0 引言

变电站内直流系统作为二次系统最重要的组成部分，为继电保护、事故照明、交流不间断电源等装置提供稳定的直流电源^[1]。直流系统主要由高频开关电源、蓄电池、绝缘检测装置及馈线组成^[2]。由于直流馈线需要延伸至变电站每一个间隔，故其在空间上比较庞大，且接线错综复杂，这也导致直流系统馈线部分容易出现故障^[3]。直流系统故障对电力系统危害很大，有可能造成断路器的误跳或拒跳。

直流系统正常运行时，由于平衡桥的作用，正极对地电压为+110 V，负极对地电压为-110 V^[4]。当直流系统发生合环故障时，正、负极对地电压值都会发生改变，绝缘监测装置会报出直流母线绝缘电阻下降信号。2段直流系统都有绝缘监测装置，当2段直流系统合环时会相互影响，报出绝缘降低甚至直流接地信号，还会影响正常的绝缘监测功能^[5-6]。因此，当直流系统产生故障时，应迅速准确判断故障类型并处理，以保证直流系统的稳定运行。本文以某220 kV变电站产生的合环故障为例，对三种合环故障的特征进行分析，为解决类似故障提供参考。

1 故障概况

某日巡视发现某220 kV变电站的2段直流供电系统正负极电压均不平且极性相反，具体数据如表 1所示。用万用表测量两段母线电压，结果与表 1相同。绝缘监测装置无报警信号；查看绝缘监测装置的支路绝缘，并将绝缘较低的支路进行拉路，电压不平未消失，判断装置的选线不准确。随后对所有支路使用拉路法进行故障查找，经多次试验未找到故障点，判断该故障为2段直流母线的合环故障。

2 绝缘监测装置的工作原理 2.1 平衡桥监测方法

基于平衡桥的绝缘电阻监测装置工作原理如图 1所示^[7]。通过检测U₊、U_-可以判断正极和负极对地的绝缘电阻情况。该检测方法的缺点为：正极和负极同时以相同的电阻接地时，绝缘电阻状态不能检测。

2.2 不平衡桥监测方法

基于不平衡桥的绝缘电阻监测装置工作原理如图 2所示，设正负极之间电压为U，当可控开关SW1闭合、SW2打开时可测得U₊，当SW2闭合、SW1打开时可测得U_-。可得：

(1)

根据公式（1）可得正负极对地绝缘电阻R_X和R_Y，这种方法解决了平衡桥监测时正负极同时接地不能准确监测的缺点，但需要频繁分合控制开关，降低了监测速度。

3 直流系统合环故障分析

由于双重保护中每套保护都要采集该间隔的断路器、隔离开关等设备的位置信息，且2套保护分别用2套直流系统电源，因此2段直流系统合环常发生在配有双套保护的主变压器或线路遥信接点处。以下就2段直流系统可能出现的正极相连、负极相连、正负相连故障特征进行分析。

3.1 正极相连

2段直流系统正极相连时电路结构如图 3所示，其中，R₁为Ⅰ段直流系统绝缘监测装置的内部平衡桥电阻，R₂为Ⅱ段直流系统绝缘监测装置的内部平衡桥电阻。根据电路分析可得2段系统正极相连特点为：2段直流系统正极电压和绝缘电阻相同，正极的绝缘电阻变为R₁与R₂并联后的电阻值，因此正极的绝缘电阻和对地电压都会有所下降；相应地，2段直流母线负极电压有所升高，绝缘电阻不变。

3.2 负极相连

2段直流系统负极相连电路结构如图 4所示，考虑到合环故障一般都出现在遥信回路，而遥信回路的负极均接有一个阻值较大的限流电阻，用R₃和R₄表示。根据电路分析可得，2段母线负极相连时，2段直流系统的负极绝缘电阻和对地电压相等，但是低于正极的绝缘电阻和对地电压。由于R₃和R₄电阻的影响，降低幅度会比正极相连时小。

正极相连和负极相连同时存在的情况相当于2段母线并列运行，当2段直流母线的绝缘监测装置都投入时会相互影响，造成正负极绝缘电阻值降低，降低幅度和正负极的并列回路中电阻大小有关^[8]。同理，此时正负极对地电压也会受并列回路中电阻大小的影响。日常运行中如果需要紧急将2段直流母线并列运行，必须退出其中一套绝缘监测装置^[9]。

3.3 正负相连

2段直流系统正负相连时电路结构如图 5所示，同样以遥信回路中正负相连分析，此时Ⅰ段系统正极对地绝缘电阻和对地电压下降、Ⅱ段系统负极对地绝缘电阻和对地电压也下降，而且下降的数值相等。此时正负极对地电压一高一低，且出现2段直流系统正负极电压相反的现象。

另外，还存在2段直流系统正负极互相连接的情况，即Ⅰ段直流系统的正极接Ⅱ段直流系统的负极、Ⅱ段直流系统的正极接Ⅰ段直流系统的负极。当遥信回路中发生这种故障时，由于有限流电阻的存在，正负极对地电压没有变化，但是正负极的绝缘电阻均有所下降。当连接回路中没有电阻时相当于2段直流系统短路，会直接短路跳开相应的空气开关。

4 Proteus仿真及故障处理

根据以上分析可以看出，某220 kV变电站故障特征符合2段直流系统正负极相连时的特征。为进一步对故障类型进行验证，采用Proteus软件仿真模拟该故障并观察电压变化情况^[10-15]。使用Proteus软件建立2段直流系统正负极相连时的模型，设置直流系统平衡桥的电阻值为25 kΩ、遥信回路中的限流电阻值为100 kΩ，用223 V的电池组模拟直流系统的电源并运行仿真程序，结果如图 6所示。可以看出，理论分析与实际故障中的结果完全吻合。随后通过查找发现，在主变压器隔离开关的机构箱内辅助触点的公共端接线错误，Ⅰ段直流系统的正极接于Ⅱ段直流系统的负极，排除故障后系统正常运行。

5 结论及建议

由以上分析及仿真可知，通过变电站内2段直流系统绝缘监测装置所显示的正、负极对地电压及正、负极绝缘电阻，快速判断出该故障为合环故障。为避免发生直流系统合环故障，在变电站设计阶段应明确规定双重化保护、电压切换等装置分别接入2段直流系统；辅助开关等同时接入2段直流系统容易发生合环的装置，应将2段直流系统分开接入不同的端子排；在施工阶段应保证电缆牌、电缆走向的正确性，两段直流系统可以使用不同颜色的电缆，便于运行维护。