楊飛

變電站直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討及故障分析

楊飛

（武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司江西分公司 江西贛州 341000）

直流電源系統(tǒng)是變電站電力系統(tǒng)的重要構(gòu)成，直流系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)變電站的安全有效運(yùn)行有著非常重要的作用，它能夠?yàn)樽冸娬径鄠€(gè)操作環(huán)節(jié)提供穩(wěn)定可靠的直流電源，例如自動(dòng)化裝置、事故照明以及繼電保護(hù)等環(huán)節(jié)，變電站直流系統(tǒng)通常出現(xiàn)的故障相對(duì)較多，例如直流回路絕緣不良、電池電壓不穩(wěn)定、交流輸入回路故障以及整流器故障等方面，本文從這個(gè)背景出發(fā)，首先對(duì)變電站直流系統(tǒng)故障進(jìn)行了相應(yīng)的分析，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及故障檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了介紹。

變電站；直流系統(tǒng)；故障檢測(cè)

前言

變電站直流系統(tǒng)能夠?yàn)橄嚓P(guān)繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置以及自動(dòng)裝置等設(shè)備提供必備的工作電源，能夠?yàn)樽冸娬倦娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供安全可靠的保障，尤其是現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，使得電力系統(tǒng)逐步的朝著自動(dòng)化和集中化的方向邁進(jìn)，而這些發(fā)展方向也給直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定提出了更多的要求。

一般情況下，變電站直流系統(tǒng)故障主要是接地故障，也就是通常所說(shuō)的直流接地故障，除此之外，還包括直流系統(tǒng)常見(jiàn)的信號(hào)燈熔斷器熔斷故障、交流輸入回路故障、整流器故障以及直流回路絕緣不良等問(wèn)題，想要維護(hù)穩(wěn)定安全的變電站系統(tǒng)，必須有針對(duì)性的設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的直流系統(tǒng)，針對(duì)具體的故障制定合理的排除措施。

1 變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)蓄電池的選擇設(shè)計(jì)

（1）直流系統(tǒng)蓄電池組數(shù)的配置必須根據(jù)不同的變電站級(jí)別來(lái)進(jìn)行，例如對(duì)于110kV的變電站來(lái)說(shuō)，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要配置一組閥控式密封鉛酸蓄電池、一臺(tái)高頻的開(kāi)關(guān)電源等；蓄電池容量的選擇需要根據(jù)直流系統(tǒng)負(fù)荷（經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷以及沖擊負(fù)荷）來(lái)進(jìn)行，通常110kV變電站會(huì)選擇1組200Ah的蓄電池組，蓄電池個(gè)數(shù)為104只。

（2）對(duì)于220kV的變電站來(lái)說(shuō)，由于系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電流強(qiáng)度比較大，所以需要配備兩組閥控式密封鉛酸蓄電池，再結(jié)合兩臺(tái)或三臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)電源，220kV變電站需要配備400Ah的蓄電池，蓄電池個(gè)數(shù)為208只。

1.2 直流系統(tǒng)充電裝置的選擇設(shè)計(jì)

變電站直流系統(tǒng)充電裝置通常分為高頻開(kāi)關(guān)型的和晶閘管型的，這兩者相比較來(lái)說(shuō)，前者比較穩(wěn)定，同時(shí)電壓輸出的精準(zhǔn)度相對(duì)較高，并且體積小、運(yùn)行效率高、輸出波紋失真較小。而后者最大的優(yōu)點(diǎn)就是接線(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，并且輸出的功率遠(yuǎn)高于前者，通常適用于電壓等級(jí)相對(duì)較低的變電站。

直流系統(tǒng)充電裝置高頻開(kāi)關(guān)電源模塊接線(xiàn)方式相對(duì)比較復(fù)雜，一般是使用N+1模式，電源模塊數(shù)量3～7，具體的計(jì)算公式如下：

其中Ic主要是每一組充電裝置的電流；C10是10h內(nèi)一組蓄電池的放電容量；Ijc是直流系統(tǒng)中最大經(jīng)常負(fù)荷的電流，這個(gè)電流這里我們?nèi)≈?0A；N是充電模塊的數(shù)量；In是單個(gè)充電模塊的額定電流，這里取值5A；n是電源模塊的冗余量，一般情況下當(dāng)模塊小于6的時(shí)候，n取值1，當(dāng)模塊大于6的時(shí)候，n取值2。

這里我們以110kV的變電站為例，Ijc取值是10A，蓄電池的容量即為100Ah，通過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)和上面的公式可以得出：

而充電模塊的選擇可以根據(jù)N+1模式得出是5塊。如果選擇5A的模塊，可以留出一塊當(dāng)做備用。

1.3 直流系統(tǒng)接線(xiàn)方式選擇設(shè)計(jì)

直流系統(tǒng)接線(xiàn)方式設(shè)計(jì)還是以110kV和220kV變電站為例，通常情況下110kV的變電站直流系統(tǒng)使用的是單母接線(xiàn)方式，如圖1所示，這種方式的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

圖1 單母接線(xiàn)方式

（1）系統(tǒng)由五個(gè)充電模塊和一套充電裝置組成；合閘模塊會(huì)通過(guò)合閘母線(xiàn)給系統(tǒng)蓄電池進(jìn)行充電；

（2）系統(tǒng)中的五個(gè)充電模塊都采用的是雙路供電的交流電源，系統(tǒng)正常運(yùn)行的過(guò)程中，必須是五個(gè)模塊同時(shí)出現(xiàn)故障才會(huì)影響到直流系統(tǒng)供電。

220kV變電站直流系統(tǒng)使用的是單母分段接線(xiàn)方式，這種方式相對(duì)比較復(fù)雜，需要配備兩套充電裝置和蓄電池，同時(shí)每一個(gè)充電模塊都采用的是雙路供電的交流電源，并且直流母線(xiàn)以及饋線(xiàn)都是用單母分段接線(xiàn)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)直流負(fù)荷雙路直流電源供電，如圖2所示。

圖2 直流系統(tǒng)單母分段接線(xiàn)方式

1.4 直流系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇

（1）環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)配置相應(yīng)的合閘小母線(xiàn)、控制小母線(xiàn)分別通過(guò)電源，然后經(jīng)過(guò)直流斷路器之后再分別接上兩段直流母線(xiàn)，直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的過(guò)程中需要開(kāi)環(huán)運(yùn)行，通常這種饋電網(wǎng)絡(luò)能夠節(jié)省大量的電纜，所以主要運(yùn)用在一些中小型的變電站；

（2）輻射供電方式，這種方式的中心點(diǎn)主要是直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)能夠直接給系統(tǒng)設(shè)備提供電源，供電的相對(duì)穩(wěn)固可靠，同時(shí)能夠消除大量的干擾源，同時(shí)這種方式能夠保證單一的設(shè)備在停止運(yùn)作的時(shí)候不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，有利于系統(tǒng)故障的排除。

2 變電站直流系統(tǒng)故障分析

2.1 直流系統(tǒng)元件故障

元件故障主要有充電模塊故障、監(jiān)控裝置故障、絕緣監(jiān)察裝置故障、蓄電池故障以及交流電源故障這幾種，這里主要介紹兩種：

（1）充電模塊故障，這種故障有不同的類(lèi)型，例如充電模塊通訊中斷、充電模塊保護(hù)動(dòng)作、充電模塊不均流等，如果系統(tǒng)被診斷出是充電模塊故障，就必須更換模塊，這個(gè)環(huán)節(jié)需要注意以下幾個(gè)方面：

①先將故障模塊拆掉，首先要確認(rèn)開(kāi)關(guān)按鈕處于關(guān)機(jī)狀態(tài)下，然后才能夠拔掉通訊插頭和交流輸入插頭，最后拔掉直流輸出插頭，將模塊上固定的螺絲寧夏之后把模塊取下。

②新的模塊安裝上之后需要先接上交流輸入插頭，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，如果充電模塊的指示燈顯示正常，并且輸出電壓逐漸上升，之后才能夠投入運(yùn)行，然后先關(guān)機(jī)再將充電模塊的直流輸出插頭和通訊線(xiàn)連接上開(kāi)機(jī)，其中監(jiān)控器地址屏蔽打開(kāi)之后就能夠投入使用。

對(duì)于經(jīng)常出現(xiàn)的充電模塊通信中斷故障需要通過(guò)定期的檢查來(lái)保證模塊和直流監(jiān)控模塊之間的接地線(xiàn)能夠良好接地，同時(shí)在日常的絕緣以及靜電試驗(yàn)過(guò)程中，必須將所有的通訊電纜都斷開(kāi)之后才能夠進(jìn)行，這樣能夠避免對(duì)通訊電纜造成外界干擾。

（2）蓄電池故障，這種故障出現(xiàn)的原因有電池極板被腐蝕、蓄電池水損失、負(fù)極板硫化、蓄電池?zé)崾Э亍⑦^(guò)度充電以及單體浮充電壓不平衡等，為了有效的避免這些故障，首先需要有效的調(diào)控蓄電池室的內(nèi)部溫度，其次定期的進(jìn)行蓄電池放電試驗(yàn)和電導(dǎo)測(cè)驗(yàn)，再者強(qiáng)化對(duì)蓄電池外觀的日常檢查，緊密結(jié)合蓄電池巡檢儀顯示的數(shù)據(jù)時(shí)刻關(guān)注電壓起伏較大的蓄電池。

2.2 直流系統(tǒng)二次回路故障

直流系統(tǒng)出現(xiàn)二次回路故障主要是兩方面原因?qū)е碌模孩僦绷飨到y(tǒng)在受到交直流信號(hào)干擾的時(shí)候；②直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障。

2.2.1 交直流信號(hào)干擾

這種信號(hào)干擾通常有三種，分別是電容電流干擾、交流串?dāng)_以及直流串?dāng)_。例如直流串?dāng)_通常出現(xiàn)在220kV以上的變電站直流系統(tǒng)中，因?yàn)?20kV以上的變電站保護(hù)裝置如果出現(xiàn)跳閘回路以及控制回路的現(xiàn)象都需要進(jìn)行雙重化配置，而直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)造成兩端直流混接，所以只要有一個(gè)直流接地，其余的信號(hào)都會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_，同時(shí)再出現(xiàn)這種故障的時(shí)候，如果接地故障點(diǎn)空開(kāi)，那么兩組絕緣監(jiān)察裝置的絕緣警告都會(huì)消失，如果只拉開(kāi)直流串?dāng)_的而節(jié)點(diǎn)，那么仍然會(huì)有一組直流系統(tǒng)顯示故障信號(hào)。

2.2.2 直流系統(tǒng)接地故障

變電站直流系統(tǒng)接地故障會(huì)受到氣候、認(rèn)為以及設(shè)備等因素的影響，系統(tǒng)接地故障的危害也不同，例如如果正極出現(xiàn)接地故障，會(huì)導(dǎo)致斷路器運(yùn)行錯(cuò)誤動(dòng)作，容易導(dǎo)致斷路。如果負(fù)極出現(xiàn)接地故障，斷路器很容易拒跳閘，因?yàn)樨?fù)極接地的時(shí)候，如果斷路器分合閘線(xiàn)圈另一點(diǎn)接地，那么斷路器分合閘或者是斷電器會(huì)被短接，所以出現(xiàn)系統(tǒng)付賬的時(shí)候斷路器分合閘回路無(wú)法啟動(dòng)，設(shè)備就失去了保護(hù)。

3 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，直流系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率相對(duì)較高，同時(shí)作為變電站中最重要和最龐大的系統(tǒng)，對(duì)于故障的查找和解決都相對(duì)困難，所以一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障出現(xiàn)，要及時(shí)的根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信息作出判斷，在保證安全的前提下，及時(shí)的作出系統(tǒng)調(diào)整，保證變電站的安全運(yùn)行。

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TM63

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1004-7344（2016）27-0043-02

2016-9-11

楊 飛（1989-），男，江西贛州人，助理工程師，大專(zhuān)，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)。