《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》(试行)^[1]继电保护专业重点实施要求(以下简称《反措》)中要求"直流母线应采用分段运行方式,每段母线采用独立的蓄电池组供电,并在两段直流母线之间设置联络开关,正常运行时,开关处于断开位置"^[1]。包头供电局在旧设备改造过程中,除严格执行《反措》要求外,发现还应注意分段运行的2段直流母线须相互独立。假如有2组直流电源,即信号电源和控制电源,且2组电源取自不同段直流母线,如果将2组电源的正、负极混淆,例如将控制电源的负极当作信号电源的负极,就会造成2段直流母线不独立,最终产生2段直流母线同时接地故障,且分别为正极接地和负极接地,可能导致保护误动或拒动、保护越级跳闸等后果,严重影响电网的安全稳定运行。本文对这种接地现象的产生原因进行了分析,针对可能导致的后果提出防范措施,同时为在保护实现双重化配置过程中2组直流电源应相互独立的规定提供了理论依据。 1 2段母线直流电源同时接地故障现象 1.1 故障现象

包头供电局兴胜变电站某220 kV线路直流系统示意图如图 1所示,该站有2段直流母线,分段运行,2段母线电源由各自的蓄电池和充电设备提供。为监视直流母线系统的绝缘情况,每段母线配备1套绝缘监察装置。该线路安装2套保护装置和1套测控装置,保护1的控制电源KM1、保护电源BM1由Ⅰ段母线提供;保护2的控制电源KM2、保护电源BM2由Ⅱ段母线提供;线路测控装置的信号电源XM也由Ⅱ段母线提供。

图1(Figure 1)

图 1 兴胜变电站某220 kV线路直流系统接线示意图

对该线路改造完成后,在将保护电源、控制电源和测控屏信号电源空气开关全部合上时,发现直流Ⅰ段、Ⅱ段母线均发生直流接地故障。 1.2 线路保护装置概况

该线路保护装置为北京四方公司继保自动化股份有限公司的CSC-103D型和南京南瑞继保电气有限公司的RCS931型2套保护装置,分别配备操作箱,安装在各自独立的保护屏上。CSC-103D型保护装置直流电源由Ⅰ段母线提供,正、负极分别标记为+KM1、-KM1;RCS931型保护装置直流电源由Ⅱ段母线提供,正、负极分别标记为+KM2、-KM2;线路测控装置的信号电源由Ⅱ段母线提供,正、负极分别标记为+XM、-XM。测控装置分别从2套保护装置的操作箱采集断路器的分位、合位信号。当操作箱内的分位、合位信号辅助触点闭合后启动测控装置内的信号继电器,进而向变电站的后台发送信号。但是,在装接直流电源二次线路的施工过程中,由于工作人员的疏忽,将信号继电器电源的正极接至+XM处,而将负极分别接至-KM1、-KM2处(见图 2所示)。由此导致了2段直流电源的混淆,当负极接至-KM2时,由于-KM2和+XM同在直流母线Ⅱ上,直流馈电屏不会报直流接地告警信号,但当接至-KM1时,由于-KM1和+XM分别在直流母线Ⅰ和直流母线Ⅱ上,直流二次回路中产生了寄生回路,导致2组直流电源其中1组报正极接地、另1组报负极接地告警信号。

图2(Figure 2)

图 2 测控屏信号电源示意图

在电力系统运行过程中,每组直流电源都会安装1套直流绝缘监察装置,用来检测直流系统的绝缘情况,每套直流绝缘监察装置有1个接地点,如果将上述图 2中信号电源的负极接到-KM1上,由于寄生回路的产生导致直流系统中存在2个接地点,造成2段母线分别正极接地和负极接地。以下对直流绝缘监察装置原理及其电路模型做定性分析,以解释这种直流电源同时接地现象产生的原因。2.1 直流绝缘监察装置原理

直流绝缘监察装置原理与电桥平衡原理相同,其电路原理示意图如图 3所示^[2]。正常工况下,直流系统正、负2极对地的绝缘电阻R₃=R₄,由于装置内阻R₁=R₂,因此,在由R₁、R₂、R₃、R₄构成的四臂电桥中R₁R₄=R₂R₃,满足电桥平衡条件。A点的电位与地电位相等。信号继电器KS两端无电压,不动作。

图3(Figure 3)

图 3 直流绝缘监察装置电路原理图

当某一极对地的绝缘电阻下降或电源直接接地时,由于R₃≠R₄,所以R₁R₄≠R₂R₃,电桥平衡被破坏,A点对地产生电压,信号继电器KS动作,发出告警信号。直流绝缘监察装置等效电桥原理图如图 4所示^[3]。

图4(Figure 4)

图 4 直流绝缘监察装置等效电桥原理图

根据图 2,如果将信号电源的负极接到-KM1上,相当于将Ⅰ段直流电源的负极与Ⅱ段直流电源的正极通过负载连接起来,形成了寄生回路,其等效电路图如图 5所示。

图5(Figure 5)

图 5 寄生回路等效电路图

利用叠加定理计算电流I,可将等效电路分解为图 6的a图、b图。将电路化简,计算可得(计算过程省略)图 6a中A点对地电压U_AE1=61.7 V,流过R_s的电流I₁=-1.6 mA;图 6b中A点对地电压U_AE2=-48.3 V,流过R_s的电流I₂=-1.6 mA。由此可以计算图 5中A点对地电压U_AE=U_AE1+U_AE2=13.4 V。但是,由于电压源的存在,直流系统一(图 6a)的负极对地电压会制约在-210 V。流过图 5中R_s的电流I=I₁+I₂=-3.2 mA。同理可得直流系统二(图 6b)的负极对地电压为-13.4 V,正极对地电压制约在210 V,流过直流系统二中R_s的电流为3.2 mA。一般直流绝缘监察装置的保护动作电流值为1.4 mA,所以在Ⅰ段、Ⅱ段直流系统中,流过R_s的电流均大于保护动作电流值,会报直流接地故障告警信号。在计算过程中,当直流绝缘监察装置的R₁、R₂,信号继电器负载取不同值时,直流电源的正、负极电压也会不同。

图6(Figure 6)

图 6 直流电源单独作用下分解电路图

虽然由于计算误差造成理论计算得到的电压值与实际测量的电压值有所不同,但本文中的电路模型能正确反映实际工作中的直流电源接地现象产生的原因^[4],即由于寄生回路导致了2组直流电源同时接地。3 2组直流电源同时接地故障的危害

当由于产生寄生回路导致2组直流电源同时接地时,可能造成保护误动、拒动,保护越级跳闸等后果,严重影响电力系统的安全稳定运行。例如:某变电站在综合自动化改造过程中,出现了如图 7所示的接线错误,在断路器非全相运行时,三相不一致使得启动接点接通,通过时间继电器将+KM2和-KM1连接在一起,形成2个直流系统间的寄生回路。从而引起2套直流系统都报直流接地故障告警信号。当时测量Ⅰ段母线电压U_+KM1=30 V,U_-KM1=-193 V,Ⅱ段母线电压U_+KM2=194 V,U_-KM2=-30 V,导致时间继电器的电压约为60 V,远未达到其保护动作电压,造成保护拒动^[5]。

图7(Figure 7)

图 7 接线错误产生的寄生回路

在由于寄生回路引起的2组直流电源同时接地故障中,如果Ⅰ段母线的负极直接连接到Ⅱ段母线的正极(如图 5中R_f=0),会形成电压为440V的直流系统,损害保护装置的绝缘及性能,缩短其寿命,而且还会对蓄电池的寿命和容量产生不良影响。4 结论及防范措施 4.1 结论

本文通过对2组直流电源同时接地现象的原因进行分析,得出以下结论。

(1) 当发生由于产生寄生回路引起的2组直流电源同时接地故障时,直流系统内肯定存在2套直流绝缘监察装置;当2段直流系统产生寄生回路时,母线对地电压变化情况为:1段正极对地电压降低,另1段负极对地电压降低,所以2套直流绝缘监察装置1个报正极接地、另1个报负极接地告警信号。当断开寄生回路中2个电源中的任意1个电源时,直流接地故障消失。

(2) 2组直流电源同时接地故障有可能影响保护装置的性能、绝缘,减少蓄电池的寿命及容量,甚至可能导致线路保护误动、拒动,对电网的安全稳定运行产生不良影响。4.2 防范措施

为防止本文所述的2组直流电源同时接地故障的发生,确保保护装置的运行可靠性,延长蓄电池的寿命,提出以下防范措施。

(1) 当直流设备数量较多时,应将设备分接在直流馈线屏上。一旦发生接地故障,马上根据绝缘监察装置发出的告警信号查找接地故障类型和故障位置。

(2) 规范变电站二次系统施工工艺,从源头上杜绝故障隐患。继电保护人员应清楚了解每条直流回路的起点、终点,严禁将不同直流电源混淆,随意短接。并且严格遵守《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》和其他相关反措中的有关规定。

(3) 重视变电站直流系统在电网安全稳定运行中的作用,利用停电时间对直流回路进行隐患排查。

(4) 保护、运行人员应加强检查、巡视设备力度,及时发现并排除二次回路故障隐患,防止事故范围扩大。