直流电源系统环网故障危害分析

曹文彬，罗威，陈瑞珍

(国网湖南省电力有限公司超高压变电公司，湖南长沙 410004)

0 引言

220 kV及以上变电站运行中，环境、检修等因素常常导致两套独立运行的直流电源系统发生非正常的电气连接[1－2]，这种电气连接被形象地称为直流环网[3－4]。环网故障是直流电源系统绝缘故障的常见形式之一[5－6]。直流电源系统和负载供电的方式导致环网故障，将造成保护装置误动、拒动、火灾、蓄电池组寿命缩短等严重后果[7－9]，故正常运行方式下，禁止两套直流电源系统长时间环网运行。

本文分析环网故障产生原因、环网类型，构建直流电源系统不同环网情况下的等效电路，重点从电路结构的角度分析环网危害的电压表现形式，阐述环网故障危害的本质，最后结合环网故障的物理现象给出环网故障的判断方法。

1 环网故障产生原因及危害

文献[10]规定当图1中环网电阻小于20 kΩ时，应发出环网故障声光报警信号。

图1 直流环网故障

1.1 环网故障产生的原因

1)接线时打混。大修技改施工时，由于电缆较多，接线时易混接，导致某个负载由Ⅰ段正极(负极)和Ⅱ段负极(正极)供电。这是属于较隐蔽的类型，由于负载可正常供电，运行中不易被发现。

2)倒负荷操作。将某负荷转到另一段母线后，未断开原来供电的负荷开关，导致该负荷由两段母线同时供电[11]，从而产生环网，造成了双极环网，如蓄电池组检修试验中，在退出被试蓄电池组前需合母联。

3)双电源负载。重要的保护回路采用双电源配置[12]，正常工作状态下，只投一路，若两路都投则造成环网。

4)设备内部隔离不彻底。某些装置采用两路电源(互为备用)，但装置内部却没有隔离或隔离不彻底[13]。

5)运行环境导致绝缘老化。在同一电缆中，分属两段母线的供电电缆内部破损造成环网[14]；蓄电池组或者充电机输出电缆共用一个通道，运行时间长导致电缆破损产生环网。

D矿区位于滇南，地层主要为三叠系、石炭系、泥盆系，岩性主要为页岩、板岩、砂岩、灰岩、硅质灰岩、火山碎屑岩、铅锌矿，测量结果见表4：

1.2 环网故障危害及其原理分析

直流电源系统环网故障的类型如图2所示，有正极环网、负极环网、两极环网、异极环网[15]。环网造成的危害主要有:降低绝缘监测仪灵敏度、增加保护误动机会、导致两段母线同时接地、引起火灾、使空开级差配合失效、使直流电源系统单极对地电压超过母线电压等[16－17]，见表1。

图2 直流环网故障示意

表1 环网故障的危害

1.2.1 单极环网

所谓单极环网，是指两套直流电源系统发生同极性的互窜，即正极与正极或负极与负极互窜。

1)正常情况下独立运行的直流电源系统等效电路如图3所示(略去电容，因稳态下电容对计算结果无影响)。R为平衡桥电阻，R0为接地电阻(为分析方便，设R＝R0)，V1为母线电压，V1＋、V1－分别为正负极母线对地电压。图3(a)为正常运行情况下的等效电路图，图3(b)为正极接地后等效电路图。

图3 直流电源系统等效电路

根据电阻分压原理:

接地后正极对地电压变化量△V＝V1/2－V1/3＝V1/6。故发生接地后正极对地电压变小，且变化量为母线电压的1/6。这是因为母线对地电压是由母线实际对地电阻分压决定的(正比关系)，故发生接地时，接地极对地电阻减小，而所分得电压降低。

2)当直流系统发生单极环网时，其等效电路如图4所示。由开关K1、K2模拟环网类型。当K1闭合时，即发生正极环网，如图4所示。

图4 直流系统正极环网等效电路

设V1＝V2，根据叠加定理，发生正极接地后计算得:

接地后正极对地电压变化量△V＝V1/2－2V1/5＝V1/10。可见，在有环网故障的情况下，发生接地后正极对地电压变化量为母线电压的1/10，小于环网前的电压变化量，即电压变化敏感性降低。

同样电阻检测敏感度也降低，直流系统绝缘检测仪对系统正负极绝缘电阻的计算，是根据正负极电压采样值进行的。设正极对地绝缘电阻计算值为Rx＋，负极对地绝缘接地电阻计算值为Rx－，则有:

发生正极环网前，如图3所示，代入V1＋＝V1/2、V1－＝V1/3，RX－→∞，得出RX＋＝R0＝R；此时绝缘检测仪对于接地电阻的计算是准确的。

发生正极环网后，如图4所示，设此时正极绝缘电阻计算值为R1X＋，绝缘检测仪对于接地电阻的计算值按照下式确定:

式中，V1＋＝2V1/5；V1－＝3V1/5；RX－→∞。

代入式(2) 可得:R1X＋＝2R＝2R0＝2RX＋。即发生正极环网故障后，绝缘检测仪对于接地电阻的计算值偏大，是故障前的2倍。按照告警整定值为25 kΩ计算，当发生单极环网时，若有一个电阻为25 kΩ的接地故障，由于实测的电阻值为50 kΩ，因而系统无法正常接地告警，大大降低了接地告警的灵敏度。

除此之外，当环网故障发生时，电压钳制的作用还可能导致当其中一段母线接地告警时另外一段母线也同时告警。

1.2.2 两极环网

两极环网，指的是直流系统正极与正极、负极与负极同时发生电气连接。将图4中K1、K2同时闭合，即构成两极环网，如图5所示。

图5 直流系统两极环网等效电路

1)两套直流电源系统平衡桥电阻相等，故两极环网故障情况下，负极平衡桥电阻对地构成的分压效果同单极环网故障时的情况。设正极发生接地，则绝缘检测仪对于电压和接地电阻的计算结果同单极环网的情况，即R2X＋＝R1X＋＝2R＝2RX＋。因此，两极环网同样会造成接地故障监测灵敏度降低、保护误动机会增加等危害。

2)如图6所示，2套直流系统发生两极环网将产生环流，当电缆直径较小时，流过的环流产生较大的热量，积聚的热量将导致火灾。其次，禁止两段直流电源系统环网的另一个重要原因是蓄电池组不能长期并联运行，否则自放电的差异导致蓄电池组欠充、过充，缩短蓄电池组使用寿命。

图6 两套直流系统环流等效电路

3)空气开关装置(以下简称“空开”)级差配合失效。直流电源系统的某一点发生短路时，如图7所示，正常情况下将只由短路点所属的直流电源向其提供短路电流；而发生环网时，将由两段直流电源向其提供短路电流，短路电流增大。而空开级差配合是根据单套直流电源系统整定值进行，因此，环网故障极易引起直流空开越级跳闸，使级差配合失效，扩大事故面积。

图7 空开级差配合失效原理

1.2.3 异极环网

异极环网指一段直流电源的正极(负极)与Ⅱ段直流电源的负极(正极)发生电气联系，通常由负载接线错误导致。异极环网如图8所示，Rj表示负载电阻(环网等效电阻)。

图8 异极环网等效电路

将开关K1和K2断开，故障回路为:大地→Ⅱ段负极平衡桥电阻R→负载电阻Rj→Ⅰ段正极平衡桥电阻R→大地，构成一个串联回路。两段直流系统正极对地电压、负极对地电压、母线电压均不相等。Rj的数值一般很小，故一段正对地电压约等于Ⅱ段负对地电压。平衡桥电阻值相差较大时，其中一极对地电压大于母线电压，另外一极对地电压反向，引起Ⅰ段母线正极接地，Ⅱ段母线负极接地，发出接地告警信号。此外，当平衡桥电阻远远大于Rj时，Rj两端的分压将很小，以致小于动作电压，导致保护拒动。

2 直流系统环网故障的判断方法

直流系统发生环网故障后的物理现象是:其中一段的电压将跟随另外一段的电压而变化。因此可根据以下几种方法来判断直流电源系统是否存在环网故障。

2.1 直流接地法

当其中一段母线发生接地告警时，若另外一段同时告警，则说明存在环网。日常检修维护工作中也可采用人为接地方法，在任意段母线正极(或负极)与大地之间，接入50 kΩ(或更小)以上的电阻，若两段母线对地电压同时发生变化，则说明存在环网故障。

2.2 负荷电流法

一般情况下，两段直流电源系统大致均分整站的负载。因此，若出现其中一段充电机所带负载为零或接近零、另外一段几乎承载整站负荷的现象，则说明存在环网，且是正负极直接环网(即金属环网，环网电阻为零)。

2.3 电压调节法

电压互相钳制是环网故障最直观的物理现象，因此可人为地调节其中一段母线电压，通过观察两段直流系统电压的变化趋势来判断环网类型。以调高其中一段母线电压为例(调低时同理)，有以下三种情况:

1)若另一段电压随之升高且负载电流减小，则说明存在两极环网(正－正、负－负)故障，如母联开关在合位时。

2)若被调高的直流系统正极电压保持不变(或变化很小)，而负极电压(绝对值)随之升高，则说明正极电压被另一段直流系统钳制，因此存在正极环网。

3)若被调高的直流系统负极电压保持不变(或变化很小)，而正极电压(绝对值)随之升高，则说明负极电压被另一段直流系统钳制，因此存在负极环网。

2.4 在线监测法

安装具备环网告警选线功能的在线绝缘监测装置，当两套直流系统任何地点发生电气连接现象，都能被及时检测并告警。2014年以来，新安装的绝缘监测装置基本都具备环网在线监测功能，大大提升了系统运行的安全性。

3 结论

环网故障作为直流电源系统的主要绝缘故障形式之一，若不及时加以排除，将对电力系统造成难以估计的恶劣影响。认识并深入研究环网故障特征，方可实现故障的有效定位和排除。环网故障造成危害的本质，是环网改变了原来独立运行的两套直流电源系统的电路结构，导致电压、电流分配发生不符合预期的改变。环网故障造成的最本质、最直观的物理现象是发生互窜的两段直流电源系统之间的电压将互相影响，据此给出判断环网故障的四种常用方法，对于日常工作实践具有实际的指导意义。