國網浙江電力紹興供電公司祝石厚、張敏：一起500 kV變電站直流系統異極竄電故障分析與模型推算

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（來源：電能革新）

國網浙江省電力有限公司紹興供電公司的祝石厚、張敏在2025年第7期《電氣技術》上撰文介紹了一起500 kV變電站直流系統異極竄電故障的分析過程。為了深入探討這類特殊直流絕緣故障，根據直流絕緣監測儀的平衡橋原理，建立直流異極竄電電路模型，給出互竄短接電阻的求取過程。通過計算并分析直流異極竄電時控制母線電壓與短接電阻的關系，歸納直流異極竄電的特征，以期為處理類似直流系統故障提供參考。

變電站直流系統由充電裝置、蓄電池組、饋電網絡等組成，為站內保護測控裝置、信號回路、控制回路、通信裝置等提供穩定可靠的電能。直流系統的可靠運行直接關系著整個變電站甚至區域電網的安全穩定運行。接地故障是直流系統最常見的故障，關于變電站直流接地故障分析與處理的研究較多。

直流系統竄電是一種特殊的直流絕緣異常現象，兩套直流系統之間的竄電故障有4種：正-正極互竄、負-負極互竄、正-負極互竄、負-正極互竄。關于直流互竄故障的研究相對較少。有文獻指出，采用拉路法難以查找變電站內由于接線錯誤引起的直流互竄故障，在絕緣監測裝置不具備直流互竄檢測功能時，借助直流接地快速查找儀可快速定位直流系統竄電故障點，但未建立電路模型。有文獻建立了直流異極竄電電路模型，但未依據模型進行實例計算。有文獻建立了直流異極竄電電路模型，但忽略了蓄電池組和直流充電機的工藝差異對兩套直流系統互相竄電的影響，在給出試驗短接電阻的情況下進行直流異極竄電模擬計算。有文獻分析了兩起直流互竄現象，并依據竄電模型進行實際推算，但在進行直流異極竄電計算時，文中直接給出短接電阻，未介紹短接電阻的求取過程。

本文針對一起500 kV變電站直流系統異極竄電故障，詳細介紹故障查找、分析及處理過程，建立異極竄電電路模型進行計算，并給出短接電阻的求取思路與計算公式，歸納直流異極竄電的特征。

1 故障案例

某500 kV變電站直流系統為三充兩蓄雙母接線，兩段母線獨立運行，均配置絕緣監測儀，用于監測母線電壓及對地絕緣，直流系統標稱電壓為110 V。

2024年8月某日，該變電站以正常方式運行，站內無人工作。傍晚出現暴雨天氣，變電站后臺報“直流絕緣異常”信號，現場直流絕緣監測儀告警信息見表1。直流絕緣監測儀“絕緣報警”燈、“支路報警”燈亮，顯示選線均為126路，對應支路均為4號主變220 kV測控屏直流Ⅰ、Ⅱ段。直流Ⅰ段絕緣巡檢儀126支路對地電阻6.1 kW，直流Ⅱ段絕緣巡檢儀126支路對地電阻4.8 kW。

表1 直流絕緣監測儀告警信息

運維人員使用萬用表對直流Ⅰ段、直流Ⅱ段母線電壓進行測量，測量電壓與表1接近。

2 故障分析過程

根據絕緣監測儀報出的4號主變220 kV測控屏直流Ⅰ、Ⅱ段有接地支路，進一步查找該屏內對應支路。4號主變220 kV測控屏共有3路直流空氣開關：①斷路器控制電源1空氣開關，使用直流Ⅰ段；②斷路器控制電源2空氣開關，使用直流Ⅱ段；③測控裝置及遙信直流電源空氣開關，使用直流Ⅱ段。

對4號主變220 kV斷路器控制電源1、2進行試拉。先拉開4號主變220 kV控制電源1空氣開關，現場絕緣監測儀不再報警，4號主變220 kV測控屏直流Ⅱ段端子排測量電壓恢復正常，確認4號主變220 kV間隔存在直流異常。

封鎖4號主變220 kV間隔自動化數據，拉開4號主變220 kV測控遙信電源及裝置電源，絕緣異常現象未消失。

閉合控制電源2空氣開關，再次拉開斷路器控制電源1空氣開關，并在斷路器機構箱對兩段直流電源電壓進行測量。控制電源2直流電壓數據正常，但控制電源1正極對地電壓為0，負極對地電壓為+52 V。判斷直流Ⅰ段負極對地電壓來自直流Ⅱ段的竄電故障。

直流Ⅰ段與直流Ⅱ段竄電，必定通過同時接直流Ⅰ段與直流Ⅱ段的繼電器或電纜產生。當繼電器輔助觸點之間絕緣不良或電纜絕緣不良時，就會發生直流Ⅰ段與直流Ⅱ段竄電故障。

查閱4號主變220 kV斷路器控制回路，斷路器合閘和分閘1回路如圖1所示，斷路器分閘2回路如圖2所示。初步判斷有2個可疑元件可能導致竄電：①SF6壓力閉鎖重動繼電器K13，該重動繼電器的輔助觸點同時接入直流Ⅰ段與直流Ⅱ段；②SF6表計接線盒B11，其輔助觸點通過電纜同時接入直流Ⅰ段與直流Ⅱ段。

圖1 斷路器合閘和分閘1回路

首先將重動繼電器K13絕緣故障引起直流竄電排除。原因為：①繼電器K13安裝于斷路器機構箱內，雖然現場為雷雨天氣，但斷路器機構箱無進水，K13繼電器無受潮現象；②圖1的合閘回路中，斷路器在合位，斷路器輔助觸頭S01的9、10斷開，合閘回路不通，不可能通過K13的常閉輔助觸點32、31出現“控制電源1-”竄電+52 V。因此，戶外設備進水引起竄電的可能性較大，重點懷疑SF6表計接線盒輔助觸點B11受潮短接。

查閱GL314型斷路器控制及信號回路，該斷路器SF6表計B11有3副觸點：第一副觸點（1、2）低于0.61 MPa時報“SF6壓力低閉鎖”信號，同時經繼電器重動后閉鎖斷路器分、合閘，使用直流電源Ⅰ段，如圖1所示；第二副觸點（3、4）低于0.61 MPa時報“SF6壓力低閉鎖”信號，同時經重動后閉鎖斷路器分閘，使用直流電源Ⅱ段，如圖2所示；第三副觸點（5、6）用于SF6壓力低于0.64 MPa時報“SF6壓力低告警”信號，遙信電源使用直流電源Ⅱ段。這3副觸點由同一根6芯電纜引入斷路器機構箱，當該電纜絕緣故障或SF6表計接線盒進水時，就會導致竄電現象。

使用螺絲刀解開斷路器機構箱中B、C相SF6表計接線盒輔助觸點B11的X02:02（見圖1），用萬用表測量“控制電源1-”X01:15仍有+52 V電壓。當解開圖1中A相SF6輔助觸點B11的X02:02時，“控制電源1-”X01:15的+52 V對地電壓消失，因此確認A相SF6表計閉鎖觸點回路絕緣不良。

圖2 斷路器分閘2回路

控制電源2空氣開關閉合，拉開控制電源1空氣開關，在機構箱解開A相3副SF6表計輔助觸點，使用絕緣兆歐表測量SF6表計觸點對地絕緣，絕緣電阻均在10 MW以上。控制電源1空氣開關閉合，拉開控制電源2空氣開關，在機構箱解開A相3副SF6表計輔助觸點，使用絕緣兆歐表測量SF6表計觸點對地搖絕緣，絕緣電阻均在10 MW以上。SF6表計輔助觸點對地絕緣良好，因此判斷并未發生直流接地，直流異常的原因為直流Ⅱ段正極與直流Ⅰ段負極通過一個短接電阻短接，即直流Ⅱ段正極與直流Ⅰ段負極竄電。

布置在戶外的SF6表計接線盒內部接線如圖3所示。接線盒內部接線十分緊湊，在密封材料老化、密封不良的情況下，小水珠或水汽極易導致B11的接線端子2與接線端子3短接，從而導致直流竄電。

圖3 SF6表計接線盒內部接線

由于帶電更換SF6表計風險較大，使用熱吹風機烘干4號主變220 kV斷路器A相SF6表計接線盒，并使用絕緣膠布進行包扎，外部防雨罩使用保鮮膜材料進行臨時防雨密封，如圖4所示。2024年12月停電期間，更換4號主變三相220 kV斷路器SF6表計及外引線纜。

圖4 A相SF6表計臨時防雨措施

3 直流異極竄電電路模型

根據本次直流Ⅰ段負極與直流Ⅱ段正極竄電現象與絕緣監測原理，得到直流異極竄電等效電路模型如圖5所示，其中R為未知的短接電阻，RS為絕緣監測裝置的平衡橋內阻，出廠時確定，約為68 kW。本文所述直流系統標稱電壓均為110 V。

圖5 直流異極竄電等效電路模型

化簡圖5，得到簡化后的等效電路模型如圖6（a）所示，根據電路的三角變換得到圖6（b）所示等效電路，其中R1、R2、R3的計算公式如式（1）和式（2）所示。

（a）簡化等效電路模型 （b）變換后的等效電路

圖6 化簡后的等效電路模型

式（1）-（4）

從理論分析，將第一組絕緣巡檢儀平衡電阻Rs與直流系統斷開，等效電路如圖7所示。

圖7 斷開絕緣巡檢儀1平衡電阻的等效電路

式（5）-（6）

根據第2節故障分析過程，SF6表計B11的接線端子2與接線端子3短接，短接示意圖如圖8所示，即KM2+經B11的3、2觸點和K03的線圈至KM1-，此時K03的線圈電阻即為短接電阻R。

圖8 SF6表計B11觸點短接示意圖

表2 母線電壓監測值、實測值與計算值

下面分析短接電阻R對控制母線電壓的影響。此時，忽略充電機、蓄電池組與負荷不平衡性的影響，假設U1=U2=110 V，取RS=68 kW，將短接電阻R作為變量，根據式（1）～式（4）計算互竄時控制母線電壓數值與短接電阻的關系，見表3。由表3可知，直流異極互竄時控制母線電壓相對標稱電壓的偏移量主要取決于短接電阻R與平衡電阻Rs的比值：短接電阻為0，相當于金屬性短路，Ⅰ段負極與Ⅱ段正極電壓均為0；短接電阻無窮大時，相當于兩套系統正常分列運行。

表3 控制母線電壓與短接電阻關系

4 結論

當發生兩路直流正負極互竄故障時，基于平衡橋原理的絕緣監測裝置兩段母線電壓均會下降，容易誤判為兩段母線均接地；兩套直流系統中兩組蓄電池、充電機和直流負荷的差異，導致異極竄電時兩段控制母線電壓非完全對稱性偏移。直流異極互竄時，控制母線電壓相對標稱電壓的偏移量主要取決于短接電阻R與平衡電阻Rs的比值。

有雙路直流電源接入的設備發生絕緣故障時，均可能出現直流竄電現象，500 kV變電站內戶外斷路器SF6表計控制與遙信回路是發生直流互竄故障概率最高的電氣回路。因此，在日常運檢巡視過程中，應加強對SF6表計防潮性能的檢查，在SF6表計上方加裝防雨罩，還應對表計航空插頭采取保護措施，避免因長期日曬引起表計航空插頭材料老化而產生密封不良現象，此外，表計外引線纜波紋管最下端應加裝滴水孔，以防積水。

本工作成果發表在2025年第7期《電氣技術》，論文標題為“一起500 kV變電站直流系統異極竄電故障分析與模型推算 ”，作者為祝石厚、張敏。