變電站直流系統的設計探討及故障分析

楊飛

變電站直流系統的設計探討及故障分析

楊飛

（武漢聯動設計股份有限公司江西分公司 江西贛州 341000）

直流電源系統是變電站電力系統的重要構成，直流系統對于整個變電站的安全有效運行有著非常重要的作用，它能夠為變電站多個操作環節提供穩定可靠的直流電源，例如自動化裝置、事故照明以及繼電保護等環節，變電站直流系統通常出現的故障相對較多，例如直流回路絕緣不良、電池電壓不穩定、交流輸入回路故障以及整流器故障等方面，本文從這個背景出發，首先對變電站直流系統故障進行了相應的分析，然后在此基礎上對直流系統設計以及故障檢測技術進行了介紹。

變電站；直流系統；故障檢測

前言

變電站直流系統能夠為相關繼電保護裝置、測量控制裝置以及自動裝置等設備提供必備的工作電源，能夠為變電站電力系統的穩定運行提供安全可靠的保障，尤其是現代化科學技術以及網絡通訊技術的發展，使得電力系統逐步的朝著自動化和集中化的方向邁進，而這些發展方向也給直流系統的安全穩定提出了更多的要求。

一般情況下，變電站直流系統故障主要是接地故障，也就是通常所說的直流接地故障，除此之外，還包括直流系統常見的信號燈熔斷器熔斷故障、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題，想要維護穩定安全的變電站系統，必須有針對性的設計穩定可靠的直流系統，針對具體的故障制定合理的排除措施。

1 變電站直流系統設計

1.1 系統蓄電池的選擇設計

（1）直流系統蓄電池組數的配置必須根據不同的變電站級別來進行，例如對于110kV的變電站來說，為了滿足系統的安全運行，需要配置一組閥控式密封鉛酸蓄電池、一臺高頻的開關電源等；蓄電池容量的選擇需要根據直流系統負荷（經常負荷、事故負荷以及沖擊負荷）來進行，通常110kV變電站會選擇1組200Ah的蓄電池組，蓄電池個數為104只。

（2）對于220kV的變電站來說，由于系統運行所需要的電流強度比較大，所以需要配備兩組閥控式密封鉛酸蓄電池，再結合兩臺或三臺高頻開關電源，220kV變電站需要配備400Ah的蓄電池，蓄電池個數為208只。

1.2 直流系統充電裝置的選擇設計

變電站直流系統充電裝置通常分為高頻開關型的和晶閘管型的，這兩者相比較來說，前者比較穩定，同時電壓輸出的精準度相對較高，并且體積小、運行效率高、輸出波紋失真較小。而后者最大的優點就是接線方式比較簡單，并且輸出的功率遠高于前者，通常適用于電壓等級相對較低的變電站。

直流系統充電裝置高頻開關電源模塊接線方式相對比較復雜，一般是使用N+1模式，電源模塊數量3～7，具體的計算公式如下：

其中Ic主要是每一組充電裝置的電流；C10是10h內一組蓄電池的放電容量；Ijc是直流系統中最大經常負荷的電流，這個電流這里我們取值10A；N是充電模塊的數量；In是單個充電模塊的額定電流，這里取值5A；n是電源模塊的冗余量，一般情況下當模塊小于6的時候，n取值1，當模塊大于6的時候，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，通過這個數據和上面的公式可以得出：

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

1.3 直流系統接線方式選擇設計

直流系統接線方式設計還是以110kV和220kV變電站為例，通常情況下110kV的變電站直流系統使用的是單母接線方式，如圖1所示，這種方式的特點有以下幾點：

圖1 單母接線方式

（1）系統由五個充電模塊和一套充電裝置組成；合閘模塊會通過合閘母線給系統蓄電池進行充電；

（2）系統中的五個充電模塊都采用的是雙路供電的交流電源，系統正常運行的過程中，必須是五個模塊同時出現故障才會影響到直流系統供電。

220kV變電站直流系統使用的是單母分段接線方式，這種方式相對比較復雜，需要配備兩套充電裝置和蓄電池，同時每一個充電模塊都采用的是雙路供電的交流電源，并且直流母線以及饋線都是用單母分段接線，這樣能夠實現直流負荷雙路直流電源供電，如圖2所示。

圖2 直流系統單母分段接線方式

1.4 直流系統饋電網絡設計選擇

（1）環形供電網絡需要通過配置相應的合閘小母線、控制小母線分別通過電源，然后經過直流斷路器之后再分別接上兩段直流母線，直流系統正常運行的過程中需要開環運行，通常這種饋電網絡能夠節省大量的電纜，所以主要運用在一些中小型的變電站；

（2）輻射供電方式，這種方式的中心點主要是直流母線，直流母線能夠直接給系統設備提供電源，供電的相對穩固可靠，同時能夠消除大量的干擾源，同時這種方式能夠保證單一的設備在停止運作的時候不影響整個系統的運行，有利于系統故障的排除。

2 變電站直流系統故障分析

2.1 直流系統元件故障

元件故障主要有充電模塊故障、監控裝置故障、絕緣監察裝置故障、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型，例如充電模塊通訊中斷、充電模塊保護動作、充電模塊不均流等，如果系統被診斷出是充電模塊故障，就必須更換模塊，這個環節需要注意以下幾個方面：

①先將故障模塊拆掉，首先要確認開關按鈕處于關機狀態下，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，打開電源開關，如果充電模塊的指示燈顯示正常，并且輸出電壓逐漸上升，之后才能夠投入運行，然后先關機再將充電模塊的直流輸出插頭和通訊線連接上開機，其中監控器地址屏蔽打開之后就能夠投入使用。

對于經常出現的充電模塊通信中斷故障需要通過定期的檢查來保證模塊和直流監控模塊之間的接地線能夠良好接地，同時在日常的絕緣以及靜電試驗過程中，必須將所有的通訊電纜都斷開之后才能夠進行，這樣能夠避免對通訊電纜造成外界干擾。

（2）蓄電池故障，這種故障出現的原因有電池極板被腐蝕、蓄電池水損失、負極板硫化、蓄電池熱失控、過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，首先需要有效的調控蓄電池室的內部溫度，其次定期的進行蓄電池放電試驗和電導測驗，再者強化對蓄電池外觀的日常檢查，緊密結合蓄電池巡檢儀顯示的數據時刻關注電壓起伏較大的蓄電池。

2.2 直流系統二次回路故障

直流系統出現二次回路故障主要是兩方面原因導致的：①直流系統在受到交直流信號干擾的時候；②直流系統出現接地故障。

2.2.1 交直流信號干擾

這種信號干擾通常有三種，分別是電容電流干擾、交流串擾以及直流串擾。例如直流串擾通常出現在220kV以上的變電站直流系統中，因為220kV以上的變電站保護裝置如果出現跳閘回路以及控制回路的現象都需要進行雙重化配置，而直流系統設計會造成兩端直流混接，所以只要有一個直流接地，其余的信號都會出現串擾，同時再出現這種故障的時候，如果接地故障點空開，那么兩組絕緣監察裝置的絕緣警告都會消失，如果只拉開直流串擾的而節點，那么仍然會有一組直流系統顯示故障信號。

2.2.2 直流系統接地故障

變電站直流系統接地故障會受到氣候、認為以及設備等因素的影響，系統接地故障的危害也不同，例如如果正極出現接地故障，會導致斷路器運行錯誤動作，容易導致斷路。如果負極出現接地故障，斷路器很容易拒跳閘，因為負極接地的時候，如果斷路器分合閘線圈另一點接地，那么斷路器分合閘或者是斷電器會被短接，所以出現系統付賬的時候斷路器分合閘回路無法啟動，設備就失去了保護。

3 結論

總的來說，直流系統故障發生的頻率相對較高，同時作為變電站中最重要和最龐大的系統，對于故障的查找和解決都相對困難，所以一旦發現系統故障出現，要及時的根據現場信息作出判斷，在保證安全的前提下，及時的作出系統調整，保證變電站的安全運行。

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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，研究方向為電力系統設計。