吴继健 肖远兵 陈月 刘忠祥 欧阳建

摘  要：直流电源系统是站用电源系统的重要组成部分，相当于变电站的“心脏”，其绝缘水平直接影响到变电站的安全运行[1]。因此，准确监测直流系统绝缘故障是提高电网运行可靠性的关键。直流互窜现象也称为环网故障，是直流系统中一种常见且危害性较大的故障。传统用测量仪表测试直流系统各项工作参数的方法很难及时检测和判定故障点，而现有绝缘检测装置又存在缺少直流互窜检测功能、故障误报、互窜检测过程中干扰直流系统正常運行等缺陷。针对上述问题，文章首先对变电站直流互窜故障产生原因、危害及类型进行阐述分析，提出一种新型的直流互窜检测方法。该方法采用互窜检测桥，对两套直流系统母线之间直流互窜故障进行实时监控、精准定位、计算互窜电阻，并以在220kV变电站的实际应用检测数据验证该方法的有效性。

关键词：直流电源系统;绝缘监测;直流互窜;直流互窜检测;互窜检测桥

中图分类号：TM721        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0026-05

Abstract： DC power supply system is very important in substations， it is equivalent to the "heart" of substation. The insulation level directly affects the safe operation of substation. Therefore， accurately monitoring the insulation fault of DC system is the key to improve the reliability of power grid. DC inter-connect is a common and harmful fault in DC system. The traditional instruments which measure the parameters of DC system can't easily detect faults， and the existing insulation detection devices have some defects such as lack of DC inter-connect detection function， false alarm and interference with the normal operation of DC system when detecting inter-connect. For the above problems， this paper first analyses the cause， hazards and types of DC inter-connect faults in substations， and then proposes a new DC inter-connect detection method. Based on the inter-connect bridge， this method monitors， locates accurately and calculates the inter-connect resistance between two sets of DC system， and the effect is verified by the application in 220 kV substation.

Keywords： DC power system; insulation detection; DC inter-connect; DC inter-connect detection; inter-connect detection bridge

引言

变电站直流系统为断路器分合闸及二次回路继保设备、故障照明等重要负载提供直流电源。[1]系统主回路一般由交流电源、充电装置、蓄电池组、降压装置、直流母线以及馈线部分组成，其监控系统又由主监控、绝缘监测装置、交流监测装置、蓄电池巡检装置等组成。由于整个直流电源系统网络构成复杂、线路分支多，因此在实际运行中容易发生由误接线、误操作、装置性能下降等情况导致的绝缘接地、直流互窜等故障。如不能及时排查，将会给直流系统内设备带来极大危害，影响直流系统乃至整个变电站的安全运行。其中，两段直流母线分列运行是220kV及以上重要变电站的常用直流电源模式，较单一直流系统结构更加复杂，也更易引起直流互窜故障。现有技术一般采用外接仪表测试或由绝缘监测系统检测，但是存在接线复杂、缺少直流互窜检测功能、互窜故障误报或是检测过程中对直流系统产生干扰等问题。如何及时准确判定故障类型、定位故障点、计算互窜电阻是目前研究的技术难点。[2]

1 直流互窜故障分析

1.1 产生直流互窜的原因

在重要变电站中通常会设置两套直流电源系统，正常运行状态下相互独立，两段直流母线要求保持绝缘。但在实际运行中，常常会因为各种因素而出现电气连接，形成直流互窜现象，也称为环网故障。产生环网故障的主要原因有：

（1）在变电站新建、扩建或改造施工过程中，负荷电源会被同时接入两段直流系统中，形成寄生回路，产生直流互窜故障。[3]

（2）运行维护人员在进线电力负荷操作时，需将同一负荷中的两段母线开关同时合上，然后再断开其中一路开关，进而实现母线切换[4]，如果误操作没有断开其中一路开关，两段直流系统便会发生并列运行，形成环网。

（3）在原有的直流系统工作状态下，再加入另一套直流系统，分配给新建直流系统的电力负荷就会与原始的直流系统发生电气连接的状况，从而导致直流互窜故障。

（4）在同一根电缆中有两套直流系统，当分别属于两段母线的电缆之间绝缘材料出现问题时，将导致直流互窜故障。[4]

（5）某些二次设备由两套直流系统供电（互为备用），由于装置内部没有绝缘隔离导致直流互窜故障。

1.2 直流互窜的危害

直流互窜现象是变电站直流系统运行中的一种常见故障，给整个电力系统的稳定、可靠运行造成极大威胁，存在如下安全隐患：

（1）直流馈线电路中若出现环网故障，可能导致馈线烧毁，甚至引起火灾，造成更大事故。

（2）导致两段蓄电池并列运行，从而产生巨大环流，出现发热情况，甚至可能引起火灾，同时会加速蓄电池老化，降低使用寿命。

（3）导致接地故障检测灵敏度下降。[5]一点接地时不发出接地告警，或当发生一点接地时，两段直流系统同时发出接地告警，无法区分故障位置;而接地故障也会引发操作电源的误动作。

（4）导致直流系统整体分布电容增大，一点接地时可能引起继电保护动作。

（5）引起设备拒动、空开极差配合失效等。

因此，国家相关部门对直流互窜环网问题愈发重视，在新的绝缘技术规范中已明确提出直流电源监测必须对直流互窜故障进行告警和保护，并能选出直流互窜的故障支路。

2 直流互窜故障类型

文章分析研究两套直流系统互窜故障的四种典型状况，分别为两段母线的正-正极互窜、负-负极互窜、正-负极互窜、负-正极互窜。不同类型的等效电路示意图如图1所示。

其中，正-正极互窜表现为直流一段母线正极与直流二段母线正极形成回路，使两段直流电源正极对地电压相等，即U1+=U2+;

负-负极互窜表现为直流一段母线负极与直流二段母线负极形成回路，使两段直流电源负极对地电压相等，即U1-=U2-;

正-负极互窜和负-正极互窜表现为直流一段母线与直流二段母线的正负或负正极形成回路，使两段直流电源端电压增加一倍即U=2U1=2U2。

3 直流互窜检测系统设计

3.1 直流互窜检测系统原理框图

对两套直流电源环网故障的检测方法，是一种可提供直流互窜类型判断和准确定位故障点、精确计算互窜电阻的新型方法，具有在线监测功能，可及时排除直流互窜故障隐患。直流互窜检测系统的设计原理是由两套绝缘监测主机对两段母线电压进行检测，并通过馈线从机模块对漏电流进行实时检测。该系统定时启动直流互窜检测，自动对绝缘监测主机内部电路桥进行投切，使两段絕缘监测主机联络配合检测，完成对互窜类型的判定，确定故障是否存在。绝缘监测主机与馈线从机模块进行通讯，根据馈线从机检测到的漏电流进而选取发生直流互窜故障的馈线支路。[6-7]直流互窜检测系统原理如图2所示。

3.2 预判互窜类型

直流互窜类型的判定方法是通过绝缘监测主机装置在一段直流母线引入互窜检测桥，再将二段直流母线正负极依次连接到互窜检测桥中心点，产生不同的中点电压，对比前后接入的二段直流母线正负极到一段检测桥的中点电压，预判当前系统的直流互窜类型[8]。检测流程如下：

（1）流程1

切断PE至二段母线绝缘装置的检测模拟地AGND的连接，如图3所示，将图中K1断开。此项操作目的是避免受二段母线回路分流影响，使下一流程中互窜检测桥引入系统后，可以通过电路节点电流流入和流出相等原理构建等效方程式[9]。

（2）流程2

图3中绝缘监测主机闭合K2继电器触点，将直流二段母线正极与直流一段母线互窜检测桥的中点形成电气连接，注意此时务必保证直流二段母线负极与一段母线互窜检测桥中点间是断开的，K2继电器线圈闭合，K3继电器线圈断开，此时可计算得到中点电压U0，一段母线正负对地电压U1+、U1-[9]。

（3）流程3

图3中绝缘监测主机闭合K3继电器触点，将直流二段母线负极与直流一段母线互窜检测桥的中点形成电气连接，注意此时务必保证直流二段母线正极到一段母线互窜检测桥中点间一定是断开的，K3继电器线圈闭合，K2继电器线圈断开，同理可得到中点电压和一段母线正负对地电压[9]。

根据由检测流程2、3分别得到的中点电压U0值和正负类型，从而预判当前互窜环路类型，用于构建等效电路图。根据大量的测试和验证数据证明，通过建立等效方程式，计算等效互窜电阻与实际故障电阻相符，可以准确判断直流互窜故障的存在。

3.3 计算互窜电阻、判定母线互窜故障

3.3.1 正-正极互窜类型

当预判母线互窜环路类型为一段正极与二段正极互窜类型，该互窜类型中二段正母线引入一段互窜桥中点的等效电路示意图如图4所示。

式中：i1为一段母线正极流入平衡桥正极的电流，R1为平衡桥正极电阻;i2为二段母线正极流入到平衡桥中点电流;i3为平衡桥中点通平衡桥负极电阻过R2流入到一段母线负极的电流;Rx为互窜等效电阻;U0为平衡桥中点电压;Ua和Ub为一段母线正负对地电压。

由上面方程式可求该互窜类型的等效互窜电阻值Rx，绝缘监测主机设置的母线互窜电阻限值R1已知，如果Rx？燮R1，则存在互窜环路，且为正-正极类型互窜;反之，则判定当前系统不存在互窜环路[10]。

3.3.2 负-负极互窜类型

当预判母线互窜环路类型为一段负极与二段负极互窜类型，该互窜类型中二段负极母线引入一段互窜桥中点的等效电路示意图如图5所示。

式中：U1为平衡桥中点电压;Um和Un为一段母线正负对地电压。

由上式可求出等效互窜电阻值Rx，如果Rx？燮R1，则判定当前系统存在互窜环路，且为负-负极类型互窜;反之，则判定当前系统不存在互窜环路。[10]

3.3.3 正-负极互窜类型

当预判母线互窜环路类型为一段正极与二段负极互窜类型，该互窜类型中二段负极母线引入一段互窜桥中点的等效电路示意图如图6所示。

由上式可求出等效互窜电阻值Rx，如果Rx？燮R1，则判定当前系统存在互窜环路，且为正-负极类型互窜;反之则判定当前系统不存在互窜环路。

3.3.4 负-正极互窜类型

预判母线互窜环路类型为一段负极与二段正极互窜类型，该互窜类型中二段正母线引入一段互窜桥中点的等效电路图如图7所示。

由方程式可求该互窜类型的等效互窜电阻值Rx，绝缘监测主机设置的母线互窜电阻限值R1已知，如果Rx？燮R1，则判定当前系统存在互窜环路，且为负-正极类型互窜;反之则判定当前系统不存在互窜环路。

3.4 直流互窜故障定位

在对直流互窜类型和互窜阻值进行准确判定和计算后，绝缘监测主机与馈线从机联络通信配合，一段绝缘主机下发广播命令告知一段母线的所有从机进行相应类型的支路轮询选线，如一段母线为正极环路，则进行正极选线，反之进行负极选线，与此同时一段主机同样通过联络口告知二段绝缘监测主机，当前二段母线绝缘监测主机的环路类型，二段母线绝缘监测主机收到命令后，对其所有从机进行选线命令的广播下发，所有从机通过漏电流检测法，轮询所有支路的漏电流，并判定与互窜环路时的漏电限值比较，对两段馈线环路的支路进行定位分析，选出对应的互窜支路，互窜之路选线流程图如图8所示。绝缘监测系统发出声光告警的同时将故障信息传送至后台监控。

4 应用与测试数据

上述直流互窜检测方法已在220kV变电站直流电源系统绝缘监测中得到应用，减少了变电站运维人员的运维服务工作量，使直流系统的可靠性得到提高，使环路故障难检测或者检测方法不当问题得到了彻底的改善。当前，环网检测已经逐步成为南网和国网的直流系统绝缘监测的硬性指标。应用此设计方法开发的绝缘监测主机和馈线从机模块已分别对四种典型互窜类型进行了测试验证，测试数据证明该方法能精确的对系统直流互窜故障分析和检测，通过用不同阻值的电阻模拟两段系统之间互窜，得到的互窜检測的测试数据见表1。

5 结论

直流互窜，即环网故障是直流系统中比较严重的故障，给直流系统的安全和稳定运行带来很大的影响和危害，运行维护人员通过设备监测到互窜故障后，要严格按照运行管理规范处理问题，不能逃避解决环网故障，以保证直流系统的稳定可靠。

直流互窜检测设计方法可在线自动检测两段直流系统互窜，也可通过手动启动互窜环路检测。[15]自动定时检测过程可以不需要运行维护人员到现场观察，根据设定的互窜定期检测周期，自动启动互窜检测，如果检测到当前两段系统存在互窜环路告警，系统会自动循环检测，并通过485通讯上传至后台通知运行维护人员，直至环路解开或者手动停止检测。不但能够精确有效的检测出当前互窜故障是否存在，判断直流互窜类型，选出互窜的馈线支路，具有计算当前互窜等效电阻值功能，自动完成检测过程，确保这个变电站的“心脏”能够稳定可靠的运行。

在实际变电站系统进行测试验证，在两段直流系统馈线支路间分别引入四种互窜类型、不同阻值的电阻，经多次验证可百分之百精确检测互窜故障，计算互窜的阻值，并选出两段直流母线互窜支路，无误告警。同时，本检测方法还是存在着多级互窜故障检测不准的问题，这也是互窜故障检测后续需要进一步研究的方向。

参考文献：

[1]邓崇运.浅析变电站直流控制系统的运行维护和接地故障处理[J].科技经济导刊，2018，26（34）：50+52.

[2]徐玉凤，云昌安，尹星光.直流系统环网故障的危害与处理[J].广东电力，2010，23（9）：83-85.

[3]黄勇.变电站中直流系统存在的环网问题及解决方法[J].中国新技术新产品，2016（11）：75.

[4]李应文，彭明智，张纯.变电站直流电源系统直流环网与交流窜入的原因及危害[J].自动化与仪器仪表，2018（07）：57-60.

[5]李善龙.变电站直流绝缘检测系统设计及应用研究[D].山东大学，2016.

[6]张伟，吕睿博，阎有朋.基于不平衡电容注入的配电网小电流接地故障定位方法[J].智慧电力，2017，45（10）：66-71+87.

[7]黄晶，朱武.直流系统接地故障检测的新方法[J].广东电力，2015，28（11）：79-82.

[8]李润平，温泉.直流系统接地故障的分析[J].华电技术，2008（02）：58-61.

[9]费万民，张艳莉，吴兆麟.电力系统中直流接地电阻检测的新原理[J].电力系统自动化，2001（06）：54-56.

[10]黄晶，朱武.基于双平衡桥探测直流系统接地故障检测的新方法[J].电测与仪表，2017，54（08）：75-79.