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换流站直流系统接地故障分析研究

发表时间：2021/5/10 来源：《建筑科技》2020年10月下作者：王凌飞

[导读] 接地故障在直流系统中时时发生，极大地浪费了维修资源，也影响了系统的正常运行。厘清接地故障机理及对直流系统产生的影响，才能有针对性地去降低接地故障的概率和缓解事故后果。文章结合电路图，分析了开关的选型在缓解接地故障后果中所发挥的作用，对比了蓄电池支架不同接地方式的特点，并给出为缓解事故后果所应选择的方式。

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摘要：接地故障在直流系统中时时发生，极大地浪费了维修资源，也影响了系统的正常运行。厘清接地故障机理及对直流系统产生的影响，才能有针对性地去降低接地故障的概率和缓解事故后果。文章结合电路图，分析了开关的选型在缓解接地故障后果中所发挥的作用，对比了蓄电池支架不同接地方式的特点，并给出为缓解事故后果所应选择的方式。
关键词：接地故障；直流系统；蓄电池
        1.引言
        基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术自被提出以来，凭借其模块化、低谐波含量、低损耗等优势，逐渐取代电压源换流器(VSC)成为更适合构造柔性直流电网的拓扑结构，为输电方式变革和构建未来电网提供了崭新的解决方案[1]。随着柔性直流输电系统电压等级和容量的提升，基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统成为未来直流输电系统发展的重要方向。
        为满足日益增长的用电需求，直流系统作为诸多设备控制电源的来源，一旦发生接地故障，极易引发一系列的不良影响。这就需要了解直流系统接地故障的原因，掌握有效的检测方法并加以处理，以期降低故障风险，保证发电厂安全运行。
        2.变电站直流系统工作原理及组成
        变电站直流系统一般包含两段，每段直流由站内两个来源不同的站用交流电通过各自所附属的充电机模块实现整流，确保站内直流供电系统的可靠性。变电站直流系统通常包含由站用变提供的交流供电电源、用于整流的整流器模块、直流馈电单元以及系统绝缘监测模块。其中，整流器模块和绝缘监测模块是整个直流系统的核心。
        2.1整流模块
        整流模块目前已广泛应用于系统换流站中，一般可作为直流稳压和稳流电源使用。通常情况下，额定电流一般为10 A。整流模块在上级三相交流电源输入后，先经过EMI滤波和三相全波整流后形成高压直流电，再经过全桥移相逆变、整流为频率约140 kHz 的脉冲电压波，最后通过内部的滤波装置后形成直流电源。在变电站中，一般一个充电机屏包含有多个整流模块，各个整流模块之间可以并联运行并实现自动均流。多模块并列运行的优势在于，当某个或几个整流模块出现异常或故障退出运行时，其他整流模块可以不受影响，继续保持正常运行，从而从源头上提高直流系统运行的可靠性。投入实际生产运行中的整流模块一般还包含热插拔功能、过流保护功能、过温保护功能、短路保护功能、输出过压保护功能以及告警功能等[2]。
        2.2绝缘监测模块
        绝缘监测模块主要作用是实时不间断监测直流系统的绝缘状况，以集散方式通过整流模块内部的监控电路、信号采集单元等对当前系统绝缘参数进行采集，将采集的数据以串行通信方式传输给微机直流监控装置的主机。绝缘监测模块在其主板上扩展了串口和以太网接口等，可实现与多个各级智能设备的连接和数据传输，也可通过RS-485 方式或以太网接口将采集的告警、开关量信息等传输到监控后台 [3]。
        3.直流系统接地故障类型
        3.1单点接地
        直流系统为IT系统，如果正、负极只有一极接地，对直流系统的运行不会产生影响，系统可以持续对下游负载供电。但出现这种故障时，应及时处理，避免故障持续存在而导致多点接地的发生。
        3.2多点接地
        如果单点接地不及时处理，同时叠加同极另一点接地或另一极的一点接地，或有大于两个点的接地，将会对系统运行产生影响，这种叠加接地的工况统称为多点接地。
        4.发电厂直流系统接地故障检测方法
        4.1万用表检测
        即在万用表的作用下检测直流系统中的部分接地电压，如果数值有所变化，则可排除此段线路，接着检测其他部分的线路，直至找到接地点，所以耗时较长，不太适用于复杂设备，而且要求检修人员具备过硬的专业技能，积累丰富的经验。
        4.2监测装置
        由于直流系统接地故障有单点接地、多点接地、多分支接地等多种情况，若遇到多个电源同时接地的问题时单纯使用万用表效率低，不利于接地故障的及时排除，此时便可以结合应用监测设备，即在直流系统附近放置监测设备用于对地绝缘变化的实时监测，尽快缩小故障范围。值得注意的是，该方法无法精确定位故障，可以作为其他检测方法的辅助。
        4.3移动检测装置
        这里提及的移动检测装置指的是抗分布电容式直流接地探测装置，可利用直流接地探测装置与移动手持式钳形测试仪相互配合测量接地故障直流系统中的不同回路，探测装置会根据手持测试仪测量的回路位置提示出接地故障点或绝缘低的方向，从而不断缩小故障范围，查明故障位置。其不仅能有效判断接地故障点位置，还无需断开电源，而且可根据检测需要实现移动测量，有助于缩短故障排除时间并保证安全检测。但目前此类装置的技术成本较高，尚未得到全面推广应用。
        5.故障案例分析
        本文涉及的两套系统分别为极1 220 V直流系统和极2 220 V直流系统，两套系统所带负荷均为直流系统核心二次设备。每套均由三个充电机屏、一个母线联络屏及若干馈线屏组成，馈线柜内的直流母线均设置了避雷器，如图1所示。馈线屏内装设WJY3000A型绝缘在线监测装置，对应每一条馈线均设置了CT，一旦发生直流接地故障，系统将发出告警信号，并选出对应的故障支路，以便运维人员查找故障。如图1所示。

图1 换流站220 V低压直流系统原理接线图
        Ⅰ段负极母线避雷器击穿导致直流接地事件。运行人员对极2低压直流系统检查发现，正控母线电压为233.8V，对地绝缘电阻为999.9kΩ，负控母线电压为0V，电阻为0kΩ，极2低压直流#1馈线屏一绝缘装置显示主机（主要反映极2低端低压直流馈线支路绝缘情况）#99支路（#1蓄电池支路）绝缘故障，正极电阻99.99kΩ，负极电阻0.35kΩ；从机（主要反映极2高端低压直流馈线支路绝缘情况）#12支路（极2高换流变本体保护屏支路）绝缘故障，正极电阻99.99kΩ，负极电阻0.23kΩ。低压直流系统的母线避雷器采用VAL-MS-230/2-FM型电涌保护器，采用大功率压敏电阻，一端连接直流母线，另一端可靠接地。
        6.结论
        直流系统接地故障对发电厂安全生产的影响不可小觑，因此在保证日常维护到位的同时，一旦发现接地故障，必须在第一时间采取有效的检修方法锁定接地点，然后对症下药解决故障，进而为发电厂安全、稳定运行提供重要保障。
参考文献
[1]魏能峤, 周念成, 罗永捷, et al. 基于电压应力分析的柔性直流换流站故障限流阻抗参数优化[J]. 电力系统自动化, 2020, 04.
[2]戴逢哲, 陈磊, 毛首成. 直流换流站故障报警系统智能手机应用软件设计[J]. 信息记录材料, 2020, 02.
[3]赵成勇, 李探, 俞露杰l. MMC-HVDC直流单极接地故障分析与换流站故障恢复策略[J]. 中国电机工程学报, 2018, 3.