變電站直流系統運行現狀及存在問題分析

劉冬梅，李 博

國網福州供電公司，福建福州 350001

1 變電站直流系統概述

無論是在電廠或變電站，直流系統是非常重要的能源供給系統，它是保障通訊、調度、控制、保護、照明正常工作的動力中心。它以蓄電池為儲能元件，以充電機為能量變換器件，通過饋線分配向不同的負載提供電源。變電站直流系統結構如圖1 所示。

在有市電的情況下，交流電源通過充電機向蓄電池充電，同時向負載提供電源。當交流失電或直流系統故障時，由蓄電池組向負載持續提供電源。

一旦直流系統出現故障，導致變電站失電，所有通訊、調度、控制、保護、照明將停止工作，變電站將面臨癱瘓，并面臨發生重大事故，造成重大損失的風險。直流電源是變電站的心臟；電池是電源的最后屏障。

圖1 變電站直流系統結構圖

高頻開關開關電源整流模塊（充電裝置）是一個能量轉換器，作為電源的功率器件工作在開關狀態，其特點是頻率高、功耗低、工作效率高、體積小、輸入范圍寬，通過閉環系統調節，使輸出電壓保持穩定。充電裝置是直接影響蓄電池運行穩定性和使用壽命的重要因素，要求充電裝置具有較好的波紋系數、穩流精度和穩壓精度。正常蓄電池為浮充狀態，充電裝置輸出電壓略高于蓄電池端電壓，蓄電池有很平的外特性，如果充電裝置輸出電壓波紋系數高、電壓不穩，將影響直流負荷的正常運行，尤其是目前廣泛采用微機型保護和安全自動裝置。所謂絕緣監察設備，實際上就是指對直流系統正極、負極電源絕緣情況進行監察的一種裝置和設備。當直流絕緣明顯下降時，會被檢測出來，某極對地電阻上升到預設值以后，絕緣監察設備發出預警信號。

2 變電站直流系統問題分析

隨著直流系統在變電站的普遍運用，直流系統運行過程中也暴露了一些問題，可能會對變電站的一些設備造成影響。

2.1 蓄電池的維護問題

蓄電池的失效現象在變電站直流系統運行過程中時有發生，有可能造成整個電池組的損壞，嚴重影響到電網的安全運行。出現這個問題的主要原因包括了蓄電池結構不同，并且電池組中存在著電池的個體差異、產家種類多、維護方法不正確、經驗不足等等。在蓄電池運行中發現的主要問題有：

1）爬堿爬酸現象的出現。蓄電池放電過程中，當其輸出電壓降低到零后，電池中的大量硫酸鉛會被吸付在電池陰極的表面位置，從而形成陰極硫酸鹽化現象。同時，在硫酸鉛形成過程中，會對電池自身的充電與放電產生一定的不利影響，本身就是絕緣體。基于此，硫酸鹽在電池陰極板上的吸附量越多，則電池自身的內阻就會越大，此時電池充電與放電性能也隨之降低，影響電池的應用壽命；

2）浮充電狀態對對電池的應用壽命也會產生一定的影響。實踐中可以看到，當前多數蓄電池均處于一種長期只充電，而不放電狀態，即浮充電狀態，這種工作狀態非常不合理。據統計數據顯示，電池長期處于這種不合理狀態，會導致蓄電池自身的陽極極板出現嚴重鈍化現象，蓄電池內阻會隨之急劇增大，從而導致蓄電池自身的容量偏離標準容量，蓄電池自身所能提供的后備供電時間和本身的使用壽命，也隨之減少；

3）蓄電池出現少數的單體失效，并且出現漏液、電池鼓肚的現象。這主要是因為在蓄電池生產過程中制造精度的離散型使得某些電池產生個體差異，并且有可能由于充電電壓和電流控制不當，在充電后期，會出現熱失控現象。如果電池內部熱量產生的速率超過了其在一定環境條件下的散熱能力，電池的溫度將會持續上升，致使電池的塑料外殼變軟，最后導致外殼破裂或融化。

2.2 充電裝置中的問題

1）模塊的穩壓、穩流紋精度、紋波系數不滿足要求。這種情況長期存在，會導致蓄電池出現長期欠壓或過充電，嚴重影響蓄電池壽命，極端情況下將導致繼電保護裝置誤動或告警信號誤發；

2）無人值守情況下，單個充電模塊故障不能發出告警信號，影響故障處理甚至危及直流系統的安全運行。

2.3 絕緣監察裝置存在的問題

最初的絕緣監察裝置會受到直流系統的接線方式的影響，起到的絕緣警告作用并不明顯，僅支持母線報警，而對指路報警沒有指示作用，仍需要用支路斷電查找接地點。絕緣監察裝置主要問題有插件損壞、燒毀、整個裝置出現死機。當絕緣監察裝置死機后，會導致同一母線下的多支路電源饋線同時電壓下降但卻無法出現正確報警，進而威脅整個電網的用電安全。不少絕緣監察裝置采用的輻射型檢測原理，構成環網結構，無法形成網絡拓撲結構結構，能夠對失地情況進行報警，但無法反應正確選線的問題。

2.4 直流系統接線問題

直流系統的饋電網絡有環形供電和輻射供電兩種方式，環網結構雖然能夠一定程度上節約設計成本，但實際上會產生一些問題：環網結構會出現電容耦合和感應耦合的干擾問題；空開熔絲出現上下級難以配合問題；造成絕緣監察和查找失地的困難，不利于查找故障點。

2.5 上下級配合的問題

在直流回路中，空開熔絲上下級配合問題也比較突出，空氣開關以及熔斷器都是保護直流系統電路安全的，如果配型不當，則會使得直流系統的斷路器不能夠及時切斷故障，以致越級跳閘，擴大故障范圍。

3 改善直流系統運行質量的對策

1）加強加快變電站的電源改造工作，確保充電裝置的穩壓、穩流精度、紋波系數等滿足規程要求。定期對蓄電池進行放電試驗，保證蓄電池的質量，盡量排除蓄電池的個體性差異。

2）應對充電設備進行全面的檢查：尤其是各種計量表的顯示情況，交流、直流輸入電壓以及直流輸出電流，有無異常運行噪聲，絕緣狀態是否良好，各保護信號是否正常。交流電源中斷情況下，為確保控制母線電壓值的穩定，蓄電池組將不間斷地向直流母線供電。當蓄電池組中的額定量放出容量超過20%時，在其恢復交流電源正常供電以后，應當采取手動、自動等啟動方式，將充電設備打開，根據出廠之規定和操作要求，對蓄電池組正常充電即可；或者按照恒流限壓、恒壓充電以及浮充電方式，對蓄電池組充電。

3）實踐中可以看到，直流系統自身的絕緣性能可能會對直流系統產生一定的影響，甚至會對變電所自身的安全可靠性產生一定的影響。當變電所因絕緣降低而導致接地極發生短路現象時，其后果更為嚴重。實踐中，為確保該系統的安全運行，以免出現直流絕緣性能下降等現象。實際操作過程中，應當對直流系統的二次設備絕緣性能進行嚴格控制；盡可能地將其他設備用直流和保護、斷路器控制用直流分開；戶外端子箱以及操作機構等，應采用有效的防塵、密封、防水、防潮的結構；將前后帶門的封閉式結構用于主控室內的控制、保護屏；要經常性地對直流系統的絕緣水平進行監視；戶外電纜溝及電纜隧道要有良好的排水設施。

4）對于直流電路中的空開熔絲上下級配型問題要有嚴格的配合整定。不同類型的空開斷開特性不同，應注意整理配合選型的統一，避免因個體差異出現的上下級無法配型。并且每年進行一次空開普查核對工作，確保空開選配合理。

最后，要規范變電站直流系統的運維管理，結合設備特點編寫現場運行規程，建立完善的直流系統管理制度，規范作業流程，做好技術培訓，提高工作人員的技能水平。

[1]徐海明.直流設備檢修[M].北京中國電力出版社，2003.

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[4]馬立方.變電站直流系統故障分析與處理[J].現代商貿工業，2011(15).

[5]國家電網公司人力資源部.直流設備檢修.