水電廠直流系統故障模擬裝置研究及實踐

包震洲，吳 雙，王萍燕

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

水電廠直流系統故障模擬裝置研究及實踐

包震洲，吳 雙，王萍燕

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

直流檢測裝置可以有效檢測到直流系統運行中發生的各類故障，以確保直流系統的正常運行。而在長期運行過程中，直流檢測裝置自身的功能和準確性都會發生變化，不得不定期將直流系統停電來檢驗直流檢測裝置的性能。針對于此，我們通過分析各類直流故障發生時的故障參數，同時利用交直流轉換技術及電力電子技術研發了直流系統故障模擬裝置。實現了不停電檢驗直流檢測裝置的性能，提高了直流系統的供電可靠性。

直流檢測；故障模擬；調壓；可靠性

1 前言

發電廠變電站直流系統擔負著繼電保護及自動裝置、控制電源、事故照明等裝置的供電任務，是電力系統的重要組成部分。直流系統均配備有直流檢測裝置，可以及時有效地檢測到直流系統運行中發生的各類故障，是直流系統正常運行的重要保障。在長期運行過程中，直流檢測裝置自身對直流系統的檢測功能和準確性都會發生變化，需要通過定期校驗裝置來保證其性能完好性，現階段，校驗直流檢測裝置均需要將直流系統停用方能進行。但是這樣也會帶來直流系統停電以及直流供電可靠性的下降。因而，研究水電廠直流系統故障模擬裝置實現不停電檢驗直流檢測裝置的性能具有重大的現實意義。

2 直流系統故障分析

在直流系統中，發生接地是較為常見的現象，一點接地可能造成保護與自動裝置的誤動或拒動，兩點接地還可能造成直流保險絲的熔斷，控制回路失去電源。通常，直流檢測裝置利用平衡電橋原理來實現對回路的絕緣監測。

交流傳入是直流系統另一種常見故障，實際上亦是造成了直流系統接地，因直流系統正常運行時正負極對地絕緣電阻是對稱的。而交流系統零線接地，一旦交直流發生干擾，亦會形成直流一點接地。對于直流操作回路，由于電纜的分布電容較大，一旦發生直流回路接地或交直流串擾，就會使分布電容放電，繼而造成操作回路誤動。

在正常運行中，直流接地與交流傳入的形式有多種，其對直流回路的影響各不相同，但均易造成設備的誤動，嚴重者更會造成直流系統的崩潰。直流檢測裝置需對各種類型的接地與傳入均作出準確告警。

3 直流系統故障模擬裝置設計思路

根據以上分析，在研發直流系統故障模擬裝置過程中，也需要裝置能實現全面安全的模擬故障量，因而裝置需要實現以下功能：

（1）模擬直流系統母線及支路正、負對地絕緣電阻的降低引起的接地故障。

（2）模擬直流系統母線及支路對地分布電容變化，對直流檢測裝置的測量影響。

（3）模擬交流系統傳入直流系統故障。

（4）實現不影響直流系統運行，檢測在線運行的直流檢測裝置。

（5）對直流系統各類故障引起的繼電保護、自動裝置等二次設備的不正確動作進行分析。

針對各項功能要求，設計出直流系統故障模擬裝置基本原理框圖見圖1。

圖1直流系統故障模擬裝置原理框圖

其各單元功能說明如下：

（1）AC220 V：工作電源220 V交流輸入；

（2）調壓單元：調節交流輸入電壓來控制直流輸出電壓，以滿足不同電壓等級的直流系統應用；

（3）整流濾波單元：對輸入的交流電進行整流、濾波，為直流系統提供一個模擬直流電源；

（4）模擬試驗單元：模擬直流系統各種故障，以檢測直流系統監測裝置報故障的準確性，判斷直流系統監測裝置的性能；

（5）安全隔離變壓器：對AC 220 V電源進行隔離，保障試驗過程人身、設備安全；

（6）調壓單元：模擬不同電壓的交流電源串入直流系統的故障；

（7）測量顯示單元：對模擬的直流系統進行監測，顯示各項試驗參數。

4 直流系統故障模擬裝置設計方案

直流系統故障模擬裝置的總系統圖見圖2。

其中ZK1為裝置總電源開關，ZK2為直流系統模擬電源輸出開關，ZK3為交流傳入直流電源輸出開關。右邊的+、-、地連接到直流系統檢測裝置。

4.1 接地故障模擬單元

接地故障模擬單元如圖2中虛線部分所示，在該單元中，需考慮不同的接地類型，分別設計通道進行模擬。其中CK1～CK6為試驗插孔，通過不同的連接來模擬各類故障。連接CK1和CK6時可以模擬交流串直流母線故障，連接CK1和CK3和CK5時可以模擬不同支路的交流傳入故障。

虛線框內接地故障模擬單元中分為兩個支路，支路1為低阻、低容抗接地支路，電阻選擇10 kΩ、30 kΩ、50 kΩ、100 kΩ，電容選擇 2.2 μF、10 μF。支路2為高阻、高容抗接地支路，電阻選擇40kΩ、80kΩ、500 kΩ、800 kΩ，電容選擇 4.7 μF、100 μF。分別連接CK2和CK3或者CK4和CK5的+、-級插孔，該連接線需要穿過現場直流檢測裝置的電流互感器，再選擇不同的電阻和電容投入按鈕TA實現各類接地故障的模擬。

4.2 測量顯示單元

該單元用于顯示直流系統故障模擬的各項試驗參數，以便驗證直流檢測裝置功能是否完善，數據是否準確，其系統結構圖如圖3所示。

該單元的具體設計方案如下：

（1）控制電路采用P89V51RD2微控制器，對測量顯示電路進行控制；

圖2直流系統故障模擬裝置系統圖

圖3測量顯示單元系統圖

（2）直流正、負對地電壓的采集采用12位微功耗高速AD轉換器和MC1403 2.5 V精密電壓基準電路；

（3）顯示屏采用LCD芯片；

（4）采用SY05、AC30芯片、繼電器CNT及電阻形成單邊橋，測量正、負對地電壓，同時利用電壓下降曲線及時間計算分布電容。

5 結束語

基于本文對直流系統故障的分析，提出了研制水電廠直流系統故障模擬裝置，對直流系統的各類型故障進行模擬，同時提出在不將直流系統斷電的情況下進行檢驗直流檢測裝置。該裝置的成功研發，填補了對檢驗直流檢測裝置的空白，能及時發現直流檢測裝置的安全隱患以便及時更換，同時避免對直流系統進行斷電，進而大大提高了直流系統的穩定性及經濟性。

[1]王文洪.變電站直流系統典型故障分析[M].北京：中國電力出版社，2014：10-16.

[2]王旭榮.淺談變電站直流系統接地故障及處理[J].內蒙古石油化工，2008，34（21）:77-78.

TM86

A

1672-5387（2017）11-0016-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.006

2017-08-30

包震洲（1972-），男，高級工程師，從事電力系統繼電保護及自動化工作。