變電站直流回路中防交流竄入的直流試驗電源設計

中圖分類號：TM721.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）13-0015-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.13.002

Design of DC Test Power Supply for Preventing AC Intrusion in DC Circuitof Substation

ZHANG LiujieWANG Bohan LI Ang ZHANG Wenbo （Super High Voltage Company of State Grid Henan Electric Power Company， Zhengzhou 45Oo00， Chin

Abstract：[Purposes] The DC system of a substation is acrucial part of the power grid operation.It provides energy for secondary equipment and ensures the safe and stable operation of primary equipment. However， the intrusion of AC into the DC system poses a serious safety risk in the operation of substations.This paper elaborates in detail on the development processof a DC test power supplythat can monitor the intrusion of AC into the DC loop.[Methods] In response to the problem of AC intrusion，this study analyzes its hazards and the deficiencies of existing measures，and then proposes a development scheme for the test power supply. By investigating the power supply topology，control and protection circuits，AC intrusion detection，and the switching of DC power supply output，a DC test power supply with innovative features has been designed. It includes detection technologies based on the differential voltage method and the DC-blocking capacitor method，multiple output interfaces and selectable output voltage ranges.[Findings] Test results demonstrate that， the power supply protection response is rapid， the output voltage stability is within ±0.5% ，with the detection accuracy exceeding 99 % . [Conclusions] The proposed power supply is expected to prevent accidents caused by the intrusion of AC，improve the operational safety of the power grid，and provide strong support for the operation and maintenance of substations.

Keywords： DC circuit; AC intrusion; DC test power supply; monitoring and protection

0 引言

變電站二次回路中的直流系統是現代電力系統的重要組成部分，可以為各類測控、繼電保護及故障錄波等二次設備穩定地提供工作電源，確保這些設備能夠正常運行，從而實現對一次設備的精確控制與實時監測[]。直流系統的穩定與否，直接關系到整個電力系統的安全可靠性，其穩定運行是電力系統正常運轉的基礎保障。

當交流竄入直流系統時，會引發一系列嚴重問題。首先，接地故障發生率會顯著增加，極有可能造成控制回路短路，進而使保護和斷路器出現誤動或拒動情況[2]。這種誤動或拒動可能會導致電力系統故障范圍擴大，影響電力正常供應。其次，交流竄人可能引發直流控制設備自啟動，不僅會干擾設備正常運行，而且可能對設備造成損壞，縮短設備使用壽命[3]。更為嚴重的是，設備的異常運行可能引發火災、爆炸等危險情況，對變電站內相關工作人員的生命安全構成極大威脅。

盡管目前在電力系統中已采取多種預防交流竄入直流的措施，如提高直流系統絕緣水平、嚴格分設交流和直流電纜4、優化中間出口繼電器設計及減小二次回路分布電容等[5，但這些措施主要是從源頭進行防范，對于已經發生的交流竄人情況缺乏有效的檢測手段。在監測方面，雖然已有在直流母線對地安裝鉗位二極管、設計濾波器及安裝保護裝置等處理方案，但市面上現有的直流電源大多不具備交流竄人檢測功能，導致在實際運行中無法及時準確地發現交流竄入問題，難以采取有效措施，避免事故的發生。因此，研制一種能夠實時監測直流回路交流竄人情況的直流試驗電源具有重要的現實意義。

1直流測試電源的設計

防交流竄人直流測試電源的研制涉及多項關鍵技術原理，包括防交流竄入檢測電路、交直流信號實時識別技術和多種報警模式技術。電源設計包括電源拓撲結構設計、控制保護電路的實現及電壓信號的采集、判斷、狀態監測等。

1.1交流竄入檢測原理

1.1.1差分電壓法。差分電壓法的核心原理是通過在直流母線正極或負極與大地之間設置電壓采樣電路，對直流系統中的電壓信號進行采集。首先，將采集到的電壓信號經過調理電路進行信號調理，其自的是對原始信號進行放大、濾波等處理，提高信號質量，便于后續分析和處理；其次，將調理后的信號通過AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號；最后，由微控制單元（MCU）進行計算判斷，MCU會根據預設算法對采集到的數字信號進行分析，判斷其是否存在交流竄入特征。如果檢測到信號存在交流成分且超過設定閥值，則判定為有交流竄入直流系統的情況發生。差分電壓法如圖1所示。

圖1差分電壓法

1.1.2隔直電容法。隔直電容法是在直流系統平衡電阻的基礎上，在母線負極（或正極）與大地間設置交流信號提取電路。該電路利用串聯電阻和電容分壓來調節電壓，通過合理選擇電阻和電容的值，將交流信號從直流信號中有效地分離出來。采樣電路采集到經過分壓調節后的信號，經過轉換和計算來判斷交流竄入情況。與差分電壓法類似，采集到的信號先經過調理電路和AD轉換器，再由MCU根據特定算法進行分析判斷。隔直電容法利用電容對直流的阻隔作用和對交流的導通特性，能準確提取交流信號成分，從而實現對交流竄入的檢測。隔直電容法如圖2所示。

圖2隔直電容法

在實際應用中，電壓采樣采用雙電壓互感器差分電路和高精度電阻分壓電路，將高電壓轉換為低電壓信號后進行采樣。雙電壓互感器差分電路能有效抑制共模干擾，提高采樣準確性。高精度電阻分壓電路能根據需要將高電壓按比例轉換為適合后續處理的低電壓信號。通過對采集數據的比對分析，實現交直流信號的實時識別和交流竄入情況的自動判斷，并在發現異常時及時切斷直流電源輸出，保護后端設備免受損壞。交流檢測模塊流程如圖3所示。

1.2 電源拓撲結構及設計原理

電源拓撲結構采用交流220V輸人，經橋式整流和電容濾波后，獲得 DC280～DC332V 直流電壓，再通過全橋變換器實現電壓調節。全橋變換器由4個主功率器件 Q1～Q4 、反并聯二極管和寄生電容構成橋臂，與變壓器（含漏電感及外掛諧振電感 L） 和整流電路連接。兩個橋臂的上下開關管180^° 互補導通，即當一個橋臂的上開關管導通時，下開關管截止，另一個橋臂則相反。通過調節橋臂間移相角，可控制變壓器初級繞組上的電壓波形，從而實現輸出電壓的調節。同時，這種工作方式還能實現軟開關功能，即在開關管導通和關斷過程中，使其電壓和電流的重疊時間盡可能短，從而降低開關損耗，提高電源效率，確保電源穩定可靠工作。電源拓撲結構如圖4所示。

1.3控制保護電路設計

控制芯片選用PPEC-86CA3A移相全橋數字電源控制芯片，具有采樣、脈沖寬度調制（PWM）驅動和硬件保護等重要功能。其外圍電路包括驅動電路、電壓采樣電路及狀態監測電路等硬件電路，具

體如圖5所示。

驅動電路主要作用是實現對主功率器件的精確控制，確保開關管能按照預定時序正常導通與關斷。根據控制芯片發出的PWM信號，將其轉換為能驅動主功率器件的驅動信號，使主功率器件在合適的時間導通和關斷，從而實現全橋變換器正常工作。

電壓采樣電路負責采集輸入輸出電壓信號，將采集到的電壓信號反饋給控制芯片。控制芯片根據這些反饋信息，通過內部算法進行計算和分析，實現對輸出電壓精準調節。例如，如果輸出電壓低于設定值，控制芯片會調整PWM信號占空比，使全橋變換器輸出更高的電壓，反之則降低輸出電壓，從而保持輸出電壓的穩定。

狀態監測電路負責實時監測電源工作狀態，包括溫度、電流等參數。當檢測到電源工作狀態出現異常，如溫度過高、過流等情況時，會立即觸發硬件保護機制。硬件保護機制則迅速采取措施，如降低輸出功率、切斷電源輸出等，保障系統安全，防正設備損壞。

1.4直流電源輸出投切設計

為實現直流電源輸出投切功能，設計了多種對外接口。其中，蜂鳴器輸出接口用于監測到電源電壓異常時發出報警聲響，及時提醒工作人員注意電源狀態異常。至少兩路繼電器開出接口，可輸出電源電壓正常或異常狀態信號，這些信號可用于與其他設備進行聯動控制，如在電源異常時觸發備用電源投人或通知監控系統進行報警記錄等。

檔位選擇開關是一個重要的設計，可根據廠站

圖3交流檢測模塊流程

圖4電源拓撲結構

實際供電需求選擇 110V 或 220V 輸出電源擋位這一設計提高了電源的適用性，使其能夠滿足不同設備對電源電壓的要求。用戶可根據實際使用場景輕松切換電源擋位，方便快捷地為不同設備提供合適的電源。

2 測試與驗證

為驗證本研究研制的直流試驗電源性能，在進行正式投人使用前，需進行一系列仿真測試實驗，

包括電源輸出特性測試、交流竄人檢測準確性測試及保護功能測試等。

2.1 電源輸出特性測試

在不同負載條件下，對電源的輸出電壓和電流進行仿真測量，結果見表1。仿真結果表明，電源在空載至滿載范圍內，輸出電壓穩定度達到 ±0.5% ，滿足設計要求。

2.2 交流竄入檢測準確性測試

通過向直流回路注人不同頻率和幅值的交流

表1不同負載條件下的仿真測試結果

信號，模擬交流竄人情況，測試電源的檢測能力，結果見表2。仿真結果顯示，對于頻率在 50～500Hz 、幅值大于5V的交流竄入信號，電源檢測準確率達到 99% 以上。

表2不同交流信號參數條件下的仿真測試結果

2.3 保護功能測試

人為設置直流電源輸出過壓、過流及交流竄入等故障情況，觀察電源保護動作，結果見表3。仿真結果表明，在出現過壓（輸出電壓超過 120% 額定值）過流（輸出電流超過 150% 額定值）或交流竄入故障時，電源能在 20ms 內迅速切斷輸出，并通過蜂鳴器發出報警信號，有效保護后端設備安全。

表3不同故障類型條件的仿真測試結果

3結語

本研究通過對一種防交流竄入的直流試驗電源進行設計研究，詳細闡述了其設計原理、實現方法及測試驗證過程。通過對電源拓撲結構、控制保護電路、交流竄入檢測手段和直流電源輸出投切的精心設計，使該電源具備多種創新性，如基于差分電壓法和隔直電容法的高效交流竄入檢測技術、多種實用的輸出接口及靈活的供電擋位選擇等。經過一系列嚴格的仿真測試實驗，包括電源輸出特性測試、交流竄入檢測準確性測試及保護功能測試等，結果表明該電源各項性能指標均滿足設計要求。

在實際應用中，該電源有望避免因交流竄入導致的保護誤動或大面積停電事故，顯著提升電網的安全運行水平，為變電站的運維工作提供強有力的支持。同時，也為進一步優化直流電源性能，提高電網安全性提供有益的參考和借鑒，未來可在此基礎上繼續開展相關研究，以適應不斷發展的電力系統需求。

參考文獻：

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