变电站直流绝缘检测装置电压补偿功能改造

变电站直流绝缘检测装置电压补偿功能改造

郭兴强1罗文杰2纪哲夫2梁佳丽3

（1.深圳供电局有限公司广东省深圳市518000；2.深圳供电局有限公司广东省深圳市518000；

3.东北大学信息科学与工程学院辽宁省沈阳市110819）

摘要：当变电站直流电源系统部分处于并将可能长期处于绝缘不良的状态下工作时，面对系统对地绝缘下降而没有实际直流接地情况的发生、以及对地电压偏移可能导致的保护误动作存在的隐患，通过研制新型绝缘在线监测仪实现电压补偿，消除直流系统对地电压偏移带来的安全隐患，达到提高直流系统运行的稳定性和可靠性的目的。

关键词：直流电源系统；对地电压偏移；绝缘监测装置；电压补偿

引言

直流系统可靠与否对电力系统的安全运行起着至关重要的作用，是安全运行的保证，而要保证一个变电站长期安全运行，其因素是多方面的，要保证直流系统的正常运行，特别要保证直流绝缘的良好。据分析，当直流系统绝缘降低引起直流电源系统中正负极对地电压偏移后，可能会导致正负极压差值超过保护装置中继电器的启动电压值，进而引发保护装置的动作，甚至因此而导致一系列电气事故的发生。

直流系统在实际运行中，往往会存在系统绝缘下降，单支路绝缘并未达到告警门限的情况。此时直流系统对地电压偏移客观的存在却不能消除，我们只能通过其它方法来避免上述风险的发生。为消除直流系统正负极对地电压偏移所带来的危害，防止保护误动作或者拒动，同时也避免此类告警信息影响到运维人员的正常监视、检测人员无功而返的情况，我们采取一系列措施来消除电压偏移。笔者将在该文中介绍，如何在绝缘水平短时间内无法改善的前提下，做到有效防止因系统对地电压不平衡而引起的保护装置误动作的发生。

一、电压偏移的产生

一般情况下，直流Ⅰ、Ⅱ段母线不得并列运行，直流系统绝缘在线监测仪接于控制母线上，理想情况下，绝缘监测装置显示的控母正/负极对地电压均衡，为+55V/-55V（110V系统），对于同一系统，由于其平衡桥电阻大小是固定的，我们可以定性得出，绝缘越差，正负极对地电压偏移越大。

绝缘监测装置通过一组已知阻值相等（R1=R2）的平衡桥电阻接地，直流系统正常运行时，正、负极母线对地绝缘（R+、R-）应趋于无穷大（所使用装置测试量程为999.9kΩ），在平衡桥电阻的作用下，正、负极母线对地电压均为1/2额定电压。当母线正极或负极发生绝缘下降时，通过检测正负对地电压，与已知的平衡桥电阻建立方程可以计算出绝缘电阻，从而判断直流系统绝缘状态。当母线绝缘下降到限定值时，绝缘监测装置会起动支路主动检测，通过霍尔传感器检测漏电流判断支路绝缘

绝缘降低的主要原因是直流系统所采用的电缆、设备的绝缘电阻由于某种原因低于出厂数值，自然老化或者电缆在加工、敷设过程中的不良操作损伤电缆绝缘都容易导致系统绝缘降低。

同时，随着供电支路的增加，收分布电容、气候条件、检修工艺等情况的影响，当这些绝缘线缆的电缆同时并入同一个直流系统工作时，会使系统的整体绝缘大幅度下降，并且不易查找出具体问题所在，这些电缆和设备构成的直流系统的电源正负极对地绝缘总体上稍微高于允许值，但是随着工作环境的变化，诸如雷雨天气、空气潮湿等情况会低于绝缘报警值而误告警。

二、电压偏移的影响

查阅资料，有试验数据显示，当正极电压偏移过大，且直流系统电容足够大时出现直流接地，可能引起保护误动。以电压型重瓦斯保护出口继电器为例，其动作电压为55%~70%直流电压，当直流母线正极接地时，正极电压偏移64%，长电缆电容延至13uF时，继电器动作；当继电器线圈正极接地时，正极电压偏移为60%，系统电容延至30uF时，继电器动作。

因此可以认为，在系统绝缘降低情况下，容易引发一点接地故障，就此，以下将展开电压偏移后发生单点接地时继电器的动作情况。

2.1直流系统正接地时

三、消除电压偏移

针对变电站直流系统对地绝缘异常所导致的电压偏移，应采取以下安全措施和技术措施来控制影响扩大：

要重视直流系统的运行维护工作，尤其是注意保持直流屏、保护屏、自动化屏的干燥清洁；要定期巡查直流系统的对地绝缘，对绝缘较差的直流回路加强绝缘监测；在保证直流绝缘监测仪不频繁报警的前提下，适当降低绝缘告警的门限值。

在短时期内无法改善绝缘的情况下，通过研制对地电压补偿装置，在能可靠查找实际接地支路的前提下，消除系统正负极对地电压偏移，实现电压自动补偿功能，使正负极对地电压尽量保持平衡。

我们将以直流系统整体绝缘水平较低的500kV紫荆变电站为例展开技术分析，该站直流系统电压为110V，自2012年起经常发生绝缘在线监测装置频繁告警，经多次检查后并未发现直流系统直接接地的故障点，但是发现直流母线和馈线回路的绝缘参数很低，低于装置告警值而引起告警。虽然控制母线的电压仍为110V，可以为设备正常运行提供工作电压，但是电压不平衡的安全隐患会持续存在。

以下为现场检查后的情况：

现场测试系统正对地的电压约为65V，负对地电压约为45V。

现场确定605Z检测到绝缘电阻69k，而605Z给67P～77P共11面测控屏供电，其中75P~77P绝缘良好，而74P~67P的绝缘都只有500k左右。

3.1电压补偿方式

解决紫荆站中存在的因绝缘参数差、正负电压不平衡而潜在的安全隐患，最直接的方式就是更换掉所查找出的绝缘不合格的线缆设备，然而考虑到500kV紫荆变电站实际的运行需要，不允许长时间停电进行更换作业，而只能通过其他方式来矫正电压偏移。经过研究分析，认为通过增加绝缘监测装置中的可调控平衡桥，实现对电压偏移进行修复补偿。

该站自投产以来一直运行的是奥特迅生产的型号为WJY3000A的绝缘在线监测仪，无法实现平衡桥内阻的调节功能，故不能实现电压补偿功能。因次我们经研究得出以下方案。

当绝缘监测装置监测到系统对地电压发生偏移时，确认不是接地告警、环网告警等系统正常告警后，会将绝缘监测装置内的平衡桥R11、R22投入，实现电压补偿功能，可控制的平衡桥有不同档位阻值，根据绝缘装置监测到的正负对地阻值，通过自动计算投入相应的补偿电阻桥。

补偿桥电阻R11=R22，有30KΩ~90KΩ多种档位，经补偿后：

V+=U*（R11//R1//R+）

V-=U*（R22//R2//R-）

公式验证：

该装置当直流系统正负母线对地电压的比值超出保护误动风险因数1.222时，装置能通过对地电压偏差补偿桥使直流系统对地电压恢复到平衡状态，即正极对地电压与负极对地电压之比大于0.869，或负极对地电压与正极对地电压之比小于1.150。

补偿桥最小的补偿电阻值不小于30KΩ。当系统产生接地告警时不作电压补偿。电压偏差补偿不会对直流系统造成不良影响。

3.2经补偿后如何正常监测绝缘

线绝缘监测装置由主机、选线模块及互感器等组成，主机主要检测母线电压、正负极绝缘电阻并告警，通过RS485与选线模块及上位机通讯。选线模块在接收到主机选线信号后，开始选线，并将选线结果告知主机。

馈线绝缘检测原理：通过装置内部向系统对地投入一个可变电阻的原理，产生一个变化的接地信号。互感器通过检测该信号，从而计算馈线的绝缘情况。互感器采用开口检测微小信号法，便于更换。

直流系统母线绝缘电阻测量方式是使用平衡桥原理，通过测量在当前状态下的母线对地电压，和投入的平衡桥电阻值，即可计算出直流系统的正负极对地绝缘电阻R+、R-。

四、试验情况和现场运行情况

4.1试验情况

通过模拟现场实际状况，展开了绝缘在线监测仪的功能试验，首先根据绝缘状态和安全规程要求相应布置实验，成功验证了该装置可以能够按照预期的要求对电压进行可靠补偿，补偿后对系统正常运行没有负面影响。并且当直流系统发生接地故障时，可以准确快速选线，满足紫荆在的运行要求，可以投产运行。

4.2现场运行情况

设备安装完成后，经过修改定值、调试等环节后，可以明显的发现在正极负极对地电阻R+、R-分别为71.2K、39K的情况下，通过自动动补偿功能，将电压偏移修复为正极电压U+58.6V，负极电压U-51.0V，符合南网直流系统运行的标准，完全可以规避此前因电压偏移而存在的安全隐患。

五、总结

直流系统在绝缘不良的情况下运行，要特别注意防范因电压偏移过大而引起的继电器误动作，现场运行过程中发生造成断路器误动的原因是多方面的，应根据具体情况实施相应的对策加以防范。

对于类似于500kV紫荆站直流系统绝缘较差，又不允许长时间停电进行线缆更换作业的变电站，采用我们所使用的解决方案，不仅快速高效经济的实现新设备安装运行，更是很大程度的规避以往存在的安全隐患，从而提高直流系统设备运行的安全性和可靠性。

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