直流系統設計及運行管理中的若干問題探討

蘇艷萍，栗 磊，楊曉龍

（1.國網寧夏電力設計有限公司，寧夏 銀川 750001；2.國網寧夏電力科學研究院，寧夏 銀川 750001；3.國網寧夏電力公司教育培訓中心，寧夏 銀川 750001）

1 引言

直流系統是發電廠和變電站的重要系統，擔負著站內繼電保護裝置及其出口回路、斷路器控制回路、信號回路、事故照明、通信等設備的供電，由于被操作和保護的主設備眾多，使直流系統分布面廣，遍布廠站內各個角落，因此，確保發電廠和變電站的安全、經濟運行，具備完善而可靠的直流系統是非常必要的。但是，在現場技術監督檢查過程中，筆者發現直流系統的運行管理往往被大家所忽視，成為影響電網安全穩定運行的一個重要環節，筆者就此結合個人實際工作中遇到的一些典型問題，提出相應的解決措施供大家商榷。

2 雙套直流電源如何實現保護功能的冗余

220kV及以上電壓等級的一次設備均要求實現雙重化的保護配置，實現保護功能的冗余，提高供電可靠性。為滿足雙重化保護配置的要求，兩套保護裝置的直流電源必須由兩組完全獨立的蓄電池組分別供電，且與保護裝置配合的回路及設備的直流電源也應與該保護裝置取自同一直流母線。對于采用后備原則進行雙重化配置的保護裝置，每套保護裝置均應由不同的直流電源供電，并分別設專用的直流熔斷器或自動開關。有后備關系的保護裝置之間應盡可能地減少共用環節［1］。目前除電壓二次回路因一次設備原因不能完全滿足雙重化保護要求外，直流電源也是一個尚不能滿足雙重化保護要求的薄弱環節，其具體問題分析如下：

（1）直流小母線供電方式

具體實現方式如圖1所示。

圖1 直流小母線接線圖

此接線形式在早期變電站中比較常見，直流Ⅰ、Ⅱ段母線分別由兩套蓄電池組供電。從設計方面考慮，實現兩直流段獨立供電沒有問題，但在實際運行中卻很不規范，正確的運行方式應為分段開關均在合位，直流I段饋線屏上BM1、KMI自動開關在合位、直流II段饋線屏上BM2、KM2自動開關在合位。現場檢查中卻發現很多廠站把分段開關斷開，直流 I、II段饋線屏上 BM1、BM2、KM1、KM2自動開關都在合位，這樣接線看似保護裝置由雙套直流供電，但實際上只是由一組蓄電池供電，這是對反措要求理解不透造成的，反措中的不同電源應指不同的蓄電池組。在這種運行方式下，一旦某種原因導致一段直流失壓，將造成一次設備雙套保護裝置及控制回路失電，并造成一次設備無保護狀態運行，在外部有故障時將造成保護拒動的嚴重后果。為保證雙重化保護的冗余功能，必須加強和規范這種直流供電方式的運行管理工作，在理清回路的前提下盡快更改為正確的直流供電系統運行方式，同時在保護室懸掛直流系統的詳細聯絡圖，便于技術人員進行運行維護工作。

（2）雙套保護應嚴格遵守一一對應的關系，防止因交叉停用而導致保護功能的缺失

雙套保護裝置直流電源與斷路器兩組跳閘，線圈控制電源應防止交叉接線，在發生一次設備故障的同時，任一段直流失壓將造成斷路器拒動，并會誤啟動失靈保護。雙套主變（線路）保護與雙套母差及失靈保護，應確保取自對應的同一段直流母線，否則一旦兩段直流母線任一段失壓，均會造成失靈保護失去功能，給電網安全帶來隱患，雙套直流電源配置示意圖如圖2所示。

圖2 雙套直流電源配置示意圖

（3）有備用關系的斷路器之間的控制電源配置不合理

變壓器的中、低壓側后備保護作為中、低壓側母線及出線的近后備保護，其斷路器控制電源應與出線斷路器控制電源取自不同的直流母線段，如220kV主變的110kV側斷路器對110kV線路出線斷路器有后備作用，當110kV線路出線斷路器拒動時，可由主變110kV側斷路器切除故障，若將其控制電源設計在同一段直流母線上，一旦該段直流母線失壓，則會造成該兩個斷路器均不能可靠動作的情形，只能再越級到上一級斷路器跳閘，這樣會擴大停電范圍。

（4）一次主接線為雙母線接線時，涉及到電壓切換裝置的電源問題

早期變電站設計中普遍配置單套電壓切換裝置，切換后二次電壓供雙套保護共同使用，切換裝置電源一般取自操作電源。在這種情況下，一旦操作電源失電，切換裝置也將失電，保護裝置將會因失去二次電壓而誤動，不能可靠跳開斷路器，將誤啟動失靈保護，造成嚴重后果［2］。為了避免上述情況的發生，切換電源與對應的保護裝置應采用同一組直流電源，并建議使用同一自動空開。

3 合閘母線是否還有存在的必要

早期的電磁式斷路器在分合閘時會有較大的沖擊電流，為了降低此時的沖擊電流，將蓄電池組的端電壓設計為240V，保護裝置電源及其他裝置電源額定電壓一般為220V，所以直流系統主接線分為合閘母線及控制母線，兩者共用負極，合閘母線通過硅鏈降壓成為控制母線，硅鏈調壓原理示意圖如圖3所示。

圖3 硅鏈調壓原理示意圖

硅鏈是由數個單相二極管組成，屬于半導體器件，過載能力較差，在短路電流的沖擊下易斷裂，會造成直流控制母線失壓，也會造成保護裝置和斷路器因失去直流電源而拒動。國內曾經出現過由于硅鏈斷裂，造成直流控制母線失電，引發大范圍停電事故。直流系統是否需要設置合閘母線，一是根據變電站斷路器操作機構是否有較大的合閘沖擊電流（這里指合閘電流超過250A），二是根據變電站微機保護裝置的電源模塊的工作電壓是否在直流額定電壓允許的范圍內等因素決定的。

（1）如果變電站沒有較大的合閘沖擊電流，微機保護裝置的電源模塊電壓也在直流額定電壓允許值的±10%范圍內時：無論變電站的蓄電池組為兩組還是一組，均不應設置合閘母線，蓄電池組參數表如表1所示（系統電壓220V、單體電池電壓2V）。

表1 蓄電池組參數表

通過上述計算可以看出，蓄電池組在正常運行還是均衡充電時，其電壓均沒有超過直流額定電壓允許值的±10%范圍，若選擇閥控蓄電池可只用104個。

（2）如果變電站有較大的電磁操作機構（合閘電流超過250A時）：無論變電站的電池組為兩組還是單組，均應設置合閘母線。若選擇閥控蓄電池，則需用107－108個。

因此，在斷路器操作機構及保護裝置額定電壓允許的情況下，去掉直流合閘母線，不僅可以簡化直流主接線，省去合閘母線與控制母線之間的調壓硅鏈，提高了直流系統運行的可靠性，同時減少了蓄電池的數量，提高了工程的經濟性。

4 交流串入直流系統如何防范

直流系統和交流系統是兩個相互獨立的系統，直流為不接地系統，交流為接地系統。由于各種原因造成交流串入直流時，會危及到全站的直流系統，造成保護誤動跳閘等重大事故（如2011年延安局330kV朱家變電站主變跳閘事故）。目前主變過負荷啟動風冷、主變過負荷閉鎖調壓控制回路及隔離開關、斷路器機構箱等交直流共存的地方是交流串入直流系統的重點區域，主要原因有交直流回路共用電纜、端子排潮濕、凝露、雨水侵入、交直流電纜絕緣受損、人為誤碰、誤接線等。

對于主變過負荷及閉鎖調壓回路應采取有效地隔離措施（如加裝中間繼電器），避免交流控制回路直接從保護裝置取用相關的閉鎖接點，戶外端子箱和機構箱內，應合理布置二次接線端子，應盡量單列布置交、直流接線，并設置明顯的區分標志。應認真做好戶外端子箱的密封、防水、防潮、防凝露等措施。直流系統絕緣監測裝置必須具備交流竄入直流系統的故障測記和報警功能，以便于發現并及時消除此類安全隱患。

5 裝置電源與控制電源分開的必要性

對于高電壓等級系統而言，斷路器控制電源與保護裝置電源應分別由不同的直流空氣開關供電，這樣做的好處是兩電源互不影響。當控制回路出現故障時，控制電源的空氣開關跳開，此時如果系統有故障，雖然斷路器不能跳閘，但保護裝置電源正常，可保證失靈保護正常動作，又可利用相鄰斷路器切除故障。同樣，如果保護裝置有故障，對應的直流空氣開關跳開，保證控制電源也是有意義的，特別是在無人值守的變電站，調控人員可遙控使斷路器分閘，避免一次設備長時間無保護運行。對于低壓系統則采用保護測控一體化裝置，將斷路器控制電源和保護裝置電源分開供電則意義不大［3］。

6 蓄電池維護存在問題

蓄電池生產廠家和種類較多，其維護方法和要求不同，造成維護人員對蓄電池的維護經驗不足。以目前現場應用較多的免維護閥控式鉛酸蓄電池為例，免維護是指不需要進行經常添加電解液的維護工作。其他的維護工作仍是必須的，主要包括：初次使用需要充電16～20 h以上，事故放電后須在短時間內再充電，定期檢查充足電的電池端電壓，定期對蓄電池進行均衡充電（3～6月），定期進行核對性放電，對長期閑置不用的電池也要定期充電［4］等。蓄電池維護不當導致的早期失效現象時有發生，造成蓄電池個體甚至整組電池的損壞，給電網的安全運行造成嚴重的影響。2012年10月某110kV變電站因蓄電池開路造成全站直流失壓，自投裝置沒有合上備用電源，導致全所失壓。2012年11月某220kV變電站一組蓄電池因嚴重老化，在充電機交流電源失電的情況下，不能供電給所帶的直流負荷，造成多條220kV線路距離保護因失去二次電壓而誤動作。

7 結論

（1）雙重化保護的直流電源必須取自不同蓄電池組供電的直流母線，其配合設備及二次回路的直流電源必須與對應的保護裝置的直流電源取自同一段的直流母線，只有這樣，才能實現雙套保護的冗余功能。

（2）合閘母線的設置應根據站內斷路器操作機構及保護裝置的需求情況進行考慮，在設備運行狀況允許的情況下，應去掉合閘母線，以簡化直流系統主接線。

（3）在變電站交直流共存的地方，應合理布置二次接線，與保護裝置有聯系的交流回路建議加裝中間繼電器進行隔離，以降低交流串入直流系統的風險。

（4）對于保護測控一體化裝置，裝置電源和操作電源分開的意義不大，但是在保護和測控裝置獨立配置的情況下，建議裝置電源和操作電源獨立配置，以便于故障發生時及時進行故障隔離。

（5）蓄電池的日常維護工作應引起高度重視，尤其要定期進行核對性充放電試驗工作，這樣才能夠及時發現和處理蓄電池的異常狀態，以確保直流系統的安全穩定運行。

［1］國家電網公司運維檢修部.十八項電網重大反事故措施（修訂版）［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］李天華，黃少鋒，彭世寬.線路保護及輔助裝置標準化設計規范（學習讀本）［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［3］薛 峰.電網繼電保護事故處理及案例分析［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］董 明，魏秉政.變電站直流系統運行現狀及存在問題分析［J］.繼電器，2006，34（3）：82－84.