陈瑞珍，曹文彬，代文良，曹晖

(国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南长沙410004)

0 引言

重要变电站或发电厂的直流系统,为提高供电可靠性,大多配置两套直流系统[1-2]。正常情况下,两套直流系统独立运行,没有直接的电气联系,但实际运行中,往往由于各种原因,造成两套直流系统之间出现电气连接,形成环网故障[3-5],直流系统故障可能会导致继电保护装置无法正确动作,使得在系统发生故障时扩大事故范围[6-8]。

某220 kV变电站在进行UPS电源改造过程中,发现一旦将原UPS退出即会导致直流系统极对地电压大幅波动,最终发现故障原因为直流系统内存在多点环网。本文针对此次故障进行了详细分析,总结了排查此类故障的经验,并对直流系统的运行和相关改造提出了一些建议。

1 运行方式与故障简述

该变电站UPS电源采用两台主机并联运行的方式,两台主机在同一屏内,交流电源引自低配室,分别引入一路主交流与一路旁路交流,后在屏内分开给两台主机供电；直流电源从直流馈线屏引入,两台主机直流电源分别取自不同段直流母线,基本原理图如图1所示。

直流电源系统采用两段分段运行方式,改造前直流系统无告警信号,改造施工时,断开UPS主交流或直流输入均会造成两段直流系统出现极对地电压大范围波动的情况 (以Ⅰ段直流系统为例,正对地电压波动范围在60～300 V),两段直流系统均发出绝缘故障告警。该现象致使改造工作无法继续进行,且通过故障现象可以判断直流系统存在故障,影响了直流系统的可靠运行。

图1 UPS并联运行基本原理图

2 故障原因排查

2.1 交流窜入直流系统

直流系统内出现交流窜入[9-10]时,对地电压包含交流分量,此时测量极对地直流电压,由于交流分量的存在电压会出现波动。由于该站UPS运行年限较久,可能存在UPS装置内部老化导致设备绝缘性能下降进而引起交直流回路短路,因此首先怀疑故障由交窜直引起。但现场将UPS完全退出后,异常情况仍然存在,且测量直流系统对地电压交流分量接近为零,排除故障为交流窜入直流引起。

2.2 平衡桥损坏或接地异常

直流系统为不接地系统,系统内无对地参考点时将无法测量极对地直流电压,正常运行时为能准确测量极对地电压并对系统绝缘情况进行监测,每段直流系统均配置了平衡桥[11]。但若平衡桥损坏或接地异常,直流系统不存在对地参考点,此时测量极对地电压所表现出的是电压波动的现象,因此怀疑可能存在装置内部平衡桥损坏或平衡桥接地异常导致直流系统失去对地参考点的情况。

现场确认绝缘监测装置平衡桥接地点与屏内接地铜排导通后,另引一根接地线将接地铜排与地网重复接地,异常现象未消除,排除故障为平衡桥接地异常导致。将直流系统内平衡桥拆除,接入便携式平衡桥,再次进行尝试,发现异常情况未消除,排除故障为平衡桥损坏引起。

2.3 直流系统存在接地或环网

将原UPS投入运行使直流系统恢复无告警状态,通过模拟接地触发绝缘监测装置的接地巡检功能。Ⅰ段除接地支路外,另外选出两条支路,指向UPS电源屏与所用变及备自投屏,Ⅱ段同样指向UPS电源屏与所用变及备自投屏,直接观察发现,直流系统出现异常时,所用变及备自投屏内电压监视装置无法正常工作,其显示屏时亮时灭。因此怀疑系统内存在两个环网故障点,两处环网点之间的影响导致了此次直流系统故障。

现场检查所用变及备自投屏内电压监视装置正极取自Ⅰ段直流电源,负极取自Ⅱ段直流电源,解除该处故障点后,由于UPS无法拆解,利用电阻在Ⅰ段母线做正/负接地试验以验证UPS处环网的存在形式,接地试验时两段直流母线极对地电压具有相同的偏移趋势,且对地电压值基本一致,见表1。

表1 UPS环网故障点接地试验结果

至此确认两段直流系统之间存在两个环网点,将两处环网故障点解环后,直流系统恢复正常运行。环网点1:所用变及备自投屏内电压监视装置正极取自Ⅰ段直流电源,负极取自Ⅱ段直流电源,此处存在正-负环网。环网点2:UPS电源屏装置内部存在环网,环网形式为正-正、负-负环网,且环网点电阻值很小。

3 故障分析

3.1 直流系统异常发生前

两段直流系统在UPS内部形成正-正、负-负环网,在所用变电压监视装置处形成正-负极互窜的环网,其电路原理图如图2所示。图中R为平衡桥电阻,E1为Ⅰ段直流系统电压,E2为Ⅱ段直流系统电压,R2为UPS内部环网点电阻、R1为电压监视装置电阻。

图2 直流系统两处环网示意图

根据图2,假设两段直流系统母线电压相等,即E1＝E2,根据基尔霍夫定律[12],

又,根据现场对UPS环网点的验证 (接地试验时偏移趋势与幅度一致),可以判断R2值很小,接近于0,于是有i1≈E1/R1,则Ⅰ段母线正对地电压U1＝iR＝E1/2。

可以看出,虽然此时直流系统存在两个环网故障点,但两段直流系统表现出的正负对地电压均衡,且与R1无关,表面上直流系统不存在故障。

3.2 直流系统异常发生时

断开UPS的两路直流输入开关,将原UPS与直流系统隔离,直流系统出现异常现象,此时系统内只存在电压监视装置处的正-负环网点,其电路原理图如图3所示,图中R为平衡桥电阻,R1为环网点电阻,E1为Ⅰ段直流系统电压,E2为Ⅱ段直流系统电压。

图3 直流系统正-负环网示意图

根据图3,根据基尔霍夫定律,

可以看出,此时Ⅰ段母线正对地电压U1受环网点电阻R1影响。若R1为恒定值,则Ⅰ段母线正对地电压U1也为恒定值；若R1为变化值,则Ⅰ段母线正对地电压U1也为变化值。

3.3 故障分析总结

对于UPS电源内部环网,该站UPS电源运行年限较久,此前曾频发过载告警,但实测输出电流远未达到额定电流,改造前观察表计发现,两台主机之间存在较大环流。而实际运行中UPS由于老化等各种原因逆变输出中含有直流分量,直流分量的差值在双机并联时会形成直流环流[13-15],环流在两台UPS主机之间流动,如图4所示。两台UPS主机各自接入不同段直流电源,直流电源在UPS之间形成环流,使得两套直流系统形成环网。可以看出,无论断开UPS主交流 (整流器停止工作)或直流输入,都可以使此处环网故障解环。

图4 UPS并联运行直流环流示意图

将UPS所在的环网点解除后,此时直流系统存在电压监视装置处的正-负环网点,而电压监视装置工作状态不稳定,引起图3中电阻R1反复变化,最终导致直流系统极对地电压波动的现象。

4 结语

1)出现直流系统对地电压波动时,可考虑的故障因素有交流窜入直流系统、系统平衡桥损坏、平衡桥接地异常、直流系统内部存在环网或接地。

2)直流系统存在接地或环网故障时,若故障点电阻为定值,直流系统极对地电压不平衡但比较稳定。若故障点电阻为变化值,直流系统极对地电压会出现波动的情况。

3)变电站内UPS电源采用两台主机并联运行或主从运行方式时,由于UPS装置老化等因素使两台主机之间存在较大环流时,可能导致站内直流系统之间形成环网,影响直流系统运行的可靠性。

4)在进行涉及直流系统的改造工作前,建议先验证直流系统运行是否正常,主要确认直流系统是否存在接地或环网故障点,可通过模拟接地的方法快速判断,先排除故障再进行改造,可有效提升工作效率。