廣州優(yōu)維電子科技有限公司 王 偉

電力直流電源常見故障分析

廣州優(yōu)維電子科技有限公司 王 偉

直流系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站中，為信號(hào)設(shè)備、保護(hù)裝置及事故照明提供獨(dú)立電源。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于操作不當(dāng)、自然環(huán)境侵蝕等因素會(huì)造成直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障。這將導(dǎo)致保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或者拒動(dòng)、直流保險(xiǎn)熔斷甚至繼電器短接等故障出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。本文將分析幾種直流系統(tǒng)中的典型故障，并提出解決方案。

電力直流；電源；故障分析

引言

直流系統(tǒng)由整流模塊及蓄電池系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測(cè)單元、電池巡檢單元、開關(guān)量檢測(cè)單元、降壓?jiǎn)卧獦?gòu)成。它是給信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分、合閘操作提供直流電源的電源設(shè)備。由于直流系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電源，其工作狀態(tài)不會(huì)受到發(fā)電機(jī)、廠用電及系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。一旦外部交流電中斷，可以保證由后備電源—蓄電池繼續(xù)提供直流電源的重要設(shè)備。直流系統(tǒng)的用電負(fù)荷極為重要，對(duì)供電的可靠性要求很高。直流系統(tǒng)的可靠性在保障變電站的安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。正是由于對(duì)其穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求，才要避免故障的出現(xiàn)。

1. 一點(diǎn)接地

電力系統(tǒng)以往的教材及技術(shù)資料均強(qiáng)調(diào)，直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，仍可繼續(xù)運(yùn)行，但必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除，以免第二點(diǎn)發(fā)生接地后造成繼電保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直流系統(tǒng)一點(diǎn)接地，同樣可能導(dǎo)致出口保護(hù)繼電器的誤動(dòng)，從而導(dǎo)致變電站主變跳閘或發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)組停運(yùn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。在單極一點(diǎn)接地故障中，有一種較為特殊的形式那就是金屬接地。金屬接地是指直流系統(tǒng)電源正極或負(fù)極對(duì)地的電阻等于或接近于零的情況，這種情況對(duì)于直流系統(tǒng)安全威脅非常大。當(dāng)直流系統(tǒng)正極接地時(shí)，將會(huì)有造成保護(hù)誤動(dòng)的可能；當(dāng)直流系統(tǒng)負(fù)極接地時(shí)，將會(huì)有造成保護(hù)拒動(dòng)的可能。設(shè)備故障、絕緣層老化、雨水天氣、不當(dāng)施工等情況都會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)絕緣性能下降。當(dāng)直流系統(tǒng)的正極或負(fù)極與大地之間的絕緣水平降到某一整定值或低于某一規(guī)定值時(shí)，統(tǒng)稱為直流系統(tǒng)接地。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)，絕緣整定值也有所不同。如表1-1所示：

表1-1

直流系統(tǒng)單極接地運(yùn)行時(shí)間不能超過(guò)2小時(shí)，因此對(duì)于接地故障需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。為了滿足這一需求，催生了各式各樣的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置。根據(jù)監(jiān)測(cè)原理的不同，直流系統(tǒng)接地監(jiān)測(cè)裝置可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式需要向系統(tǒng)注入特定的信號(hào)，然后通過(guò)傳感器探測(cè)該信號(hào)來(lái)判斷接地回路，其信號(hào)又可分為注入式和乒乓原理。被動(dòng)式不向系統(tǒng)注入任何信號(hào)，直接檢測(cè)各回路的漏電流來(lái)判斷接地與否。被動(dòng)式監(jiān)測(cè)不發(fā)送任何特定信號(hào)作為判斷基準(zhǔn)，而直流系統(tǒng)中又含有各種干擾信號(hào)，因此監(jiān)測(cè)難度遠(yuǎn)大于主動(dòng)式。然而被動(dòng)式監(jiān)測(cè)以其安全性，代表了直流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展方向，隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，將成為市場(chǎng)的主流。其中被動(dòng)式絕緣監(jiān)測(cè)裝置工作原理如圖1-1所示。

圖1-1

圖1-2

圖2-1

理想情況下，直流系統(tǒng)中正負(fù)對(duì)地的絕緣電阻是區(qū)于無(wú)窮大的，為了便于處理直流系統(tǒng)接地故障，通常會(huì)在直流系統(tǒng)的正極對(duì)地與負(fù)極對(duì)地之間加入的兩個(gè)大小相等的平衡電阻，該電阻即稱為直流系統(tǒng)中的平衡電橋。在圖1-1中，R1和R2構(gòu)成了平衡電橋，而R3則為正極接地的等效電阻。當(dāng)直流系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生絕緣故障時(shí)，該平衡電橋可以維持直流系統(tǒng)正負(fù)對(duì)地電壓接近或相等；當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時(shí)，該平衡電橋做為直流系統(tǒng)中的正負(fù)對(duì)地電壓與對(duì)地絕緣電阻之間的橋梁，使它們之間建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便故障的排查與處理。R1與R2為系統(tǒng)平衡橋，系統(tǒng)正常時(shí)，R1=R2，V+=V-，當(dāng)系統(tǒng)正級(jí)或負(fù)級(jí)發(fā)生接地或絕緣異常時(shí)，其正對(duì)地與負(fù)對(duì)地電壓即會(huì)發(fā)生變化。由此可以得到如下關(guān)系式：

利用這個(gè)原理，絕緣監(jiān)測(cè)裝置就可以得出接地電阻R3的阻值。當(dāng)這一阻值達(dá)到絕緣監(jiān)測(cè)裝置所設(shè)定的門限值時(shí)就會(huì)發(fā)出告警信號(hào)，以提醒維護(hù)人員處理。但是這一原理僅僅只是能監(jiān)測(cè)到出現(xiàn)了接地或是絕緣異常等情況。對(duì)于接地點(diǎn)的位置確定，則可以利用漏電流原理。如圖1-2所示。

圖1-2中饋線1為正常饋線，饋線n為存在負(fù)對(duì)地絕緣故障的饋線，為絕緣故障阻值，R為系統(tǒng)平衡電橋。設(shè)負(fù)荷電流大小為，系統(tǒng)正對(duì)地電壓為，負(fù)對(duì)地電壓為，則饋線1中，A處所測(cè)電流大小為；饋線n中，，，B處所測(cè)電流大小為，處所測(cè)電流大小為。根據(jù)A、B、C處中所測(cè)電流差異可以實(shí)現(xiàn)直流接地故障定位。

2. 兩點(diǎn)接地

當(dāng)直流系統(tǒng)中，發(fā)生兩點(diǎn)接地時(shí)會(huì)造成保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，將會(huì)造成嚴(yán)重后果。而兩點(diǎn)接地與一點(diǎn)接地比較，查找難度更大，尤其是兩點(diǎn)接地阻值相同時(shí)。此時(shí)需要利用投切檢測(cè)電橋來(lái)計(jì)算接地阻值。如圖2-1所示。

圖中R1、R2為平衡電橋， R3、R4為阻值相等的檢測(cè)電橋，R5、 R6模擬兩極接地電阻。首先向系統(tǒng)中投切R3，得到此時(shí)正極對(duì)地電壓及負(fù)極對(duì)地電壓，可以得到如下關(guān)系：

接下來(lái)退掉R3，投切檢測(cè)電阻R4同樣可以得到如下關(guān)系：

此時(shí)很容易求出正、負(fù)接地電阻R5和R6的阻值，絕緣監(jiān)測(cè)裝置將可以向運(yùn)維人員發(fā)出告警信息，以便及時(shí)處理故障。對(duì)于接地點(diǎn)的確定，可以利用乒乓流原理進(jìn)行定位。下面將舉例說(shuō)明當(dāng)兩極發(fā)生同阻值接地時(shí)，接地電阻的確定方法。

圖2-2

圖3-1

圖3-2

3. 交流竄入

直流系統(tǒng)中的交流串電故障是指交流電中的相線直接或間接與直流系統(tǒng)的正極或負(fù)極相連的情況。直流系統(tǒng)中發(fā)生交流串電故障通常由以下兩種原因引起：（1）維護(hù)人員的誤操作；（2）直流系統(tǒng)中含有交流供電的設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致交流串電。單相交流電由相線L與零線N組成，零線始終和大地是等電位的，即與直流系統(tǒng)中的地是等電位的。交流電L與N之間的電壓波形如圖3-1所示。

直流系統(tǒng)中發(fā)生交流串電故障即使沒(méi)有兩點(diǎn)接地也會(huì)造成保護(hù)的誤動(dòng)作，在直流系統(tǒng)中，線纜對(duì)地均存在一定的分布電容，如果直流系統(tǒng)中串入交流電源，該交流電可通過(guò)分布電容進(jìn)入合閘回路，如果分布電容較大，串入的交流接地內(nèi)阻又小，即會(huì)造成保護(hù)動(dòng)作。因此當(dāng)系統(tǒng)中竄入交流時(shí)，需要運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。為解決這一難題，可以利用如圖3-2所示方法。

真有效值提取電路可以準(zhǔn)確的將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電平。采樣系統(tǒng)完成每秒10000次的采樣平均后，將采樣數(shù)據(jù)送給處理器分析，處理器根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示在人機(jī)界面報(bào)警。這對(duì)于交流竄電故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

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