直流電源分配柜供電可靠性的分析與改進

郭 鈞，許 震

直流電源分配柜供電可靠性的分析與改進

郭 鈞，許 震

（國家能源集團諫壁發電廠，江蘇鎮江 212006）

本文分析了直流電源分配柜采用二極管耦合并聯供電方式的可靠性，在此基礎上提出采用專用直流電源切換裝置以消除二極管耦合對直流電源可靠性的影響，并對新切換裝置進行了相關說明。經測試驗證，該裝置滿足了所述分配柜系統運行可靠性要求。

直流電源分配柜 供電方式 二極管耦合

0 引言

直流電源分配柜系統能否正常運行直接影響到所供負載的安全性和可靠性，而獨立于DCS系統的保護，如DEH、ETS、MFT等均采用直流電源，其目的是當DCS系統失靈時，不造成機組設備的重大故障，故作為直流系統分配柜電源的可靠性則顯得尤為重要。

1 現有直流電源分配柜直流供電方式

為確保供電回路的可靠性，以前采用較多的方法，就是利用二極管單向導通的特性作為切換方式，例如：采用兩個二極管（兩路正極串聯二極管）負極直連通，或采用四個二極管（兩路的正負極都串有二極管）負極直連通，如圖1所示。 某廠直流電源分配柜，其直流電源由雙路直流電源供電，采用二極管耦合并聯供電方式，其原理如圖2所示。其接線方式，違反了《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中的相關要求。

圖1 四個二極管回路

圖2 直流電源分配柜電源側采用二極管耦合原理

2 二極管耦合并聯供電問題分析

2.1 未實現兩路電源電氣完全隔離

二極管耦合是利用二極管的單向導通特性，但二極管反向存在漏電流，并不能實現真正意義上的主、輔電源隔離。正常情況電氣的兩段直流電源之間有聯絡開關，但是平時聯絡開關是斷開的，只有在一段直流電源需要停電檢修時才會合上聯絡開關。二極管相當于人為地在兩段直流電源上增加了一個聯絡開關，并且這個“開關”還一直處于“合閘”位置，這對于110 V直流系統的安全運行帶來很大危害。

2.2 直流接地時引起誤報警

直流系統絕緣不良或接地時，直流I、II母的絕緣在線監察裝置均出現報警，影響故障點的查找。

2.3 違反了相關的反措要求

根據《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的相關規定，110V及以上蓄電池供電的雙路直流供電電源應防止在分配盤柜合環運行，采用雙向二極管實現電源無擾切換的裝置應逐步淘汰，淘汰前要定期檢查二極管壓降，若發現擊穿，立即更換。

從直流電源的特點分析，直流電源的最大特點是：不接地系統，正負極電壓為110 V或220 V，正對地和負對地電壓是變動的，而現場多數的直流電源可以測量出正對地電壓、負對地電壓，目的是為了便于查找直流接地在正負對地之間人為地接入了阻值較大的平衡電阻。為維護直流電源經常需要查找直流接地。直流一點接地不可怕，可怕的是兩點接地。當出現一點接地會引起直流接地絕緣監測裝置報警，需要及時查找到接地點，將隱患消除。 二極管具有電路簡單、可靠性高、造價低的特點，但是二極管不具備電氣隔離，容易造成絕緣檢測裝置的誤報或亂報，給查找接地帶來困難。采用二極管切換方式，由于直流系統可以一點接地運行，雙路電源是引自不同的蓄電池組的不同的直流電源系統，任何一路單點接地都可以正常工作。由此我們可以來分析一下，采用兩個二極管的模式，會直流造成正負短路，引起開關跳閘。采用四個二極管的模式如圖4所示，假設第一路負接地，第二路正接地，會造成什么結果呢？

直流電源的特性就是低導通、高截止，也就是說從電位高的地方向電位低的方向流，見簡化圖圖4。

圖3 四個二極管的模式下接地

圖4 四個二極管的模式下接地簡化圖

從圖4中可以看出1路負接地，相當于把第一路電源的負極電位抬高到0 V，2路的正接地，相當于把2路的正電位拉低到0 V。以220 V為例，第一路正負電壓220 V，正對地220 V，負對地0 V。第二路正對地0 V，負對地-220 V。正常情況下，兩路分別為正對地+110 V，負對地-110 V，正負之間220 V，當發生直流接地時，正負之間電壓不變，只是改變了對地的電位。看第一路電源，正極出發看電流流向，通過D1二極管到負載，理應經過D2二極管回到第一路的負極，但現在第一路負極電位抬高到0 V，而負載的另一支路D4二極管對第二路電源負極電位是-220 V，所以低導通高截止，整個回路就從第一路正極出發經D1二極管到負載，經D4二極管到第二路負極，相當于把第一路電源和第二路電源串聯施加到負載，必然造成負載無法承受2倍額定電壓，這樣的真實案例在現場出現較多。

3 直流電源分配柜配置改進方案

3.1 改進方案

該廠利用檢修機會結合生產現場實際，將直流兩路電源由二極管耦合并聯供電方式改為采用進口大功率直流真空接觸器作為轉換開關，同時輔助以大功率DC/DC轉換電路，來保證在轉換開關開斷瞬間輸出電壓穩定，滿足雙路電源之間的隔離要求，避免直流系統接地故障時的相互影響。

3.2 直流雙電源轉換裝置原理

裝置基本原理框圖如圖5所示，輸入電源回路1（以下簡稱主電）以及輸入電源回路 2（以下簡稱備電）分別經二極管、接觸器以及直流隔離單元（DC/DC）并聯到輸出端。兩個獨立的裝置電源1，2輸入端分別取自電源1路和電源2路，同時為裝置內部的邏輯回路供電，以保證任何一路輸入失電時，裝置內部邏輯不受影響。

圖5 直流雙電源轉換裝置原理框圖

裝置正常工作時，其中主電源經防反二極管直接輸出，備用電源開關ZKJ觸點處于斷開狀態，直流隔離變換單元（DC/DC）亦處于工作狀態，與主電源對負載并聯供電。當主電源由于故障造成電壓跌落或失電時，裝置內電壓檢測回路檢測到輸入端電壓變化。當電壓值跌落到額定電壓的 75%Un（±5 V）時，裝置判斷該路電源出現故障，發出切換命令，ZKJ接通，將輸出電壓切換到備用電源上。經測試整個切換過程約為 1ms，在切換過程中，裝置的 DC/DC 回路將輸出端電壓變化不超過±10%。當主電源直流系統故障排除，恢復供電時，裝置面板對應電源指示燈亮，裝置自動切換回主電源供電。當切換裝置為冗余雙機配置時，兩臺裝置在主電源失電時會同步切換，確保設備工作狀態相同。

3.3 現場存在問題

切換裝置在大多采用雙冗余形式（即兩個切換裝置并列運行且認主電源），現場進行安裝接線時，每個切換裝置均設有各自獨立兩路進線電源開關，而兩切換裝置的輸出則并列運行無輸出開關。如圖6所示。

采用此種方式接線時，當某一切換裝置的某一路進線開關跳閘或異常分閘時，其切換裝置則切換至另一路電源供電，而另一正常切換裝置仍為一電源供電，此時將會造成直流系統的Ⅰ、Ⅱ段母線經此切換裝置的輸出端進行了聯絡，環網運行，特別是發生直流系統再發生一點接地時帶來較大的安全隱患。

圖6 雙機冗余電氣連接圖

經討論協商，仍采用雙冗余形式，將四路進線開關改為二路進線開關（兩個切換裝置共用電源進線開關），避免任一開關失電引起的直流環網問題。

3.4 改進結果

此次直流分配柜電源回路技改后，經測驗證，裝置的電壓切換門限值為額定電壓的75%，0秒自動切換，切換過程電壓變化不超過±10%，滿足了系統設備的運行要求。改進后解決雙回路直流供電可靠性的同時，又滿足了雙路電源之間的隔離要求，避免直流系統接地故障時的相互影響。

4 結束語

本文介紹了某直流電源分配柜采用二極管耦合供電方式，分析其電源系統存在的問題。為消除采用二極管耦合供電方式下的分直流電源分配柜對直流電源系統的影響，提高運行直流電源可靠性，采用了直流真空接觸器作為切換開關的直流電源切換裝置代替，并對切換裝置原理進行了介紹，為直流電源分配柜可靠性改造提供借鑒。

[1] 中華人民共和國電力行業標準: 火力發電廠熱工電源及氣源系統設計技術規程: DL/T5455-2012[S]. 2012.

[2] 喻從軍. 火電廠汽輪機DEH控制系統直流電源供電方式改造[J]. 機電信息, 2018, 543（9）: 65-66.

[3] 汽輪機ETS裝置跳閘電源可靠性分析與改進[J]. 電力安全技術, 2013,15（3）: 37-38.

Analysis and Improvement of Reliability of DC Power Distribution Cabinet

Guo Jun, Xu Zhen

(Jianbi Power Plant of National Energy Group, Zhenjiang 212006, Jiangsu, China )

TN866

A

1003-4862（2021）06-0070-03

2020-10-29

郭鈞(1977-)，男，工程師。研究方向：發電運行管理與維護。E-mail: 15952889665@163.com