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[摘 要]电力系统中，直流接地是直流系统常见故障，并且交流窜入直流回路的接地故障危害性更大。文中分析了该故障发生原因和交流窜入直流信号监测原理，提出了交流窜入直流故障的有效监控手段和故障告警措施。
[关键词]直流 接地 监测
中图分类号：TG434.1+1 文献标识码：TG 文章编号：1009―914X（2013）34―0025―01
1.研究背景
在变电站内直流电源运行中经常出现直流接地等故障，它的存在对继电保护装置的误动和拒动有较大影响，而交流窜入直流系统的接地故障还对继电保护装置、自动装置及直流系统接入的设备有很大的破坏作用。但目前缺乏对“交流窜入直流故障”有效的监控手段和故障告警措施，仅局限于人工排查单一手段。
新的《国家电网公司十八项反事故措施》要求：“在运行和检修中应加强对直流系统的管理，严格执行有关规程、规定及反措，防止直流系统故障，特别要防止交流电压、电流串入直流回路，造成电网事故。新建或改造的变电所，直流系统绝缘监测装置，应具备交流窜直流故障的测记和报警功能。原有的直流系统绝缘监测装置，应逐步进行改造，使其具备交流窜直流故障的测记和报警功能。”可见，交流窜入直流故障的测记及告警也是现场运维、检修迫切需要解决的问题。
2.故障案例分析
2.1故障案例
2011年8月，某330kV变电站主变压器跳闸，110kV母线失压，导致其馈供的15座110kV变电站失压。
2.2事故发生原因
雨水通过缝隙漏入传动箱后沿密度继电器电缆流入机构箱并滴入箱内温湿度控制器（该控制器电源部分为220V交流，信号部分为220V直流），造成温湿度控制器中交、直流回路间短路，交流电压串入直流I段，造成接于直流I段的两台变压器非电量出口中间继电器（主跳）接点抖动并相继出口跳闸。
2.3保护误动机理
从交流窜入直流系统引起保护误动机理分析：所用交流系统是一个接地系统，直流是一个绝缘系统，因此一旦交流窜入直流系统，必然会造成直流系统故障：
1）引起直流系统金属性接地，绝缘监测装置工作异常。
2）引起厂站系统监控装置误发大量告警信息，而且频繁刷新。
3）引起继电保护装置误动，尤其是变压器非电量保护的误动。
2.4交流窜入直流系统主要原因
1）工作人员误接线。由于现场接线复杂，工作人员很可能将交流线直接接到直流系统中，造成交流直接窜入直流系统。
2）交直流电缆绝缘下降或损坏。交直流走线时，布线过近，电缆使用时间过长之后，容易绝缘下降或绝缘损坏，造成交流窜入直流系统。
3）直流电缆对地电容过大。由于对地电容的存在，容易造成交流窜入直流，对地电容是不可能消除的，当此电容值大于一定值时，交流电对分布电容充放电，电流超过继电器的动作电流，引起继电器误动作。
4）开关质量不合格，直接造成交流竄入直流。
3.交流窜入直流监测原理
如下图所示，为一段直流系统等效电路图。其中，C1+、C1-分别为直流正负母线对地电容。R1+、R1-分别为直流母线对地电阻。V+、V-分别监测正母线对地电压和负母线对地电压。当交流电侵入直流系统，直流母线对地电压将呈现正弦波形。而直流母线正负两端电压不会变化。因此，通过检测直流系统对地电压的变化可以判断出是否发生交流侵入。
当母线正极发生交流侵入时，我们用示波器测量到正母线对地电压是向上平移的正弦波形；当直流母线负极发生交流侵入时是向下平移的正弦波形。但是正负母线之间的电压始终恒定值，是一条直线。
因此只有通过测量正负母线对地电压，才能有效正确的判断直流母线的运行状况。
4.交流窜入直流监测系统
基于上述分析，监测终端采用双DSP高速数字处理技术，采用16位高速AD对正负母线对地电压进行实时采样。
4.1终端软件滤波技术
终端软件采用FIR数字滤波技术，有效滤除干扰信号。FIR滤波器具有严格的线性相位，在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题运算误差较小，FIR滤波器可以采用快速傅里叶变换算法，在相同的阶数条件下，运算速度可以更快。
4.2建立信号数学模型
终端软件采用FFT快速傅里叶变换将时域采样信号变换到频域进行有效分析、计算。傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用（例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量）。
傅立叶变换用于信号的频率域分析，一般我们把电信号描述成时间域的数学模型，而数字信号处理对信号的频率特性更感兴趣，而通过傅立叶变换很容易得到信号的频率域特性。
假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N。那么FFT变化之后，结果就是一个为N点的复数。每一个点对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢？假设原始信号的峰值为A，那么FFT的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是A的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量的N倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。第一个点表示直流分量（即0Hz），而最后一个点N的再下一个点（实际上这个点是不存在的，这里是假设的第N+1个点，也可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后）则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。
例如某点n所表示的频率为：Fn=（n-1）*Fs/N。
由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到1Hz，如果采样2秒间的信号并做FFT，则结果可以分析到0.5Hz。如果要提高频率分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。
傅里叶变换简单通俗理解就是把看似杂乱无章的信号考虑成由一定振幅、相位、频率的基本正弦（余弦）信号组合而成，傅里叶变换的目的就是找出这些基本正弦（余弦）信号中振幅较大（能量较高）信号对应的频率，从而找出杂乱无章的信号中的主要振动频率特点。
4.3实现故障录波
通过硬件软件的完美结合，交流窜入直流监测系统可以实现对交流侵入进行有效告警，不会发生误报，漏报，当发生交流窜入时可以立即进行报警。并可以对故障波形进行实时记录。通过终端自带的真彩液晶显示屏可以查看各项采集数据，查看正负母线对地电压的实时波形，进行历史故障波形的查看，也可以对产品进行参数设置等操作。
5.总结
本文通过研究交流窜入直流故障的原理和原因，提出了通过监测正负母线对地电压并进行录波的方式掌握直流母线的运行状况。
参考文献
[1] 《电力系统继电保护典型故障分析》中国电力出版社，2001出版
[2] 崔实，聂宏展；直流系统接地故障与诊断[J]；华北电力技术；2006年06期
[关键词]直流 接地 监测
中图分类号：TG434.1+1 文献标识码：TG 文章编号：1009―914X（2013）34―0025―01
1.研究背景
在变电站内直流电源运行中经常出现直流接地等故障，它的存在对继电保护装置的误动和拒动有较大影响，而交流窜入直流系统的接地故障还对继电保护装置、自动装置及直流系统接入的设备有很大的破坏作用。但目前缺乏对“交流窜入直流故障”有效的监控手段和故障告警措施，仅局限于人工排查单一手段。
新的《国家电网公司十八项反事故措施》要求：“在运行和检修中应加强对直流系统的管理，严格执行有关规程、规定及反措，防止直流系统故障，特别要防止交流电压、电流串入直流回路，造成电网事故。新建或改造的变电所，直流系统绝缘监测装置，应具备交流窜直流故障的测记和报警功能。原有的直流系统绝缘监测装置，应逐步进行改造，使其具备交流窜直流故障的测记和报警功能。”可见，交流窜入直流故障的测记及告警也是现场运维、检修迫切需要解决的问题。
2.故障案例分析
2.1故障案例
2011年8月，某330kV变电站主变压器跳闸，110kV母线失压，导致其馈供的15座110kV变电站失压。
2.2事故发生原因
雨水通过缝隙漏入传动箱后沿密度继电器电缆流入机构箱并滴入箱内温湿度控制器（该控制器电源部分为220V交流，信号部分为220V直流），造成温湿度控制器中交、直流回路间短路，交流电压串入直流I段，造成接于直流I段的两台变压器非电量出口中间继电器（主跳）接点抖动并相继出口跳闸。
2.3保护误动机理
从交流窜入直流系统引起保护误动机理分析：所用交流系统是一个接地系统，直流是一个绝缘系统，因此一旦交流窜入直流系统，必然会造成直流系统故障：
1）引起直流系统金属性接地，绝缘监测装置工作异常。
2）引起厂站系统监控装置误发大量告警信息，而且频繁刷新。
3）引起继电保护装置误动，尤其是变压器非电量保护的误动。
2.4交流窜入直流系统主要原因
1）工作人员误接线。由于现场接线复杂，工作人员很可能将交流线直接接到直流系统中，造成交流直接窜入直流系统。
2）交直流电缆绝缘下降或损坏。交直流走线时，布线过近，电缆使用时间过长之后，容易绝缘下降或绝缘损坏，造成交流窜入直流系统。
3）直流电缆对地电容过大。由于对地电容的存在，容易造成交流窜入直流，对地电容是不可能消除的，当此电容值大于一定值时，交流电对分布电容充放电，电流超过继电器的动作电流，引起继电器误动作。
4）开关质量不合格，直接造成交流竄入直流。
3.交流窜入直流监测原理
如下图所示，为一段直流系统等效电路图。其中，C1+、C1-分别为直流正负母线对地电容。R1+、R1-分别为直流母线对地电阻。V+、V-分别监测正母线对地电压和负母线对地电压。当交流电侵入直流系统，直流母线对地电压将呈现正弦波形。而直流母线正负两端电压不会变化。因此，通过检测直流系统对地电压的变化可以判断出是否发生交流侵入。
当母线正极发生交流侵入时，我们用示波器测量到正母线对地电压是向上平移的正弦波形；当直流母线负极发生交流侵入时是向下平移的正弦波形。但是正负母线之间的电压始终恒定值，是一条直线。
因此只有通过测量正负母线对地电压，才能有效正确的判断直流母线的运行状况。
4.交流窜入直流监测系统
基于上述分析，监测终端采用双DSP高速数字处理技术，采用16位高速AD对正负母线对地电压进行实时采样。
4.1终端软件滤波技术
终端软件采用FIR数字滤波技术，有效滤除干扰信号。FIR滤波器具有严格的线性相位，在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题运算误差较小，FIR滤波器可以采用快速傅里叶变换算法，在相同的阶数条件下，运算速度可以更快。
4.2建立信号数学模型
终端软件采用FFT快速傅里叶变换将时域采样信号变换到频域进行有效分析、计算。傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学、结构动力学等领域都有着广泛的应用（例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量）。
傅立叶变换用于信号的频率域分析，一般我们把电信号描述成时间域的数学模型，而数字信号处理对信号的频率特性更感兴趣，而通过傅立叶变换很容易得到信号的频率域特性。
假设采样频率为Fs，信号频率为F，采样点数为N。那么FFT变化之后，结果就是一个为N点的复数。每一个点对应着一个频率点。这个点的模值，就是该频率值下的幅度特性。具体跟原始信号的幅度有什么关系呢？假设原始信号的峰值为A，那么FFT的结果的每个点（除了第一个点直流分量之外）的模值就是A的N/2倍。而第一个点就是直流分量，它的模值就是直流分量的N倍。而每个点的相位呢，就是在该频率下的信号的相位。第一个点表示直流分量（即0Hz），而最后一个点N的再下一个点（实际上这个点是不存在的，这里是假设的第N+1个点，也可以看做是将第一个点分做两半分，另一半移到最后）则表示采样频率Fs，这中间被N-1个点平均分成N等份，每个点的频率依次增加。
例如某点n所表示的频率为：Fn=（n-1）*Fs/N。
由上面的公式可以看出，Fn所能分辨到频率为为Fs/N，如果采样频率Fs为1024Hz，采样点数为1024点，则可以分辨到1Hz。1024Hz的采样率采样1024点，刚好是1秒，也就是说，采样1秒时间的信号并做FFT，则结果可以分析到1Hz，如果采样2秒间的信号并做FFT，则结果可以分析到0.5Hz。如果要提高频率分辨力，则必须增加采样点数，也即采样时间。
傅里叶变换简单通俗理解就是把看似杂乱无章的信号考虑成由一定振幅、相位、频率的基本正弦（余弦）信号组合而成，傅里叶变换的目的就是找出这些基本正弦（余弦）信号中振幅较大（能量较高）信号对应的频率，从而找出杂乱无章的信号中的主要振动频率特点。
4.3实现故障录波
通过硬件软件的完美结合，交流窜入直流监测系统可以实现对交流侵入进行有效告警，不会发生误报，漏报，当发生交流窜入时可以立即进行报警。并可以对故障波形进行实时记录。通过终端自带的真彩液晶显示屏可以查看各项采集数据，查看正负母线对地电压的实时波形，进行历史故障波形的查看，也可以对产品进行参数设置等操作。
5.总结
本文通过研究交流窜入直流故障的原理和原因，提出了通过监测正负母线对地电压并进行录波的方式掌握直流母线的运行状况。
参考文献
[1] 《电力系统继电保护典型故障分析》中国电力出版社，2001出版
[2] 崔实，聂宏展；直流系统接地故障与诊断[J]；华北电力技术；2006年06期