关于变电所直流系统运行及其安全性的探讨

摘要：变电所直流系统是给控制、信号、保护、自动装置、应急电源、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统属于独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，在外部交流电突然中断的情况下，保证由后备电源—蓄电池组继续提供直流电源。直流系统的用电负荷非常重要，对供电的可靠性要求很高，它对发、输、变、配电一次设备起到控制、测量、保护、调节的重要作用，它的运行正常与否，直接影响着整个电力系统的安全稳定运行。因此，直流系统成为了电力系统的一个重要组成部分，直流系统的可靠性是保障变电站安全运行的决定性条件之一[1]。

关键词：直流系统 蓄电池 绝缘监察装置 直流接地

中图分类号：TN923 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0202-02

1、直流系统的组成及各元件的作用

目前电力系统中直流电源装置广泛采用微机控制型高频开关直流电源系统。高频开关直流电源是作为开关站、配电所、变电站、电厂等供、配电系统中提供不间断直流电源的装置，在高频开关直流电源系统中，直流电源是作为控制、合闸等装置提供工作电源的，主要提供合闸电源、控制电源以及事故照明等。目前，合闸电源和控制电源一般都是共用负母线，控制母线的电压范围在额定电压的上下5%，高频开关直流电源电压调节器就是为调节直流控制母线而进行设计的，即其功能就是调节控制母线电压在额定电压的正负5%范围之内。

1.1 直流系统的构成

直流系统主要由两大部份构成，一个是直流充电屏，简称直流屏，另一个是蓄电池屏。

直流屏主要由机柜、充电模块、交流配电、直流馈电、配电监控、监控模块、绝缘检测仪、电池监测仪、降压单元、电压显示、电流显示等组成。电池屏是指存放多个蓄电池组的机柜体，电池屏中的蓄电池组一般是由2—12V的多节蓄电池以串联方式组成，对应的直流输出电压为110V或220V。目前大部分新建变电所直流系统使用的蓄电池主要是阀控式密封免维护铅酸蓄电池。

1.2 直流系统各元件的作用

（1）充电模块：是供给变电所直流负载的主要电源。平时充电模块向直流负载供电的同时，以很小的电流向蓄电池进行浮充电，用来补偿蓄电池的自放电，使蓄电池始终处于满充状态。

（2）蓄电池：是变电所直流系统的备用电源。正常情况下，变电所的直流负载是由充电装置供电，蓄电池处于浮充电状态，以补充蓄电池的自放电，处于备用状态，当直流充电装置失去交流电源或充电装置故障，那么变电所的直流负载的供电就由蓄电池供给。一般变电所蓄电池配置的容量为300Ah，以30A电流放电，理论上计算可以放10个小时，以足够的时间进行直流系统故障处理。

（3）绝缘监察装置：是监察直流系统正极和负极电源对地绝缘情况的一套装置。当直流正极或负极绝缘下降，某极对地电压达到设定的整定值时，绝缘监察装置发出预告信号，便于运行值班人员检查处理。

（4）电压监察装置：是监察直流母线电压的一套装置。当直流母线电压高于或低于设定的整定值时（一般整定为直流母线电压高于250V、低于170V），电压监察装置发出“直流电压过高”或“直流电压过低”预告信号，便于运行值班人员及时调整直流母线电压。

（5）直流母线：直流母线是汇集和分配直流电能的设备。充电装置将输出的直流电汇集到直流母线，再通过直流母线将电能分配到各个直流负载中去。

（6）闪光装置：是反映断路器与控制开关所对应位置的一种信号装置。当断路器位置与控制开关不对应时，发出红灯或绿灯闪光，便于运行值班人员进行故障判断。

（7）降压模块：是指降压稳压的设备，调节控母电压在设定范围内，目前使用比较广泛的是降压硅链。当合母电压发生变化时，降压硅链自动调节输出电压，保证输出电压稳定。降压硅链有5级降压和七级降压，电压调节点都是3.5V，当合母电压升高或下降3.5V时降压硅链就自动调节稳定控母电压。

2、 直流系统接线方式及对操作电源的基本要求

2.1 接线方式

变电站常用的直流母线接线方式有单母线分段和双母线两种。双母线的突出优点在于可在不间断对负荷供电的情况下，查找直流系统接地。但双母线刀开关用量大，直流屏内设备拥挤，检查维护不便，新建的220-500kv变电站多采用单母线分段接线。

直流负载的接线方式：重要负载采用双回路接线方式，如：控制回路、自动化遥控遥信电源、监控装置电源、监控系统逆变电源、保护电源、故障录波器直流电源等。一般负荷采用单电源供电，如：信号电源、事故照明电源、直流试验电源等。

2.2 对直流操作电源的基本要求

（1）应保证供电的可靠性：最好装设独立的直流操作电源，以免交流系统故障而影响操作电源的正常供电。

（2）具备足够的容量：满足全厂（所）事故停电时，直流电源负荷、最大冲击负荷及1h事故照明等用电需要；且能保证直流母线电压在规定的额定值（正常运行时，操作电源母线电压波动范围小于5%额定值；事故时操作电源母线电压不低于90%额定值；失去浮充电源后，在最大负载下的直流电压不低于80%额定值），波纹系数小于5%。

（3）满足经济和实用的要求：要求其使用寿命长、维护工作量小、投资省、占地面积小、噪声干扰小等。

3、直流系统的绝缘监察和电压监察

3.1 直流系统的绝缘监察

直流系统的绝缘水平，直接影响到直流系统乃至变电所的安全运行。当变电所的绝缘降低造成接地或极间短路时，将造成严重后果。为防止直流系统绝缘水平下降危及安全运行，可采用以下对策：（1）对于直流系统直接连接的二次设备绝缘水平有严格的要求。（2）在有条件的情况下，将保护、断路器控制用直流和其他设备用直流分开。（3）户外端子箱、操作机构，要采用具有防水、防潮、防尘、密封的结构。户外电缆沟及电缆隧道要有良好的排水设施。（4）主控室内的控制、保护屏宜采用前后带门的封闭式结构。（5）对直流系统的绝缘水平要进行经常性的监视。（6）采用110V的直流系统。

3.2 直流系统的电压监察

直流母线电压应保持在85～110%范围之间。电压过高，将使信号装置的灯泡寿命降低，经常励磁的继电器线圈过热。电压过低，信号灯亮度不够，继电器和断路器的机构动作不正常。

4、直流系统的日常维护及故障处理

为了使变电所直流系统能够长期安全稳定的运行，除了要有良好的设计方案和选择合适的设备之外，还离不开运行值班人员的日常仔细巡检和精心维护。下面主要针对直流系统日常巡检维护和几种常见的故障及其故障排除做一下简单介绍。

4.1 日常巡回检查及维护

运行值班人员在巡检时要仔细检查直流屏的电压、电流数据指示是否异常，监控面板有无告警指示信息；检查蓄电池组是否有漏液现象或接线柱松动现象；在监控面板“查询”模式下查看有无“历史故障”或“当前故障”，查看直流母线绝缘和各支路绝缘状况是否良好，蓄电池组整体电压及单体电池电压有无下降迹象。将上述检查做好详细记录，并和以前的巡检记录做详细比较，发现异常情况要立即检查处理并及时上报。严格执行变电所的“三定”规定，即定期检查，定期清扫紧固，定期试验。

4.2 直流系统常见的故障处理

直流系统常见的故障现象有直流母线绝缘降低、支路绝缘降低、控制回路失灵、测控装置报电池电压低等。

对于直流母线绝缘降低现象，可以确认为直流母线与大地之间绝缘不良，可能是由于蜘蛛结网、受潮或者直流母线安装不规范导致的直流母线与设备的金属外壳安全距离不够等情况造成。如果绝缘数据没有达到报警设置值，则对运行设备危害不大，应加强对故障母线的监察，待停电检修时进行处理，采用对直流母线进行清扫、干燥或母线与机柜外壳的距离校正等办法进行处理。

对于支路绝缘降低现象，可做如下处理：如果支路绝缘降低是由该支路所带开关柜中的控制回路接地引起整个支路绝缘降低则采用“拉路法”进行查找，找出绝缘降低的回路后，要对该回路的直流供电线路进行检查，找出故障点，进行排除。

对于控制回路失灵、电气设备无法投/退的现象，可进行如下检查和处理：首先检查控制柜内的控制开关是否跳闸；用万用表直流电压档测量控制回路输入电压“正”“负”极之间的电压是否正常，正常正负极之间电压为直流220V，两极与地之间电压应为直流110V；检查直流屏有无报警指示。对应以上检查结果按照图纸资料查找控制回路故障[2]。

5、直流系统接地及其处理

直流接地是直流系统故障中比较严重的情况，可能造成保护装置的误跳或拒跳等严重后果。在发生直流接地时，直流系统的监控系统和监控后台均会发出“直流系统接地故障”信号，运行值班人员可利用直流系统监察装置判断为直流哪一极接地，然后汇报和处理。

5.1 直流接地原因分析

（1）设备损坏造成；（2）气候原因如下雨等，导致室外直流系统绝缘下降，从而导致接地。（3）因工作人员疏忽造成的接地。（4）小动物爬入或小金属零件掉落在元件上造成直流接地故障。

5.2 直流接地的危害

直流接地故障中，危害较大的是两点接地，可能造成严重后果。一点接地可能造成保护及自动装置误动或者拒动；而两点接地，除可能造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动外，还可能造成直流保险熔断，使保护及自动装置、控制回路失去电源，在复杂保护回路中同极两点接地，还可能将某些继电器短接，不能动作跳闸，致使越级跳闸，造成事故扩大，图1为直流接地状况图，根据接地点不同可产生不同的影响，具体分析如图1。

（1）当A、B 两点发生直流接地时，相当于将KA1、KA2接点短接，从而使继电器KM误动作跳闸；当A、C两点发生接地时，则KM接点被短接而误动作跳闸。A、D两点，F、D两点接地，同样都能造成开关误跳闸。（2）当直流接地点发生在B、E两点，D、E两点或者C、E两点时，都可能造成断路器拒动。（3）当接地点发生在A、E两点时，相当于将直流两极直接短路，会引起熔丝FU1、FU2的熔断。（4）当接地点发生在B、E两点或者C、E两点，在保护动作时，不但断路器会拒跳，而且会引起熔丝熔断，烧坏继电器触点的可能。

5.3 直流系统接地处理原则

（1）分清接地故障的极性，分析故障发生的原因。（2）修试人员如有二次回路上工作，应立即停止工作，所有接线保持不动。拉开其工作电源，看信号是否消除。（3）用分网法缩小查找范围，将直流系统分成几个不相联系的部分。不能使保护失去电源，操作电源尽量用蓄电池带。（4）对于不太重要的直流负荷及不能转移的分路，可用“瞬时停电”的方法，检查该分路中所带回路有无接地故障。（5）对于重要的直流负荷，用转移负荷法，检查该分路所带回路有无接地故障。根据直流系统运行方式，操作情况及天气条件的影响，以先照明、信号回路、后保护回路，先室外，后室内为原则进行直流接地查找，可采用拉路试验，根据我们的运行经验和我们这里的现场实际情况，拉路先后顺序为：事故照明电源故障录波器电源公共信息屏信号电源及各间隔的信号电源控制电源保护电源监控电源蓄电池直流母线。

5.4 查找直流接地的注意事项

（1）发生直流接地应汇报调度，经调度许可再进行查找和拉路试验。（2）查找直流接地至少有2—3人进行，一人操作、一人监护、一人监视直流接地信号。（3）查找直流接地要防止造成直流二点接地和直流短路。（4）取直流熔丝时，应先取正极、后取负极，放上时顺序相反，防止寄生回路。（5）拉路查找时，回路切断时间不得超过3秒钟，不管回路接地与否，均应迅速合上。（6）环形回路应解开后再拉路。（7）使用仪表查找，必须使用高内阻直流电压表（2000Ω/V），严禁使用灯泡法。（8）使用高频开关直流电源，在拉路试验时，由于拉路时间短，绝缘监察装置反应比较慢，不能及时反应拉路瞬间的直流系统对地绝缘情况，因此需要一人在直流母线与大地之间用直流电压表人工搭接，以监视拉路中直流接地状况[3]。

在准确查找到直流接地点后，应立即给予消除处理，如果当时无法消除，要尽快向上级汇报，由上级委派专业人员进行处理。运行值班人员只需查到直流系统最后一级直流空气开关即可，运行值班人员一般情况不允许私自拆接端子或解开二次回路，只允许作表面检查处理。在拉路试验时，应先向上级调度汇报并经过许可后方可进行，严禁未经许可进行拉路法查找直流故障。

6、结语

直流系统在电力系统中具有非常重要的作用，直流系统的安全稳定运行直接关系到地区、工厂等用电单位的安全稳定生产。直流系统的安全稳定运行，首先要选择较好的直流设备，其次要有完善的直流系统运行规程和事故应急处理预案，防范于未然，此外还要有专业素质较高的运行值班人员进行日常维护和检查，严格执行变电所的“三定”制度。

参考文献

[1]苏焰.内蒙古超高压供电局直流管理系统设计.天津大学硕士论文，2010-12-01.

[2]郑恩深，韩素贤.一种广泛应用于电力系统的直流系统简述.数字技术与应用，2011-09-15.

[3]黄成扬.浅淡查找变电站直流接地的拉路试验法.机电信息，2011-05-25.