一种直流系统交流窜电故障检测及选线定位方法

吴激勇（广西电网有限责任公司柳州供电局，广西柳州市545005）

一种直流系统交流窜电故障检测及选线定位方法

吴激勇（广西电网有限责任公司柳州供电局，广西柳州市545005）

变电站的供电系统当中直流电源有着非常重要的作用，是整个变电站的设备运行操作的保障。本文着力分析各种交流电源窜入直流系统的各种类型，提出一种交流窜入故障检测以及故障定位的方法。可应用于解决交流电源窜入直流电源系统在线监测的问题。

直流电源系统；交流电源

交流电源窜入直流电源系统的故障严重影响着直流电源系统的稳定性、可靠性，可能会导致保护误动、拒动，从而产生严重的电力系统安全事故，严重危害电力系统的安全稳定运行，但目前变电站中交流窜入直流电源系统现象时有发生，故障原因也复杂，查找判断难度很大，严重影响电网的安全运行［1～3］。2014年10月15日，国家能源局批准执行的“DL/T1392-2014直流电源系统绝缘监测装置技术条件”中规定，当直流发生有效值10V及以上的交流窜电故障时，产品应能发出交流窜电故障告的警信息，并显示窜入交流电压的幅值，还应能选出交流窜电的故障支路［5］。在变电站中，直流电源系统与交流电源系统是两个分别不同的系统，在正常情况下彼此是不会发生电气连接的，但是有些特殊情况下可能会导致交流电源窜入直流电源系统。

1 交流窜入直流系统故障原因

1.1 绝缘电缆的损坏

由于电缆的保护层绝缘下降或者损坏，再加上交流供电回路的电缆与直流电源的供电回路电缆放在一起，使得交流电缆和直流电缆的内芯发生直接或者间接电气接触，从而导致交流电源窜入直流电源系统。

1.2 人为的操作失误

在现场的施工中，施工人员由于各种的原因，例如不熟悉变电站的情况，专业技能不熟练，粗心大意等都有可能错误地将交流电接到直流系统供电回路中去，从而导致发生交流电源窜入直流电源系统事故。这都是人为错误操作所致，是完全可以避免的。

1.3 设备内部故障

在变电站的直流系统中，有部分设备的工作电源使用交流电源供电，而其信号电源为直流电源，由于设备内部电源部分隔离故障或者其它故障，如室外端子箱由于下雨受潮或者进水，导致交流电源窜扰到直流系统中。例如UPS电源、逆变设备等。

2 交流窜入直流系统故障类型

2.1 正极交流窜电

①交流电源直接窜入直流系统正极，如图1（a）；②交流电源经过负载窜入正极，如图1（b）；③交流电源经电容耦合窜入系统正极，如图1（c）。

图1

2.2 负极交流窜电

①交流电源直接窜入直流系统负极，如图2（a）；②交流电源经过负载窜入负极，如图2（b）；③交流电源经电容耦合窜入系统负极，如图2（c）。

图2

根据上述的电气原理图进行电路原理分析，可得出：①当发生交流直接窜入或经过电阻窜入直流电源系统后，直流系统母线对地电压中存在着交流成分，其幅值的大小与直流系统桥电阻大小及窜入回路电阻有关系；②当发生交流直接窜入或经过电阻窜入直流电源系统后，直流系统母线对地电压将会发生变化，其幅值的大小与直流系统桥电阻的大小及窜入回路电阻有关，所以在取样母线对地电压中交流成分时需要充分考虑隔除直流分量的因素；③当发生交流窜入直流电源系统后，对交流电源来说，直流电源系统相当于短路，因此直流母线正负极对地电压中的交流成分的幅值大小是相同的。所以设计检测电路时检测任意极对地交流电压即可；④当发生交流电源经电容隔离、耦合到直流系统后，直流母线正负极对地直流电压保持不变，而交流电压幅值的大小与直流系统桥电阻的大小及窜入回路隔离电容有关。

3 检测原理和方法

根据上述的结果及理论分析，本文提出的交流瞬时窜入直流系统的告警判断依据为：装置通过高速ADC采样直流母线对地电压中的交流成分，利用快速傅立叶变换算法计算出其中50Hz的基波以及其谐波成分的幅值的大小，当该幅值达到装置所设置的告警门限时，装置发出告警信号。并将采样到的离散序列记录保存，同时可以通过曲线形式展示。同时装置启动交流窜电故障定位检测功能，通过在直流馈线上安装交流式的电流互感器检测是否存在交流电流成分及交流电流的大小，从而判断发生交流窜电故障的馈线，实现故障定位功能。

当直流电源系统发生交流电源窜入时，系统母线对地电压中同时存在着直流分量和交流分量，所以在设计交流电压取样电路的时候一定要考虑到直流成分的影响，因此我们在设计取样电路的时候在电阻分压回路里串联进一个电容C，利用电容的通交流隔直流的特性，从而使得取样到的信号里不存在直流成分，只有交流分量，如图3所示。

首先，将直流系统的采样线连接到装置的采样端子上，当存在交流电源窜入到直流系统时，通过电阻R1、R2进行分压取样后，取样信号同时存在着交流分量和直流分量，再利用电容通交流隔直流的特性，将直流分量隔离，通过电容C的只有交流分量。然后经过光电隔离电路将高压和低压部分分开，从而提高系统和装置的安全性、稳定性；在放大电路部分设计成一个低通放大器，使得系统在硬件上提高了对于高次谐波的抗干扰能力。放大后的信号直接进入12位的高速AD转换器，转换成数字信号交给CPU进行处理。CPU通过利用FFT算法，这样就可以对采样到的数字信号序列进行傅立叶变换，可以将50Hz的交流信号的频谱提取出来，通过计算出该交流信号的幅值特征量，从而实现对窜入交流电压的大小判断，同时避开其他干扰信号的影响。

由于12位的AD转换芯片的基准电压为2.5V，因此其分辨率为0.6mV。通过对分压电阻、电容C以及放大电路选择合理的参数，保证220V的交流（有效值）经过电路处理后在AD采样处信号的峰峰值大于2V，而且小于2.5V，那么按照理想比例的情况下有效值为10V的交流信号在AD采样处的信号峰峰值为90mV。因此10V的交流窜入直流系统，对于分辨率为0.6mV的AD采样芯片来说是完全可以捕捉到的。因此，我们这种检测方法和原理是完全可以满足南网和2014年10月15日，国家能源局批准执行的“DL/T1392-2014直流电源系统绝缘监测装置技术条件”中规定［4～5］，检测大于10V交流窜入直流系统故障的要求。

图3

4 理论公式计算

傅立叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法。要知道傅立叶变换算法的意义，首先要了解傅立叶原理的意义。傅立叶原理表明：任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不同正弦波信号的频率、振幅和相位。

FFT（FastFourierTransformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。根据傅立叶原理，一个窜入交流模拟信号，经过ADC采样之后，就变成了数字信号。采样得到的数字信号，就可以做FFT变换了，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，进行频谱分析。以下是傅立叶变换计算单次谐波的计算公式：

式中：n表示希望求取的谐波次数（n＝1即为求取的是基波量），N为每周期采样点数，k为采样顺序号（即第k个采样点），uk是指tk时刻的采样值。我们以采样50Hz交流电压为例：每隔0.5mS采样一个点，一个周期20mS内一共采样40个点。从而计算其基波信号幅值特征量，n＝1，N＝40，k为1～40，根据上面计算单次谐波的公式（1）计算，其中π＝3.1415926；

最终计算的结果an和bn为计算40次的积累和。该信号的基波量为：

综上所述，根据傅立叶原理，通过对采样序列进行傅立叶变换计算，可以将50Hz的基波以及多次谐波的交流信号的频谱提取出来，通过计算出该交流信号的基波和多次谐波的幅值特征量，从而实现对窜入交流电压的幅值大小判断，同时避开了其他频率的干扰信号的影响。

5 故障支路定位

当直流电源系统经过馈线发生交流电源窜入故障时，发生交流窜电的直流馈线上会同时存在着直流漏电流和交流漏电流，针对这一点单独去检测该交流漏电流，就可以实现交流窜入直流系统故障选线定位功能。通过安装在馈线上的交流式电流互感器检测是否存在交流电流，其原理如图4所示。

图4 电流互感器

当直流馈线发生交流窜入时，交流电流通过馈线流经电流互感器，根据电流的磁效应以及电磁感应原理，穿过磁芯的交流漏电流在磁芯的副边线圈也将会产生一个微弱的交流信号，该信号经过一级运放处理后，再通过电容的隔直流、滤波后。然后再经过二级运放电路放大处理后给CPU进行ADC采样，将会得到一组离散的采样序列。CPU再通过利用FFT算法，这样就可以对采样到的数字信号序列进行傅立叶变换，可以将50Hz的交流信号的频谱提取出来，根据前面公式（3）、公式（4）和公式（5）计算出该交流信号的幅值特征量，通过在直流馈线上安装交流式的电流互感器检测是否存在交流电流成分及交流电流的大小，从而判断发生交流窜电故障的馈线，实现故障定位功能。同时避开其他干扰信号的影响。

6 总结

综上所述，我们通过上述的分析交流电源窜入直流电源系统的各种故障现象和特征，提出其对应的检测电路原理和软件计算公式，可以准确地监测和计算窜入直流系统的交流成分幅值，并且及时发出告警信息。同时启动故障定位功能，通过安装在馈线上的交流式电流互感器检测是否存在交流电流成分以及交流电流的大小，从而判断发生交流窜入直流系统的故障点所在的馈线。即可实现交流窜入直流系统故障监测以及故障支路定位功能。

［1］李士东，井伟，程永.一起交直流混路造成的保护误动事故分析［J］.吉林电力，2007（01）.

［2］唐文秀.直流回路一点接地和交直流串扰引起保护误动及其对策［J］.电力自动化设备.2007（09）.

［3］关于陕西330kV朱家变电站主变压器跳闸事故调查分析情况的通报.国家电网公司，生变电函［2011］128号.

［4］中国南方电网有限责任公司企业标准.中国南方电网有限责任公司，2013年11月29日实施.

［5］《直流电源系统绝缘监测装置技术条件》（DL/T1392-2014）.

TM721.1

A

2095-2066（2016）30-0019-02

2016-4-19

吴激勇（1972-），男，工程师，本科，主要从事电力系统继电保护运行、维护、检测等方面研究工作。