测的诸多困难，将在第三节进行深入分析。

图1 通过二极管进行双电源供电的原理图

2 直流系统绝缘监测原理

在分析环网故障对绝缘监测的影响之前，有必要对目前直流系统绝缘监测的原理进行简单介绍。目前市场上主流的绝缘监测方法是母线监测与支路巡检配合，本文的研究也是基于此监测方式展开。

2.1 母线监测原理

母线监测通常采用平衡桥法和不平衡桥法，本文主要针对应用最广的平衡桥法进行介绍。

平衡电桥法在绝缘监测仪主机内部设置2 个阻值相同的对地分压电阻R1、R2，通过它们测得母线对地电压V1、V2。平衡电桥检测原理框图见图2。

图2 直流系统平衡桥监测原理图

当RX=RY=∞时，系统无接地。此时，V1=V2=110 V。当系统单端接地时，通过方程（1）可求得单端接地电阻Rx或Ry。

2.2 支路监测原理

支路监测主要有交流法和直流法，由于交流法需要向直流母线注入交流信号，容易引起设备误动或干扰设备，检测精度也受接地电容影响，不能识别母线接地极性，已逐渐被淘汰。

直流法采用直流有源CT，不需注入交流信号。当出现接地时，直流CT 将直流漏电流变换为电压或电流信号上传至绝缘监测仪。目前使用直流有源CT 也是进行支路监测的主要方法。

3 仿真分析

本节主要针对机组直流系统存在的环路问题进行定性和定量分析，首先利用Matlab/Simulink 搭建直流系统的仿真模型，接着利用模型模拟母线和支路故障报警，最后针对仿真结果展开详细分析。

为了使仿真更加符合实际情况，有如下设置：

（1）220 V 直流电源取正常运行时的数值作为参考，I 段和II 段电压值稍有区别，电压源取极小的内阻；

（2）对于存在环路的负载支路，一般二极管通态压降设为0.3 V，由于取值大小对定量分析的数值影响很小，不会影响定性分析的结果，故取值为0。

为保障分析的全面性和正确性，本节对直流独立运行无环路和有环路的情况均进行了仿真分析。

3.1 两段直流独立运行无环路

对于两段直流独立运行无环路情况，两段直流系统均投入电桥，接地点均只有电桥中间点。其中，电桥电阻R1、R2、R1’和R2’按实际设置为38.5 kΩ。对直流I 段的正极接地，由于直流系统的并联关系，母线接地和支路负载接地的拓扑结构相同。

将接地电阻设置为0.001 Ω（直接接地）。运行仿真，显示接地电流为6.024 8 mA，I 段正负母线对地电压分别为0 和-232 V（I 段总电压设定为232 V）。分析得漏电流基本等于232 V/38 500 Ω=6.025 mA。观察II 段母线电压值，正负母线对地电压分别为+117 V 和-117 V（II 段总电压设定为234 V），不存在对地漏电流。接着将直流II 段接地，直流I 段正常运行，I 段也不存在对地漏电流。

综上，当直流系统不存在环路且分段运行时，某一段的母线或者支路接地，不会对本段的其它支路以及另一段的母线及支路的绝缘监测产生影响。

3.2 两段直流独立运行有环路

对于存在环路的接地主要分为两种情形：

（1）无环路负载一点接地或任一段母线一点接地；

（2）环路负载一点接地。

3.2.1 无环路负载一点接地或任一段母线一点接地

模型基本参数设置如下：直流I段母线电压232 V，直流II 段母线电压234 V，内阻为0.001 Ω，普通负载接地电阻为0.001 Ω（直接接地），I 段无环路负载为100 Ω，环路负载RL为100 Ω，I 段无环路负载为100 Ω，二极管通态压降设为0。

图3 两段直流独立运行无环路的仿真模型

图4 对仿真后的重要电气量进行了标注。其中，接地支路的电流大小12 mA，它的流向分别是往I段母线电桥的接地点（6.052 4 mA）以及II 段母线电桥的接地点（5.974 2 mA），I 段的平衡桥电阻R1基本被短路，没有电流流过，II 段平衡桥电阻R1′流过的电流也非常小，仅0.051 28 mA。I 段母线正负极对地电压为0 V 和-232 V，II 段母线正负极对地电压为1.76 V 和-232 V（内阻存在很小的压降）。对环路负载进行分析，Diode1 流过电流为0A，Diode2 流过电流为5.974 1 mA，Diode3 流过电流为2.339 5 A，Diode1 流过电流为2.333 5 A。由此可见，对于双电源供电的环路负载，①②这一对正负极接线对应的CT 在发生接地的时候会测量出漏电流，③④这一对接线的CT 也会测量出6 mA 左右的漏电流。

图4 无环路负载一点接地或任一段母线一点接地的仿真模型

综上可得，当出现一段母线接地的情况，或者非环路负载一点接地的情况时，对于另一未发生接地直流段，也使母线电压发生变化，此时对于环路负载来说，I 段和II 段都会监测出接地故障。对于一般非环路未发生接地负载不会报警。实际上，接地处的电流不仅仅是由接地的这一段直流母线电压发出，另一段未发生故障的一段电源也提供了接地电流。

3.2.2 环路负载一点接地

电路的基本参数设置与3.2.1 基本相同，只是将接地电阻的位置换到环路负载上面来，如图5 所示，这时仿真的是环路负载接地的情况。

图5 环路负载一点接地的仿真模型

可以看出接地支路的电流大小为12.1 mA，它的流向分别是往I 段母线电桥的接地点（6.052 4 mA）以及II 段母线电桥的接地点（6.071 mA），I 段的平衡桥电阻和II 段平衡桥电阻R1′流过的电流接近于0。I 段母线正负极对地电压为0 V 和-232 V，II段母线正负极对地电压为2.9 mV 和-233.74 V（内阻存在很小的压降）。接着对环路负载进行分析，Diode1 流过电流为6.025 4 A，Diode2 流过电流为0A，Diode3 流过电流为2.343 5 A，Diode1 流过电流为2.337 4 A。由此可见，对于双电源供电的环路负载，测量①②这一对正负极接线的CT 在发生接地的时候会测量出漏电流，测量③④这一对接线的CT也会测量出6.1mA 左右的漏电流。

由此得出，当环路负载出现一点接地时，会使母线电压发生变化，报出母线绝缘故障（电桥法计算对地绝缘），对于未发生接地的非环路负载则不会报警。

4 试验验证

上节针对存在环网支路的接地故障完成了详细的仿真分析，本节利用某电站机组直流系统进行接地试验验证。试验围绕环网负载在接地点不同的情况下对母线和支路绝缘监测的影响。

4.1 环网支路对母线绝缘监测的影响

根据行业标准DL/T 5044-2014，现每段直流都分别配置了一组绝缘监测装置[8]，则直流系统实际上有两组平衡电桥，而由于环路的影响，电桥被并联，测量值是实际值的两倍。

将直流系统I 段母线正接地，两段电桥均投入，接地电阻为47 kΩ，此时直流电压为232 V，正对地为96.3 V，负对地为135.7 V，母线正对地绝缘显示为94 kΩ。

这是由于绝缘监测仪认为接地电阻为38.5 kΩ，通过（2）式进行

而实际上由于环路引起并联电桥的关系，接地电阻应按照（3）式计算：

计算得Ry=47 kΩ。

综合以上分析，环路对于母线绝缘监测存在较大影响，使计算的对地电阻接近实际电阻的两倍，导致母线绝缘计算错误。

4.2 环网支路对支路绝缘监测的影响

4.1 节已对环网支路对母线绝缘监测进行了分析，由于投入两段电桥会对母线绝缘产生影响，所以对支路进行试验时我们退出一段电桥，只投入一段电桥（试验采取投入I 段电桥方式），经过验证只投入一段电桥母线绝缘监测正常。

与仿真分析的项目一致，支路接地试验使用以下4 种条件进行。

（1）直流系统I 段无环路负载或母线一点正接地、负接地；

（2）直流系统II 段无环路负载或母线一点正接地、负接地；（3）直流系统I 段环路负载正接地、负接地；（4）直流系统II 段环路负载正接地、负接地。经过试验，得到以下结论：

（1）任意一段母线一点或者非环路负载一点接地的情况时，两段母线绝缘均告警，两段直流环路负载均监测出漏电流，其它非环路未发生接地负载不告警；

（2）当环路负载出现一点接地时，两段母线绝缘均告警，未发生接地的非环路负载不告警。

以上母线和支路接地试验的结论也与仿真结果一致，验证了上节所搭建仿真模型的正确性。

5 结语

结合以上的理论仿真分析和试验结论，本节对存在环路的直流系统提出以下建议：

（1）通过二极管实现双电源供电的负荷，在机组岁修时进行设备改造，双电源供电使用电源切换装置实现，彻底解决环网引起的支路接地故障定位难的问题；

（2）对于目前存在环网且不具备改造条件的直流系统，采取只投入一段电桥的方式，保证母线绝缘监测的准确性。