胡敏 黄硕 方灵燕 刘长武 胡军 尹柳 李伟欢
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摘要：直流系统为不接地系统，正常情况下正负对地绝缘，平衡桥就是为了查找直流系统中存在的绝缘降低或者接地故障，在系统的正对地与负对地加入的两个大小相等的平衡电阻。本研究以典型变电站直流电源系统为案例，详细分析了平衡桥未投入造成直流电压异常的原因，并在现场采取针对性方法消除了缺陷，最后提出了防范措施。
关键词：直流系统，平衡桥，电压异常
1.背景
变电站直流电源系统是保证电网安全稳定运行的重要设备，它为变电站提供独立的操作、控制、保护、自动化、通信和事故照明等工作电源，其可靠与否，对安全运行至关重要。直流系统为不接地系统，直流母线失去平衡桥运行，会导致绝缘监测装置无法检测直流接地，引起直流系统电压显示异常，可能造成保护及自动装置误动或拒动，从而导致重大设备事故。因此，当直流系统平衡桥发生故障时，应在保证直流电源正常供电的同时迅速准确排除故障[1-2]。
2.电压异常分析
2.1现象情况
某老旧110千伏变电站进行了直流屏柜整体更换，产品为山东积成电子股份有限公司生产的智能高频开关电源系统。更换前，直流系统电压正常。更换后，站内直流母线电压对地为浮地状态，用万用表测量正负极之间电压为220V，但正负极对地电压逐步变小且漂浮不定，与其他变电站直流电源系统运行情况不一致。
2.2原因分析
通常变电站直流系统平衡桥设置于绝缘检测装置内部，接入直流系统，检修、运行人员直接用万用表可以测量出母线正、负对地电压。而该站更换的直流屏采用的山东积成电子股份有限公司生产的PJ611绝缘监测装置，投入运行后对地量取直流电压为漂浮状态，属于特例。该装置具有母线窜入交流量检测和告警功能。可在线监测直流系统两段母线正负极对地电压及其对地绝缘电阻。量取母线对地交流电压为0，故排除交流量窜入的可能。考虑到电压波动呈现周期性，发生直流接地的可能性不大，怀疑为绝缘监测装置平衡桥设置不正确导致。
2.3平衡桥原理与不平衡桥原理
系统直流系统为不接地系统，平衡桥就是为了查找直流系统中存在的绝缘降低或者接地故障，在系统的正对地与负对地加入的两个大小相等的平衡电阻[3]。直流母线经过绝缘监测装置内部的平衡电阻接地，如图1。
图1 平衡桥原理图
平衡桥设置2个电阻相同的对地分压电阻R1、R2，通过它们测得对地电压V+、V-，就能计算出两极对地绝缘电阻R+、R-。所以平衡桥电阻的大小决定了绝缘电阻与系统电压的比例关系。
当系统正常时：
R1=R2 V+=V-
当系统正极或负极发生接地或绝缘异常时，正对地与负对地电压发生偏差。
假设正极接地，接地电阻为R+，则：
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可以得出：系统正负极电压偏差程度与接地程度的直接联系是建立在平衡桥处于正常范围之内。不同系统，不能简单以电压偏差程度来判断绝缘异常严重程度，因为不同厂家平衡桥电阻不同，在没有确定平衡电阻大小情况下是无法比较的。对于同一系统，平衡电阻大小是固定的，可以得出电压偏差越大，绝缘相对越差。
同样，当系统平衡桥阻值R1=R2=R，量取正、负对地电压为V+、V-，则有：
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这种算法的缺点是双端接地时，测量误差较大；并且不能检测正负对称性接地。
不平衡桥原理也称切换桥，绝缘装置内部两个阻值相等的对地电阻R1和R2通过电子开关K1、K2按照一定的开合顺序接地，如图2所示。不平衡桥检测法和平衡桥检测法基本一致，优点是能准确检测两极接地，且能对两极同时接地的R+和R-进行计算。
图2 不平衡桥原理图
正常运行中，不平衡桥的切换功能一般都退出，或者整定为一天投入一次，不会造成母线电压波动。在改造站中，该装置就是采用的平衡桥加不平衡桥原理方式实现绝缘故障的全面检查。当正常运行时，平衡桥未投入，失去大地的零电位，导致直流母线对地电压呈现不规律的波动。
3.现象处理
山东积成绝缘监测装置PJ611，其拨码开关如下图所示，从左边开始数，第1位拨码（M2）为“可设置接地方式”控制位。第1位拨码拨打到上面，接地开关闭合，平衡桥投入，此时，绝缘监测装置停止支路巡检，当有支路绝缘异常时，系统不能报警。可用万用表量取正或负母线对地电压，电压为+110V，-110V，稳定不波动。正常运行时第1位拨码应拨打到下面，即测算接地用的桥式结构通过电子开关与地隔离，从而导致正负母线完全浮地。所以，万用表量母线对地电压时会有波动。
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图3 装置拨码原理图
根据《DLT5044-2014电力过程直流系统设计技术规程》5.2.4规定：绝缘监测装置应具备下列功能：1）实时监测和显示直流电源系统母线电压、母线对地电压和母线对地绝缘电阻；2）具有监测各种类型接地故障的功能，实现对各支路的绝缘检测功能；3）具有自检和故障报警功能；4）具有对两组直流电源合环故障报警功能；5）具有交流窜电故障及时报警并选出互窜或窜入支路的功能；6）具有对外通信功能。研发人员回复产品这种设计理念符合以上设计规程，运行中也能正确判断直流系统接地并报警，只是正常运行状态下无法量取对地电压，需将第1位拨码拨打到上面即可。为了方便运行人员能够直接量取电压，采用外加平衡电阻的方法。
根据《DL/T724-2000蓄电池直流电源装置运行于维护标准》中“绝缘监测及信号报警试验”的要求：直流电源装置在空载运行时，额定电压为220V，用25KΩ电阻，分别使直流母线接地，应发出声光报警。
选取正接地电阻为25KΩ时，平衡桥电阻分别为R1=R2=500KΩ，R1=R2=50KΩ，以及R1=R2=25KΩ，正负接地电压如下表：
表1不同平衡桥下接地电阻为25KΩ电压情况
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可以看出相同接地情况下，平衡桥选为500KΩ时，绝缘监测装置最为灵敏，反应出的电压偏差最大。故采取正负极增加500KΩ的平衡桥高阻接地，不需要拨码。整改后测量直流母线正负对地电压分别为+110V，-110V，电压正常且平衡稳定。在直流系统正常运行且不存在接地情况下，用标准25kΩ以下电阻对备用支路进行接地检测，绝缘检测装置检测正确，装置发绝缘降低告警。符合DL/T724-2000设计要求。
4.平衡桥异常特征
直流电压异常，首先要排除直流系统平衡桥是否存在异常或故障。查看绝缘装置参数设置是否存在不同运行方式，再用外接平衡桥方法来判断，外接平衡桥电压正常说明装置内部平衡桥已损坏，若电压不正常则可能存在直流接地故障。
相比于直流电源系统发生接地故障不同，直流系统平衡桥异常，有以下特征[4-6]：
1）变电站内直流绝缘监测装置不发直流接地故障告警信号。
2）量取正、负对地电压，电压呈现波动，处于浮地状态。
3）退出装置平衡桥，正负极外接25kΩ标准电阻充当平衡桥，对地量取正负极电压，显示电压正常。
以上特征说明平衡桥异常，需要更换平衡桥或绝缘装置。
5.防范措施
本文所提出的外接平衡桥方法具有实用性和可推广性。在直流接地查找或绝缘监测装置损坏时，可以采取外接平衡桥的方式来建立直流系统平衡点。
对于新设备入网提出以下经验：
1）对直流系统改造验收过程严格把关，在出厂、中间验收过程提前介入，或对其生产厂家提出相关技术要求和质量标准。
2）此设备生产厂家为公司新招标的设备，在此之前未发现此类情况，借此提出经验分享。
3）经整改后的直流系统运行正常，绝缘监测正常，说明此整改方案正确可行。
6.结论
本文以某老旧变电站直流系统更换直流屏柜后造成电压异常现象为例，分析了直流系统平衡桥原理，得出了接地绝缘电阻与接地电压的关系，阐述了直流电压异常现象产生的原因，并给出了有效的处理措施，消除了直流系统电压异常情况。对今后由平衡桥引起的电压异常提出了相应的查找方法和防范措施，为现场作业人员提供了相关的参考和借鉴。
参考文献
[1]张帆, 闫虹, 王巍. 电厂蓄电池组故障引发的异常分析及处理[J]. 湖南电力, 2017(5):47-50.
[2]敖非，李辉.110kV变电站直流电源系统故障分析.湖南电力,2015,35(05):51-53，56.
[3]广东电网公司东莞供电局.变电站直流系统典型故障分析[M].中国电力出版社，2014.
[4]陈达文，胡敏.雷击引起的变电站直流系统故障分析及处理[J].湖南电力, 2017(8):65-68.
[5]陈堃,宋宇,代维谦,肖繁,陈汝斯.高压直流输电技术发展及其工程应用[J].湖北电力,2018(04):1-6.
作者简介
胡敏，通讯作者，女，汉族，湖南常德人，硕士研究生，1984年出生，中级工程师，研究方向：继电保护，厂站自动化，智能电网与智能变电站，交、直流电源系统，就职于国网湖南省电力公司长沙供电分公司，通讯地址：湖南省长沙市天心区湘江中路501号，通讯邮箱：46627990@qq.com，邮编：410000。