变电站直流系统交流侵入问题的研究

摘要：本文针对现有变电站直流系统抵御交流侵入能力较差的现状，提出了一种直流母线对地安装钳位二极管的改进方案。该方案使直流系统对于直流是不接地系统，对于交流分量却是接地系统，使受到交流干扰的直流支路短路而脱离直流系统，同时使直流母线对地电压偏移范围控制在常规直流接地时的范围内。

关键字：直流系统；交流侵入；高压反击；钳位二极管

中图分类号： TM411 文献标识码： A

1低压交流侵入对直流系统的影响

低压交流侵入是指变电站二次交流电源(如380V站用电、电压互感器二次侧)串入直流系统，使直流母线对地电压以50Hz的频率大幅波动的异常现象。交流侵入的原因较多，较常见的是继电保护人员误接线，也有不少因为继电保护装置、继电器、端子排等绝缘不良，使交流电源串入直流系统。

由于变电站110/220V直流均为不接地系统，一旦由于某种原因接地的交流分量串入直流系统，就会使直流母线叠加上一个很大的对地交流电压。随着微机保护和集成型操作箱的普及，一方面各类中间继电器日益小型化，另一方面抑制共模干扰的电磁干扰(EMI)滤波器的大量使用，使直流母线的对地电容日益增加，这样，侵入直流系统的交流分量将通过各直流回路的电缆分布电容、母线对地电容施加在某些中间继电器上，从而可能造成断路器误动的严重事故。此外由于50Hz交流分量与电流互感器、电压互感器的二次电流、电压同频，还可能对某些抗干扰能力较差的继电保护装置、自动化装置产生干扰，导致装置损坏、断路器误动。

低压交流侵入导致断路器跳闸的电网事故并不少见。例如2006年11月华东电网某电厂主变压器有载调压装置接线调试时，由于图纸错误，工作人员误将220V交流控制电源的二次接线接入信号直流电源，使220V交流侵入直流系统，引起全厂220V直流控制电源大幅波动，烧坏多块测控单元ID插件板，使测控单元误发大量操作指令，导致多台500kV断路器无故分闸，使两条500kV线路断路器跳闸。

要避免低压交流侵入引起的电网事故，有两个方法:尽量不让交流分量串入直流系统，或使已串入交流的直流支路迅速从直流母线上切除；尽量衰减交流干扰分量的幅值，降低其对直流回路上的各元件的干扰。但交流侵入没有出现短路电流，而且交流侵入导致的事故往往当即发生，因此通过设计保护装置来快速检测、切除入侵的交流分量比较困难。对低压交流侵入问题目前只能通过加强交、直流二次回路间的隔离，如交、直流不共用一根电缆、各类端子排空开一定距离等来尽量避免，但还无法从技术上消除交流侵入给直流系统带来的危害。

2高压交流侵入对直流系统的影响

高压交流侵入又称为高压反击，是由于一次设备发生故障时的接地电流使接地网局部地电位升高，击穿二次回路对地的绝缘后直接进入二次系统，然后将该二次回路另一处绝缘薄弱处击穿入地，为异常地电位分流的现象。对于高压反击问题，目前只能通过减小接地网的接地电阻来缓解，直流系统本身还没有有效的防范措施。

由于直流系统辐射范围广，绝缘薄弱环节多，较容易遭到高压交流侵入，直流系统遭受高压反击，往往造成二次设备损坏、保护误动或拒动、空气小开关跳闸、直流回路短路或多点接地的严重事故。2002年某变电站曾发生过主变压器内部故障，该主变压器故障后，地电位对二次直流回路反击，主变压器220kV断路器的某电压切换继电器对地击穿，引起主变压器220kV断路器直流操作熔丝烧断，造成保护虽动作，但断路器未分闸，故障电流未被及时切除，最终导致主变压器起火、全站全停的扩大事故。针对高压反击，目前只能通过减小接地网接地电阻、加强二次回路对地绝缘来缓解，直流系统本身还缺乏进一步的防范措施。

3提高直流系统抵御交流侵入能力的方案

3.1方案的研究思路

交流分量窜入直流系统后最明显的现象就是整个直流回路对地电压以50Hz频率大幅波动，如果能将这个电压波动衰减到足够小，就能有效减轻交流窜入后对直流系统的危害。因此要提高直流系统抵御交流侵入的能力，关键在于稳定直流母线的对地电压，基于这个原理，本文提出一种直流母线并联钳位二极管的改进方案(下称钳位二极管方案)，实验和仿真都证明了这个方案的可行性。

3.2方案的具体内容

该方案实现方式简单，是在直流母线上装设了两个大功率、高反压的整流二极管，二极管D1负极、D2正极接地，接地点必须选在与一次设备有一定距离的地方(如继电器室)，可通过二极管钳制直流母线对地电压来释放串入的交流分量。直流系统正常时，由于正母线、大地、负母线三者间的电位关系，两个二极管均不导通(硅二极管反向阻抗无穷大，不会影响母线对地绝缘)；当母线直流接地时，也不可能出现负母线电位高于大地电位或正母线电位低于大地电位的现象，因此二极管仍旧不导通；当交流分量串入直流系统后，如果串入负极，交流电的正半周将通过二极管D2短路，如果串入正极，同理负半周将通过D1短路，从而迫使该交流回路或直流支路的空气小开关迅速跳闸，切除入侵的交流分量；如果侵入的交流分量幅值很大(高压反击)，由于二极管的电压钳位作用，可以保证直流母线对地电压的相对稳定，至少可以使入侵的高压交流不再流入其他回路。

钳位二极管方案使得直流正母线的电压始终高于大地，负母线电压始终低于大地，直流母线对地电压偏移范围一直控制在常规直流接地时的范围内，这就有效地保证了直流母线对地电压的稳定，大幅度降低了继电器误动的概率。220V直流系统正母线遭到站用电侵入后，采用这种新方案后，直流母线在交流入侵后对地电压波动幅值大幅减小，并在干扰源切除后快速恢复正常。如果交流分量通过过渡电阻串入，可能通过二极管的短路电流太小使空气小开关无法跳闸，但由于母线对地电压波动一直限制在较小的范围内，还是大幅降低了继电器误动的概率。为进一步验证这个方案，我们在某110kV换流站停电改造时，在110V直流系统上做了模拟交流入侵和高压反击试验。该换流站的直流母线上设有正母线对地、负母线对地的氧化锌避雷器，现场试验，先在直流母线上安装钳位二极管，然后在选定的几个直流负荷(改造后被淘汰的旧设备)直流电源上加交流电压，交流电压通过升压变压器和自耦调压器调节，最高电压可升到1000V，用于模拟高压反击和交流侵入。

4实施钳位二极管方案的注意事项

钳位二极管方案在研究应用时，需注意以下几方面：

（1）二极管接地点选取的问题。这个接地点如果过分靠近一次设备，而接地网电阻又大，这样故障时反而给接地电流进入直流系统提供了通路，因此这个接地点必须是远离一次设备接地处的接地点，且该处接地电阻必须尽量小，才能保证高压反击时直流母线对地电压的稳定，一般选在继电保护室直流屏的接地处。

（2）二极管的选用。为充分保证可靠性，直流正母线对地、负母线对地的二极管应采用多个串联，这样可将击穿的概率降到零。考虑到整流二极管能承受20倍的冲击电流，综合考虑二次电缆及接地网的阻抗，每组二极管可选用耐压5000V、电流1000A(无需散热片)的二极管3~10个串联构成。由于二极管价格低廉，在体积允许的情况下，其电压、电流参数应尽可能选得大一些，以进一步保证可靠性。

结语

（1）对于低压交流侵入，钳位二极管方案能够较好地避免事故隐患；对于高压交流侵入，钳位二极管方案能通过保持母线对地电压的稳定，减小直流系统的受损程度，但还无法完全避免高压反击带来的危害。高压反击问题还需要通过减小接地网接地电阻、加强二次回路对地绝缘来改善。

（2）对于钳位二极管方案接地点的选取问题，例如接地点要离开一次设备接地点多少距离、接地网电阻大小等问题，必须认真考虑，否则还可能加剧直流系统受高压交流侵入的概率。

参考文献

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