整流器出口设置平衡电阻桥接地方案的研究

李茹勤,刘 涛，张高峰，郭 果，岳雷刚

(国网河南省电力公司检修公司，河南 郑州 450051)

整流器大量应用于超、特高压变电站与换流站，将交流380 V电源整流后作为站内设备的直流电源。变电站直流电源系统复杂，设备及二次线众多，很容易发生接地故障。当发生单极接地时可能造成继电器、接触器误动和拒动，当单点接地故障不能及时排除，若再发生另一极接地将造成直流系统正负极直接短路，后果严重。因此，变电站公用直流系统均配置了绝缘监测仪，将直流系统正、负母线经平衡电阻桥接地，成为小电流接地系统。当系统发生一点接地时，根据平衡桥原理，绝缘监测仪及时巡检出接地支路并告警，以便运维人员及时消除系统的接地故障[1]。公用直流系统主要为各继电保护及安全自动装置、断路器控制回路等重要负荷供电，由于配置了绝缘检测仪，系统可以对地测量正、负极电压，给变电站二次系统的运维检修工作带来方便。

然而，超、特高压变电站除以上公用直流系统外，还存在大量的整流器供电电源系统，例如各断路器间隔的整流器电源，主要为本间隔的隔离开关控制回路、隔离开关电机回路和在线监测等系统供电。由于数量较大，单个系统相对简单，负荷重要性也不及公用直流系统，这些间隔直流系统不配置绝缘监测装置，同时整流电源的输入和输出侧经隔离变压器进行电气隔离(或者为高阻态)，直流输出侧为不接地直流系统，直流系统对地没有电气联系[2-3]，不能测量正负极对地电压。这些系统在运维检修期间存在诸多问题和困难，现有文献对此方面问题的研究和关注较少。

1 现场问题

变电站现场检查和排除二次系统元件或回路故障时，测量各电气点电位是最常用和便捷的方法。通过是否有电压来判断节点或导线是否连接正常，变电站隔离开关控制回路如图1所示。

图1 不接地直流系统隔离开关控制回路

该隔离开关控制回路使用输出为DC 220 V的整流器。若该隔离开关控制回路故障导致其不能正常操作，需进行控制回路的检查及故障排除工作。检查联锁回路的A、B接点时，如能测量出B点为零电位，则说明负电源至B点二次回路开路；如能测量出B点为负电位，则说明负电源至B点二次回路完好，若测出A点为零电位，则说明A、B接点断开，若测出A点为负电位，则说明A、B接点闭合。因此测量电位是至关重要的。如需测量A、B点电位必须有一个参考点，不接地直流系统只能正负极间互为电位参考点，所以测量A、B点电位只能以正极作为参考点，然而本机构箱内无正电源且距离整流器正电源过远(一般数十、数百米距离)。因此A、B点电位无法找到参考点，无法测量和判断。

万用表的“导通”档不能用于测量带电接点的通断，目前现场解决以上问题，只能采用拆除A、B接点接线后测量A、B接点通断的办法。该方法缺点明显，需拆除控制回路二次线，尤其当需要排查的接点数量较多时，拆除的二次导线数量过多，工作量大，风险很高。

值得说明的是，一般不接地直流系统对地存在分布电容，所带负荷较多、电缆较长的系统等效对地电容更明显。由于对地电容的存在，相当于在整流器正负极分别经一电容C1和C2接地，电容C1和C2间G点与大地等电位，如图2所示。这样当测量对地电位时，+KM和-KM的对地电压大小取决于C1和C2的分压，一般C1≠C2，因此测得+KM对地电压U1范围为0～220 V，-KM对地电压U2范围为-220 ～0 V，同时U1和U2数值有U1-U2=220 V的关系。用来测量电压的万用表可等效为一阻值较大的电阻，接入母线和大地之间时，C1或C2经万用表对大地放电，因此测得的U1和U2数值为一变化衰减数值，最终很快降为0 V。

图2 不接地直流系统对地电容

因此，考虑到直流系统对地分布电容影响时，测得的正、负母线对地电压值是不确定的，这与用万用表测量变电站(尤其是超、特高压等大型变电站)强烈、复杂电磁环境下不带电导线产生的静电电压的现象是一致的。

综上，在测量直流不接地系统对地电压时，无论是否考虑系统的对地电容影响，都是不可行或测量结果不可信的，这对于变电站隔离开关控制回路等二次系统的运维、检修工作是很不利的。变电站、发电厂存在大量以上所述直流不接地系统，尤其是超(特)高压变电站、换流站使用的独立整流器数量极多，这些直流系统更为复杂，不能测量对地电压带来的现场问题更为显著，因此有必要对该问题研究和解决。

2 方案原理

整流器输出端的直流不接地系统不能对地测量电压的根本原因在于该系统对地无任何电气联系。借鉴变电站公用直流系统绝缘检测装置原理，如图3所示。将直流系统正、负母线分别经一平衡电阻桥臂接至大地，即可实现直流系统对地电压检测的功能。

图3所示为DC 220 V的整流器输出系统，虚线框内为平衡电阻桥，两桥臂中间位置G点直接连于大地，G点与大地为等电位0 V。DC 220 V电压经两平衡桥分压后，正极对G点(大地)电压应为+DC 110 V，负极对G点(大地)电压应为-DC 110 V。这样整流器的DC 220 V侧不接地系统经平衡电阻桥被改变为小电流接地系统，地电位对正、负极电压就有了参考意义，实现了系统对地电压测量的功能。同时按照电路原理，接入的平衡电阻桥不影响原整流器输出特性和直流系统运行[2-3]。

图3 平衡电阻桥原理

3 解决方案

3.1 参数选择

平衡桥主要由2个阻值相等的电阻构成，阻值选取不宜过小，两阻值偏差不应过大，否则会造成两级对地电压测量不平衡。借鉴变电站公用直流系统绝缘监测装置平衡桥电阻值，推荐两平衡电阻臂阻值均设置为100 kΩ，两电阻还应考虑足够的热容量，应防止功率过大烧毁电阻桥。

3.2 现场实施方案

按照以上原理，设计出变电站整流器直流不接地系统临时接地平衡电阻桥[4]，电路板照片如图4所示。

图4 临时接地平衡电阻桥照片

为降低单支电阻承受电压，降低功耗，提高精度，由4只100 kΩ电阻构成2并2串结构组成单支平衡桥臂，整个电阻桥使用8只100 kΩ电阻。为防止电阻桥电阻元件损坏，造成整流器直流输出侧短路或接地，每个电阻桥臂经一保险丝接入直流母线，如图4所示。由于平衡桥阻值选取较大，流经电流值较小，该保险丝选取较小额定电流0.5 A。

临时接地平衡电阻桥应用于40余座超、特高压变电站、换流站，临时接于直流系统，工作完毕及时拆除，解决了全部直流不接地系统问题，应用效果良好。但是该方法的缺点也很明显，电路板为现场人员手工制作，工艺水平无法保证，电路板也未得到权威机构的检测和认证；平衡电阻桥直接安装于变电站二次屏柜或端子箱，工作规范性和安全性不能得到保证，均取决于工作人员技术水平及其责任心，该方法也不易得到推广。本文所述直流不接地系统的现场问题并不能在更大范围得到解决。因此，彻底解决还有赖于整流器电路的改进。

3.3 整流器改进方案

由于以上现场实施方案的缺点，平衡电阻桥宜装设于整流器出口，作为整流器的组成部分，经严格、规范的试验方法检测，有利于电路的规范化、标准化。

在上述原理的的基础上，考虑到现场有些整流器应用于公用直流系统，系统配置有绝缘监测装置及其平衡电阻桥，整流器出口配置的平衡桥如果也同时投入，会导致绝缘检测仪误发接地告警及绝缘巡检不准确。因此，整流器配置的平衡电阻桥两臂宜设置灵活投退功能，例如分别经一跳线(短接线)元件投退，如图5所示。G为大地；R1、R2为平衡电阻，阻值均为100 kΩ；S1、S2为正、负极跳线。当整流器配置于某电气间隔作为独立的直流电源为设备供电时，应将跳线元件投入(投入平衡桥)；当整流器配置于已安装绝缘监测装置的变电站公用直流系统，则应将跳线元件退出(退出平衡桥)。

图5 整流器平衡桥回路设计

考虑到整流器内部平衡电阻桥的设计及其元件选取及其可靠性均高于现场手工产品，两平衡桥臂设计可不经保险丝，推荐电路原理如图5所示。

4 方案效果

4.1 实现电位测量功能

整流器出口侧采用平衡电阻桥接地后，将原对大地无任何电气联系的直流不接地系统改为经电阻接地、有电气联系的小电流接地系统，实现了直流系统正、负极对地电位测量功能。

若测得B点电位为0 V，说明B点至电源负极开路；若测得B点电位为-110 V，A点电位为0 V，说明A、B接点断开；若测得B点电位为-110 V，A点电位也为-110 V，说明A、B接点导通。以上电位均为对地测量结果，地电位的接地铜排、扁铁和端子在变电站二次屏柜、端子箱内存在非常普遍，测量非常方便，这给变电站隔离/接地开关控制回路的故障检查处理工作带来极大方便[5]，同时也给变电站其它需要测量直流系统电压的维护检修工作带来很大方便。

4.2 对地绝缘检测

变电站二次回路接地是常见故障，原有整流器输出的直流不接地电源系统若发生接地故障，会出现以下结果[1]。

a. 单点接地时正负极电压依旧是正常的，单点接地故障无法及时发现和告警，考虑到系统对地电容参数时，可能会造成该直流系统的继电器、接触器误动或拒动。

b. 单点接地期间若再发生另一极接地故障，相当于正负极短路，后果更为严重。

如能在系统发生单点接地故障时及时发现并排除，以上严重后果将可有效避免。原有直流不接地系统是不能带电进行对地绝缘检测的，其对地绝缘只能采用电源停电后使用摇表测量。当直流不接地系统经平衡电阻桥与大地建立电气联系，若发生单极接地，平衡桥的电气平衡将被破坏，正负极对地电压显示不平衡，单极对地绝缘降低将被及时发现，对地绝缘电阻值也可以据此准确计算。直流系统正极经电阻接地故障如图6如示。

在图6中，U1、U2(绝对值)为测得的对地电压值，正极经电阻接地后会破坏正负极对地电压的对称性，Rx为正极对地绝缘等值电阻，R1=R2=100 kΩ。这样，正极对地绝缘电阻值通过准确计算来解决整流器出口直流系统的对地绝缘检测问题。

图6 对地绝缘检测原理

5 结论

a. 整流器出口正负极间配置平衡电阻桥接地可以将不接地直流系统改为小电流接地系统，原理简单、成本低廉。

b. 整流器出口正负极间配置平衡电阻桥接地后，可实现正负极对地电压测量，尤其有利于变电站使用该电源系统二次回路的维护检修；同时可反映和检测对地绝缘状况。

c. 整流器出口配置的平衡电阻桥宜设置跳线投退功能，以便于功能灵活配置。

d. 本文所述问题和方案适用于输出直流为各电压等级的整流器(尤其110 V和220 V)，生产厂家应据此对整流器装置出口电路进行改进。