浅析直流回路的缺陷处理及预防

国网陕西省电力有限公司延安供电公司 张海浪

1 直流回路工作原理

直流回路中合闸回路接线如图1所示。当断路器正好位于跳位，其常闭触点QF1此时将会闭合，而跳位继电器TWJ、QF1和合闸线圈HQ 三者随即形成一个闭合回路。根据TWJ的辅助触点，可以对断路器本身的跳闸状态作出判断，分辨和跳位继电器TWJ 相互串联的电缆、常闭触点QF1以及合闸线圈HQ 等重要的回路元件，究竟完好与否。

图1 直流回路中合闸回路接线

直流回路中跳闸回路接线及原理如图2所示。当断路器刚好处于合位，其常开触点QF2也会完全闭合，合位继电器HWJ、QF2和跳闸线圈TQ 三者同样也会组建一个闭合回路。根据HWJ 的辅助触点，可以对断路器本身的合闸状态作出判断，分辨HWJ串联的各种电缆、QF2以及跳闸线圈TQ 等这系列跳闸元件，究竟能否完好。

图2 直流回路中跳闸回路接线及原理

为防止自动或是手动跳/合闸常开接点ZTJ，STJ、ZHJ，使SHJ 提前返回，有必要及时断开跳/合闸回路动作电流，此时可能会烧毁拉弧。同时，正常跳/合闸在接收命令后，断路器也要立即动作。此时，跳/合闸回路应当和继电器TBJ、HBJ 保持串联，在断路器跳/合闸操作结束后，由断弧能力尚可的辅助接点QF2、QF1共同将回路予以切断。很多情况下，TBJ，HBJ 被认为是拒动条件下跳/合闸回路元件遭到烧毁的根本缘由。

2 直流电源回路的缺陷形式

2.1 交直流信号的干扰

在变电站一次、二次设备中，部分设施均需接通交流或是直流电源。电气设施很多时候需要和直流供电、交流系统乃至通信网络保持串联。该情况下，交、直流信号反过来也会对电气设备产生不同程度的干扰。表现为交流串扰、直流串扰、电容电流干扰。

2.1.1 电容电流干扰

直流系统中，接地电容涵盖两个部分：一是屏蔽层与芯线、电缆芯线中分布的电容；二是滤波电容，多数分布于电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波器中。

一是直流电缆分布电容，实质上是由两个不同的绝缘体构成，导体面积的大小、距离长短均可能改变电容量。电路中，还有一类电容器同样也涵盖了导体、绝缘电体以及相关构件，该构成同样拥有一定的电容量。由器件、导体组合得到的电容，其状态表现为分布式，即分布电容C，其表达式如下。

式中：ε 为介电常数；s 为导体相对表面积；d为导体间的距离。

电缆的电容C 大小很大程度上决定了直流系统的规模；如果直流系统在结构方面发生变动，则电缆对地电容也会随之改变。而分布电容多数分布在直流电缆中，其串入多种不同的电容电流，这也是直流系统波动的诱因。

二是直流负载滤波电容。很多变电站均已购置保护测控装置。高压电场对于这类测控装置有一定的影响，其直流回路难免也会受到交流干扰。保护、测控装置双方同样也会有不同大小的电磁干扰。为确保电磁的适用、兼容性，建议向保护测控装置提供适当的电磁干扰，利用EMI 接通测控装置上的输入电路，即可解决此类疑难[1]。

2.1.2 交流串扰

直流供电网，由多种类别的两次设备组合而成。而直流、交流回路实质上是走线运行，其涵盖了开关端子箱、保护装置、防误电源以及开关机构箱在内。一旦交流回路留下缺陷，尤其负载故障，则交流电源也会随即串入到整个直流系统。严重时，扰乱正常的直流电压，妨碍保护设备运转，甚至完全失灵。实践中，交直流串扰多表现为3个不同的情况：

一是直流、交流电缆本身就交叉混合，由于绝缘层破损造成导电，此时交流电源也会入侵对应的直流系统。二是变电站人员在改造时存在失误，将交直流系统予以串联。三是接地故障状态下，接地网形成并且释放零序电流。假如接地网正好挨着直流电缆，则后者同样也会导入一定的零序电流。

2.1.3 直流串扰

通常220kV 变电站由于已对直流系统进行双重配置，此时可能存在直流串扰的情况。直流串扰的显著特性包括：一是绝缘监测系统中会在同一时间发出绝缘警报。二是绝缘监测设备无法准确地判断出对接点。三是两组正负电压均会明显地降低。四是如果仅仅启动接地故障点上的空气开关，则两组装置均会停止绝缘报警；只启动直流串扰触点，提示仅有一组直流系统已经恢复[2]。

2.2 直流系统接地

接地故障的诱发因素包括：母线电压干扰了系统中的设备运行；一旦遇到两点接地事故，则保护装置也会陷入误动，阻碍电网运行。正因为此，一旦有接地故障，应立即采取解决方案。

2.2.1 直流接地的原因

变电站中，直流系统的分布十分广泛。电缆数量多、长，回路也比较烦琐。通常，系统接地故障的出现率和投运时间存在相关。直流接地的原因包括：一是气候。部分直流接地故障均是气候引起，如遇到多雨天气，直流设备也会降低自身的运行效率，削弱绝缘性，减小地绝缘电阻，导致电路正、负极接地。二是人为因素。由于操作人员比较粗心，施工时不小心触碰带电直流小母线，错误地对直流端子排进行短接，均可导致瞬间接地。三是设备因素。有些设备性能不佳，对直流系统安全也会构成威胁，如刀闸或是开关位置接点存在缺陷，导致接触不良，最终会引起接地故障。

2.2.2 直流接地的危害

根据接地属性可以划分为负接地和正接地。根据接地类型可划分为直接、间接接地。根据接地状态可划分为绝缘、单点、环路以及多点接地等。正极接地，大概率都会令断路器存在误动作。一旦直流系统存在正极接地，断路器也将作出误判断，从而导致误跳。拒跳闸，说到底还是由于统负极接地引起。假设闸线圈、继电器中出现接地，则继电器、断路器分（合）闸线圈也会存在短接。当两点接地时，该情况下也会存在短路电流。

2.2.3 直流系统两点接地

直流系统本身比较烦琐，由多个一次、二次设备以及信号电源等构成，将二次回路和直流母线予以接通。正因为此，增加了直流接地的可能性。直流系统中，如果出现一点接地，则接地母线原始的电压也会下降，而非接地极母线上的电压反而会增加。不过，并未出现短路电流。如果故障未能马上排除，另一点接地也很快会出现，此时保护系统必然会陷入误动。严重时，还可能拒动。就直流系统而言，这类故障带来的危害是不可想象的。所以，一点接地时应当立即将故障予以消除。

3 直流回路缺陷的处理方法

3.1 交直流信号的干扰处理方法

一是回路中继电器（光耦），要想办法增加动作功率（＞5W），将继电器控制在合理的动作速度。若有必要，应开启中间继电器。二是对于某些重要光耦，应当提前将其开入回路予以分隔。若该回路只要开启，就会迅速跳闸。隔离开入，不允许借助长电缆来直接牵动光耦。相反，需选择大功率中间继电器进行辅助操作。三是尽量避免对重要回路进行长电缆连接。目前分析，保护下放、小室化设计是比较理想的选择。而取缔分布小室，是今后的改良方向，建议集中网控室，防止小室间频繁地敷设长电缆。

3.2 防止直流接地或交直流混联

为了不影响回路本身的绝缘性能，有必要加强对二次回路设施的巡查、并对直流系统做好维护。在巡查前，相关人员应当认真分析危险点，采取必要的安全措施，防止人为引起的交直流混联，避免直流接地，并对一次间隔加以控制。

目前，部分500kV 升压站中均已推广使用特殊的直流系统，即携带两串间隔。对交直流端子进行设计时，需要分布于端子排的各个区域，为交直流端子留出适当的距离，做好醒目地标注。同类型的圆盘开关或是刀闸辅助触头，禁止分开设置。否则，瞬时交直流混合，同样也可能导致触头动作。220V 交流电源系统并非理想的选择，如拆除交流照明回路。

3.3 直流接地的处理方法

提前准备直流接地巡检相关的工具，如万能表、直流接地设备、工具箱，各1套。直流接地检查，具有较高的危险性，极易出现人为因素引起的两点接地事故，以触发保护误动。需要采取必要的安全措施。一是操作时不允许误碰回路。测试前，相关人员要仔细地核对整个回路，交给专人监管，防止用力拉扯电缆。二是带电间隔不允许误碰，同样也要交给专人负责管控，并且和带电设备留出适当的距离。三是直流馈线屏，须减少人为失误导致的直流接地。

4 直流回路缺陷的预防措施

4.1 加强设计、施工方面的管控

一是设计时，交、直流电缆必须分开、单独布置，电缆不允许共用，防止交流电意外地串入直流回路中，引起直流接地。二是二次回路电缆同样要对电缆进行屏蔽，双端接地，不允许直接改用电缆空线。三是交直流端子，要严格分区，中间增加一个隔离端子，以不同颜色进行区分，避免误接线，否则交流量同样也会接入整个直流回路。四是在非电量保护中，中间继电器应当由强电直流来负责启动，同时选择功率适当的中间继电器，最好≥5W。同时，动作电压也不能过低，最好为额定电压（220V）的55%～70%，≥10ms。

4.2 改良直流绝缘监测装置

最初的绝缘监测装置，即便交流电真的已经串入直流，也无力监测，更谈不上报警。为此，需要适时地改造这些监测装置，一旦交、直流系统绝缘出现这样的异常或是有串入行为，立即发起告警，方便相关人员进行处理。

4.3 改进继电保护及自动装置

在交流回路上，需要设置一款专门的变压器或是滤波电容，将交、直流系统有效地和大地进行区分，避免两大系统出现电气耦合，减小串入交流量，令保护装置规范、安全地运作。

4.4 严格控制直流系统电缆布置方式

根据直流系统相关标准，其电缆长度不能过度，减少迂回。现行设计规程中并未对这方面作出说明，理论上＜400m。直流系统引入的电缆芯根数越多，长度越大，意味着对地分布电容相对也就会越大。一旦有交流电串入时，继电器上承受的交流电压反而会衰减越慢。可见，有必要对二次电缆进行科学布设。当直流负荷超标，建议选择分开供电，减少电缆长度。规划时，需综合考虑电网的适应性，为继电系统的长久运行提供条件[3]。

4.5 提高直流系统告警信号的重要级别

“直流系统接地”以及“直流绝缘异常”均属于直流系统易触发的告警信号，均可纳入Ⅰ类缺陷，或是将其划入到仅次保护事故信号的级别，缩小事故范围。

5 结语

无论保护、控制系统或是自动化设备，直流电源均有重要的意义。目前，在线检测、自动化设备增加了供电系统的运行可靠性，同时也对直流系统的性能提出新的要求。很多大型电网事故，其诱因均为直流或是交流混合接地，采取必要的措施，对于类似事故有一定的预防作用。