海外常用雙繼電器直流電源切換回路可靠性分析

孫得賢，隋永寶

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

由于直流系統(tǒng)的可靠性較好，因此變電站二次設(shè)備大多采用直流供電電源。為保證重要二次設(shè)備工作的可靠性，一般采用兩路來自不同蓄電池組的直流電源，經(jīng)切換后給設(shè)備供電。常見的雙電源切換回路有二極管切換回路和變壓器隔離切換回路，二極管切換回路如圖1所示。雖然二極管切換回路具有接線簡(jiǎn)單、切換速度快、成本低且維護(hù)工作量少等優(yōu)點(diǎn)，但由于未進(jìn)行電氣隔離，僅通過二極管將雙路直流電源連在了一起，因此發(fā)生直流接地時(shí)，兩段母線均報(bào)警，無法及時(shí)查找到接地點(diǎn)。當(dāng)兩段母線異極接地或兩段母線異極短路時(shí)，切換回路輸出端將產(chǎn)生高電壓，對(duì)供電設(shè)備造成致命損壞，而且當(dāng)同一段兩個(gè)二極管損壞時(shí)，容易損壞蓄電池。因此，二極管切換回路目前已很少使用。變壓器隔離切換回路如圖2所示，既實(shí)現(xiàn)了雙路直流電源的無縫切換，又確保了雙路電源的完全獨(dú)立。但該切換回路復(fù)雜，成本較高，切換設(shè)備本身體積較大，占用較多的屏柜空間，故海外用戶接受度普遍較低。而雙繼電器切換回路具有接線簡(jiǎn)單、安全可靠以及低成本的特點(diǎn)，在海外項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。

圖1 二極管切換回路

圖2 變壓器隔離切換回路

1 雙繼電器直流切換原理

雙繼電器直流切換回路如圖3所示。

圖3 雙繼電器切換回路

該切換回路采用兩只型號(hào)一致的單位置中間繼電器，其線圈動(dòng)作電壓為0.8 UN，返回電壓為0.2 UN，觸點(diǎn)額定電流為16 A，開斷電流為0.6/0.4 A（110/220 V），動(dòng)作和返回時(shí)間為10 ms。兩路直流電源先帶電一路的切換繼電器動(dòng)作，投入該路直流電源，同時(shí)閉鎖另一路直流電源。當(dāng)該路直流電源故障后，該路切換繼電器返回，另一路切換繼電器動(dòng)作，切換到第二路直流電源，同時(shí)閉鎖第一路直流電源，從而實(shí)現(xiàn)雙路電源自動(dòng)切換[6,7]。

2 雙繼電器切換回路存在的主要問題

在某海外項(xiàng)目試驗(yàn)中，當(dāng)通過斷開電源進(jìn)線空開QD1模擬第一路直流電源失電測(cè)試切換回路功能時(shí)，出現(xiàn)所帶二次裝置重啟現(xiàn)象，且裝置數(shù)量不同引起的現(xiàn)象也有所不同。單臺(tái)裝置切換時(shí)不重啟，兩臺(tái)裝置切換有時(shí)重啟、有時(shí)不重啟或有時(shí)僅一臺(tái)重啟，3臺(tái)裝置切換時(shí)全部重啟。試驗(yàn)裝置電源插件等效電路如圖4所示。由于儲(chǔ)能電容C2的作用，裝置在直流電源消失后50 ms內(nèi)不重啟，而雙繼電器切換時(shí)間約為20 ms左右，電源切換回路時(shí)間小于裝置失電重啟時(shí)間，裝置理應(yīng)不重啟。基于此，猜測(cè)重啟的原因是裝置電源插件上的安規(guī)電容C1在裝置失電后短時(shí)間內(nèi)存在殘壓，該殘壓加到切換繼電器線圈上導(dǎo)致第一路電源失電后繼電器線圈電壓不是立即降到0，而是維持動(dòng)作電壓一段時(shí)間，當(dāng)殘壓降至繼電器返回電壓以下時(shí)繼電器才返回，第二路切換繼電器動(dòng)作，直流電源切換到第二路，導(dǎo)致整個(gè)切換過程時(shí)間延長(zhǎng)。

圖4 二次裝置電源插件等效電路

3 試驗(yàn)過程

為驗(yàn)證上述猜測(cè)，對(duì)雙繼電器切換回路進(jìn)行試驗(yàn)，用示波器測(cè)試電源切換過程中電源輸出端的電源波形，即圖3中端子-XD:9和-XD:10之間的電壓。直流切換回路分別帶1臺(tái)、2臺(tái)以及3臺(tái)二次裝置時(shí)的電壓波形如圖5、圖6以及圖7所示。

圖5 1臺(tái)二次裝置負(fù)載切換電壓波形

圖6 2臺(tái)二次裝置負(fù)載切換電壓波形

圖7 3臺(tái)二次裝置負(fù)載切換電壓波形

從試驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)外部直流電源斷開后，測(cè)試點(diǎn)處的電壓維持在切換繼電器保持電壓之上18～36 ms后才降為0，此即為受裝置電源板上安規(guī)電容C1上殘壓影響導(dǎo)致的結(jié)果。帶載二次裝置數(shù)量越多，切換回路輸出端并聯(lián)的電容量就越大，失去直流電源后切換繼電器由殘壓維持動(dòng)作的時(shí)間也就越長(zhǎng)，整個(gè)切換時(shí)間也越長(zhǎng)，具體對(duì)比如表1所示。

表1 不同負(fù)載情況下的切換對(duì)比

4 改進(jìn)措施

二次裝置電源插件上的電容殘壓加在切換繼電器線圈上使整個(gè)切換時(shí)間延長(zhǎng)，要避免此問題，可在切換回路輸出端增加截止二極管V1、V2，如圖8所示。

圖8 增加二極管后的雙繼電器切換回路

利用二極管的單向?qū)щ娞匦越刂苟窝b置電源板電容殘壓，相應(yīng)測(cè)試結(jié)果如圖9所示[8-10]。

從圖9可以看出，在切換回路中增加二極管截止二次裝置電源板電容殘壓后，整個(gè)切換時(shí)間變?yōu)?2 ms，這個(gè)時(shí)間跟繼電器動(dòng)作和返回時(shí)間10 ms基本一致。由于切換時(shí)間小于50 ms，因此裝置未重啟。

圖9 帶截止二極管直流切換回路電壓波形

5 結(jié) 論

雙繼電器直流切換回路已在很多海外項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，其安全可靠性較好，但存在受負(fù)載影響切換時(shí)間過長(zhǎng)可能導(dǎo)致裝置重啟的隱患。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，電力二次設(shè)備電源輸入端需設(shè)置安規(guī)電容，在雙繼電器直流切換回路輸出端增加二極管，以消除安規(guī)電容殘壓對(duì)雙繼電器直流切換回路造成的影響。