浅谈变电站直流系统的异常及处理

浅谈变电站直流系统的异常及处理

摘要：分析直流系统在实际运行中出现的一些异常现象；针对异常情况进行原因分析并提出相应的处理方案及注意事项。

关键词：高频开关电源屏、蓄电池、直流系统接地

变电站的直流系统是变电站各系统中的重要组成部分，是供给控制、保护、信号、自动装置、交流不间断电电源及事故照明等的电源，直流系统的正常运行是这些设备可靠运行的基础。即便直流系统母线的短时失压，也会给变电站带来严重后果。

1、高频开关电源屏

高频开关电源模块通常都配置有故障报警模块，在发生一般性故障后都会将故障信号通过串行通讯通知给直流系统监控器。直流系统监控器通常将故障信息经RS485接口传到站内监控系统公用设备管理机同时驱动信号继电器给站内监控系统或光子牌提供遥信信号。

但当高频开关电源模块发生某些故障时，会导致故障报警模块失灵，需要通过一些现象间接判别故障。

下面介绍一实际案例：

某站直流系统运行中发现1台高频电源充电机输出电压明显下降由额定浮充电压下降7-8伏左右；现场检查各充电模块及监控器均无告警指示或告警信息，使用万用表测量蓄电池浮充电压指示值与输出显示值相符。此充电机的外部负荷并没有变化，蓄电池对外放电。现场分析此现象可能由某个高频电源模块内部故障引起，此模块对外输出电动势降低与其它模块间产生环流而拉低整组输出。逐个关闭、打开高频模块观察电压变化；当试验到某一模块时，关闭此模块后充电机输出电压立即回复正常；打开此模块后充电机输出电压逐步下降；验证了此前判断的正确。将故障模块返厂后，发现此模块发生严重故障有多个内部元器件损坏。

高频开关电源屏的控制模块均具备自动完成浮充、均充转换；蓄电池自动检测等多种自动功能；在日常工作中应注意这些功能能否正确动作。例如有的充电机就存在交流输入电源消失恢复后，在蓄电池充电电流达到设定值时，也没有自动转换为“均充”的问题。在进行完交流电源回路切换后，一定要观察高频开关电源屏的工况，避免其交流电压双路输入切换模块异常导致高频模块输入没有电压。

目前高频开关电源模块都已采用N+1冗余设计，拆除一个模块不影响整组运行。但在拆除故障模块后不应破坏各模块与直流系统监控器间的串行通讯。如果要对故障模块进行更换应注意新老模块间的输出电压及内阻匹配问题。

在采购新高频开关电源屏时应注意为每个高频模块的交流输入配备单独的空开，为直流输出配备二级管；从根本上避免各高频模块间的相互影响。高频电源模块属于发热量很大的元件，在运行中应注意其散热问题；采购新屏时可以考虑在屏顶安装散热风扇的设计。

2、蓄电池

目前阀控式密封铅酸蓄电池已经得到了广泛的应用，下面介绍几个此类型蓄电池运行中出现的问题。

某站直流系统配置两台高频充电机、两组蓄电池、两段直流母线；蓄电池组由103只额定电压为2V的阀控式密封铅酸蓄电池组成。在正常运行中92号蓄电池出现“单体电压高”报警。现场测量92号蓄电池两端电压为3.46V，此时蓄电池组端电压为231.6V ，充电机工作在浮充状态。由于103只电池串联工作，92号电池端电压异常升高说明其内阻异常升高，内部元件出现故障无法坚持运行；否则有开路危险。现场立即将该站直流系统一、二段动力母线并列运行，退出故障电池所在的蓄电池组和充电机；在关闭充电机后，断开92号电池与前后电池间连接线；直接连接91号与93号蓄电池后恢复直流系统正常运行方式；同时对该组电池进行充放电测试时又发现容量下降到额定容量的60%，经几次充放循环容量也达不到规程的容量；被迫将整组蓄电池进行更换。对92号电池蓄电池进行了拆解，发现铅板与其汇聚排发生了部分断裂现象。分析电池迅速劣化原因为有以下两点：1、蓄电池组在冬季运输及施工；在东北地区冬季温度可达零下25摄氏度以下，低温可能对铅板、二氧化铅板以及超细玻璃纤维造成影响。2、经过了一次约三小时的小电流放电，降低了电池容量。

更换个别落后电池时，会由于新、旧电池内阻不均衡导致电池端电压不均衡。在串联运行后新电池分得的伏充电压小、将长期欠充易造成失酸；旧电池端电压高、将长期过充易造成失水；加快了新旧电池的劣化。在完成落后电池更换后，应进行几次整组充放电已均衡各电池间单体电压；一般规定偏差为±0.05伏。

阀控式密封铅酸蓄电池具有密封程度高、电池的自放电率小、电池在长期运行中无需补充任何液体，同时在使用过程中不会产生酸雾、气体，维护工作量极小等优点被称为"免维护蓄电池"。运行维护的主要工作是为电池运行创造干净恒温的环境，关注浮充电压的变化，不允许严重的过充和欠充；由于其结构特殊，对周围环境和温度较为敏感，如果电池长期在高温条件下运行，其使用寿命将会大打折扣；应按照反措要求严格控制蓄电池室温度不超过30℃；并按照相关规程要求做好蓄电池定期维修工作。

3、运行方式切换与蓄电池充放电

在采用两台高频充电机、两组蓄电池、两段直流母线配置的直流系统，由于两台高频充电机配置和设定完全相同、配有反向二级管；能够避免两台充电机间形成环流，在进行直流系统切换时充电机的输出可以并列；可不再采用先停充电机，后并列的方法进行切换。这样切换能够避免蓄电池带负荷，防止蓄电池存在的隐藏问题威胁直流系统的运行。

在进行蓄电池组充放电等工作时，需要将1组蓄电池和1台充电机退出运行时，应先行将两段动力母线直接并列。为避免因并列空开内部质量问题，造成在断开1段（2段）直流充电机蓄电池联1段（2段）母线开关后造成整段母线失压的严重事故。母线并列后一定要以绝缘监察仪指示的直流系统整组绝缘的变化作为动力母线并列开关合闸良好的判据；既一、二段母线的正、负对地绝缘电阻相同，且都发生较大幅度下降。虽然切换动力母线的三个开关间通常设有连锁回路、绝缘监察装置取母线并列空开的辅助节点信号，但以上回路都存在失灵的可能。

当由于定检及缺陷处理等工作需要将充电机退出运行由蓄电池带负荷时，无论时间长短均应排除蓄电池组开路的可能；蓄电池单体电压检测不能作为可靠依

据；应观察蓄电池组的浮充电流是否在较小幅值内不断变化。如果此值较长时间不变，可以将充电机切换为均充状态观察充电电流是否相应增大。有条件时应逐节测量蓄电池的端电压和内阻。

对于两台高频电源屏、两组蓄电池、两段直流母线配置的直流系统在进行蓄电池充放电时，应密切关注另一组正常浮充运行的蓄电池组和带有全站负荷的高频电源屏；并应做好随时停止蓄电池容量测试转由被测试蓄电池组及对应充电机带全站负荷的准备。

在各种切换操作中必须保障运行中的直流母线带有蓄电池组。在运行中还应注意直流端子排和内部元件发热问题，长期累计发热有可能造成火灾。

4、直流系统的接地

常见的直流接地形式：

直流系统绝缘老化，雨天或雾天可能导致室外的直流系统绝缘降低引发直流接地；变压器的非电量回路，因变压器渗油或防水不严，造成绝缘损坏接地；设备端子受潮或积有灰尘等，由此造成绝缘降低引起接地。工作人员在二次回路带电工作，将直流电源碰到接地部分。人为的机械力造成电缆受伤，使带电芯线与屏蔽层碰到一起。改造、检修过程中接错电缆芯号，使电缆一端接直流电源另一端作为备用芯，一但备用芯有机会碰到设备外壳，也会形成故障或接地。

直流接地的几种特殊情况：

接地在正、负极间转换：如信号继电器接点在闭合位置时，直流系统正接地，分开以后，直流系统又变成了负接地。

接地在一、二组直流间转换：有些时候在用拉路法查找直流系统接地点时会发生此现象，当拉开一组直流后，一组绝缘故障消失但转换为二组绝缘故障。

当出现此现象时应注意类似断路器信号的采样回路；断路器操作箱采集SF6、液压系统等接点状态使用的是经过内部切换后的直流；正常使用一组直流当一组直流消失后自动转换为二组。

一组直流正电源接二组直流负电源（一组直流负电源接二组直流正电源）：正常测量时其电压差为220V，但由于此接法相当于串入了两个绝缘监察仪（采用不平衡电桥原理，接地电阻配30千欧、1千欧）配置的接地电阻，所接装置难以动作正常工作。如果接在信号接点上，当接点闭合时瞬间一组正、二组负接地电阻变成15.5千欧，如果绝缘监察设定值比较低会报告一组正、二组负接地。

一组直流电源与二组直流电源并列：某站在规模扩建后，发现站内绝缘监察仪指示站内一组、二组整组绝缘均下降一半，没有其它任何异常。经反复查找发现拉开扩建直流屏某一支路空开后其对应的电源指示灯不灭；实际测量此支路电压为正常值220伏；拉开对应另段母线对应直流空开后，两个电源指示灯同时熄灭；且全站一组、二组绝缘电阻增加一倍。这表明在此支路一、二组直流混接。检查发现厂家内部配线错误在馈线屏内将一组和二组馈线输出混接。

直流、交流混接：交流是接地系统，直流是绝缘系统。直流系统中混进交流会出现直流接地现象；可能造成保护装置误动、开关误跳、拒合等严重问题。

某站在扩建工程设备验收中发现在分、合220千伏母线分段2213断路器后会有“二组正”接地、电机打压信号表示，在打压信号复归时后直流接地信号也消失。检查发现该断路器的A相打压信号回路，厂家内部配线错误将监控系统遥信信号线W146与交流N短接。当信号继电器闭合时就会将W100遥信正电

源（使用站内二组直流）与交流系统N短接造成接地。

直流系统如果仅仅是一点接地对二次回路不会造成事故，如果有两点接地就可能发生断路器误动和拒动，并引起空开跳闸或接点烧损。直流电源系统接入控制、保护、信号和其它回路，纵横交错、十分复杂；涉及产品质量、设计施工、回路改造等诸多因素发生接地故障时难以查找。

隔离变压器能够有效的隔离接地点，笔者曾在监控系统遥信回路上测试隔离变压器的效果，使用隔离变压器后的遥信回路发生100%金属性接地全站绝缘也没有变化。建议在直流馈线设计上按功能或按照设备布局使用隔离变压器，将馈线分段隔离、分段设置绝缘监察装置；把大而复杂的系统，分割为几个相对简单独立的小系统，从而提高整个系统的可靠性。

结束语

直流系统的稳定运行对变电站及电网的安全稳定运行起着举足轻重的作用。本文对直流系统日常常见的问题进行了分析和探讨，希望对加强直流系统的相关管理工作有所帮助。