变电站直流系统的设计探讨及故障分析

2016-08-10杨飞

大科技 2016年27期

杨飞

变电站直流系统的设计探讨及故障分析

杨飞

（武汉联动设计股份有限公司江西分公司江西赣州 341000）

直流电源系统是变电站电力系统的重要构成，直流系统对于整个变电站的安全有效运行有着非常重要的作用，它能够为变电站多个操作环节提供稳定可靠的直流电源，例如自动化装置、事故照明以及继电保护等环节，变电站直流系统通常出现的故障相对较多，例如直流回路绝缘不良、电池电压不稳定、交流输入回路故障以及整流器故障等方面，本文从这个背景出发，首先对变电站直流系统故障进行了相应的分析，然后在此基础上对直流系统设计以及故障检测技术进行了介绍。

变电站；直流系统；故障检测

前言

变电站直流系统能够为相关继电保护装置、测量控制装置以及自动装置等设备提供必备的工作电源，能够为变电站电力系统的稳定运行提供安全可靠的保障，尤其是现代化科学技术以及网络通讯技术的发展，使得电力系统逐步的朝着自动化和集中化的方向迈进，而这些发展方向也给直流系统的安全稳定提出了更多的要求。

一般情况下，变电站直流系统故障主要是接地故障，也就是通常所说的直流接地故障，除此之外，还包括直流系统常见的信号灯熔断器熔断故障、交流输入回路故障、整流器故障以及直流回路绝缘不良等问题，想要维护稳定安全的变电站系统，必须有针对性的设计稳定可靠的直流系统，针对具体的故障制定合理的排除措施。

1 变电站直流系统设计

1.1 系统蓄电池的选择设计

（1）直流系统蓄电池组数的配置必须根据不同的变电站级别来进行，例如对于110kV的变电站来说，为了满足系统的安全运行，需要配置一组阀控式密封铅酸蓄电池、一台高频的开关电源等；蓄电池容量的选择需要根据直流系统负荷（经常负荷、事故负荷以及冲击负荷）来进行，通常110kV变电站会选择1组200Ah的蓄电池组，蓄电池个数为104只。

（2）对于220kV的变电站来说，由于系统运行所需要的电流强度比较大，所以需要配备两组阀控式密封铅酸蓄电池，再结合两台或三台高频开关电源，220kV变电站需要配备400Ah的蓄电池，蓄电池个数为208只。

1.2 直流系统充电装置的选择设计

变电站直流系统充电装置通常分为高频开关型的和晶闸管型的，这两者相比较来说，前者比较稳定，同时电压输出的精准度相对较高，并且体积小、运行效率高、输出波纹失真较小。而后者最大的优点就是接线方式比较简单，并且输出的功率远高于前者，通常适用于电压等级相对较低的变电站。

直流系统充电装置高频开关电源模块接线方式相对比较复杂，一般是使用N+1模式，电源模块数量3～7，具体的计算公式如下：

其中Ic主要是每一组充电装置的电流；C10是10h内一组蓄电池的放电容量；Ijc是直流系统中最大经常负荷的电流，这个电流这里我们取值10A；N是充电模块的数量；In是单个充电模块的额定电流，这里取值5A；n是电源模块的冗余量，一般情况下当模块小于6的时候，n取值1，当模块大于6的时候，n取值2。

这里我们以110kV的变电站为例，Ijc取值是10A，蓄电池的容量即为100Ah，通过这个数据和上面的公式可以得出：

而充电模块的选择可以根据N+1模式得出是5块。如果选择5A的模块，可以留出一块当做备用。

1.3 直流系统接线方式选择设计

直流系统接线方式设计还是以110kV和220kV变电站为例，通常情况下110kV的变电站直流系统使用的是单母接线方式，如图1所示，这种方式的特点有以下几点：

图1 单母接线方式

（1）系统由五个充电模块和一套充电装置组成；合闸模块会通过合闸母线给系统蓄电池进行充电；

（2）系统中的五个充电模块都采用的是双路供电的交流电源，系统正常运行的过程中，必须是五个模块同时出现故障才会影响到直流系统供电。

220kV变电站直流系统使用的是单母分段接线方式，这种方式相对比较复杂，需要配备两套充电装置和蓄电池，同时每一个充电模块都采用的是双路供电的交流电源，并且直流母线以及馈线都是用单母分段接线，这样能够实现直流负荷双路直流电源供电，如图2所示。

图2 直流系统单母分段接线方式

1.4 直流系统馈电网络设计选择

（1）环形供电网络需要通过配置相应的合闸小母线、控制小母线分别通过电源，然后经过直流断路器之后再分别接上两段直流母线，直流系统正常运行的过程中需要开环运行，通常这种馈电网络能够节省大量的电缆，所以主要运用在一些中小型的变电站；

（2）辐射供电方式，这种方式的中心点主要是直流母线，直流母线能够直接给系统设备提供电源，供电的相对稳固可靠，同时能够消除大量的干扰源，同时这种方式能够保证单一的设备在停止运作的时候不影响整个系统的运行，有利于系统故障的排除。

2 变电站直流系统故障分析

2.1 直流系统元件故障

元件故障主要有充电模块故障、监控装置故障、绝缘监察装置故障、蓄电池故障以及交流电源故障这几种，这里主要介绍两种：

（1）充电模块故障，这种故障有不同的类型，例如充电模块通讯中断、充电模块保护动作、充电模块不均流等，如果系统被诊断出是充电模块故障，就必须更换模块，这个环节需要注意以下几个方面：

①先将故障模块拆掉，首先要确认开关按钮处于关机状态下，然后才能够拔掉通讯插头和交流输入插头，最后拔掉直流输出插头，将模块上固定的螺丝宁夏之后把模块取下。

②新的模块安装上之后需要先接上交流输入插头，打开电源开关，如果充电模块的指示灯显示正常，并且输出电压逐渐上升，之后才能够投入运行，然后先关机再将充电模块的直流输出插头和通讯线连接上开机，其中监控器地址屏蔽打开之后就能够投入使用。

对于经常出现的充电模块通信中断故障需要通过定期的检查来保证模块和直流监控模块之间的接地线能够良好接地，同时在日常的绝缘以及静电试验过程中，必须将所有的通讯电缆都断开之后才能够进行，这样能够避免对通讯电缆造成外界干扰。

（2）蓄电池故障，这种故障出现的原因有电池极板被腐蚀、蓄电池水损失、负极板硫化、蓄电池热失控、过度充电以及单体浮充电压不平衡等，为了有效的避免这些故障，首先需要有效的调控蓄电池室的内部温度，其次定期的进行蓄电池放电试验和电导测验，再者强化对蓄电池外观的日常检查，紧密结合蓄电池巡检仪显示的数据时刻关注电压起伏较大的蓄电池。

2.2 直流系统二次回路故障

直流系统出现二次回路故障主要是两方面原因导致的：①直流系统在受到交直流信号干扰的时候；②直流系统出现接地故障。

2.2.1 交直流信号干扰

这种信号干扰通常有三种，分别是电容电流干扰、交流串扰以及直流串扰。例如直流串扰通常出现在220kV以上的变电站直流系统中，因为220kV以上的变电站保护装置如果出现跳闸回路以及控制回路的现象都需要进行双重化配置，而直流系统设计会造成两端直流混接，所以只要有一个直流接地，其余的信号都会出现串扰，同时再出现这种故障的时候，如果接地故障点空开，那么两组绝缘监察装置的绝缘警告都会消失，如果只拉开直流串扰的而节点，那么仍然会有一组直流系统显示故障信号。

2.2.2 直流系统接地故障

变电站直流系统接地故障会受到气候、认为以及设备等因素的影响，系统接地故障的危害也不同，例如如果正极出现接地故障，会导致断路器运行错误动作，容易导致断路。如果负极出现接地故障，断路器很容易拒跳闸，因为负极接地的时候，如果断路器分合闸线圈另一点接地，那么断路器分合闸或者是断电器会被短接，所以出现系统付账的时候断路器分合闸回路无法启动，设备就失去了保护。