直流系统设计及运行管理中的若干问题探讨

苏艳萍，栗 磊，杨晓龙

（1.国网宁夏电力设计有限公司，宁夏 银川 750001；2.国网宁夏电力科学研究院，宁夏 银川 750001；3.国网宁夏电力公司教育培训中心，宁夏 银川 750001）

1 引言

直流系统是发电厂和变电站的重要系统，担负着站内继电保护装置及其出口回路、断路器控制回路、信号回路、事故照明、通信等设备的供电，由于被操作和保护的主设备众多，使直流系统分布面广，遍布厂站内各个角落，因此，确保发电厂和变电站的安全、经济运行，具备完善而可靠的直流系统是非常必要的。但是，在现场技术监督检查过程中，笔者发现直流系统的运行管理往往被大家所忽视，成为影响电网安全稳定运行的一个重要环节，笔者就此结合个人实际工作中遇到的一些典型问题，提出相应的解决措施供大家商榷。

2 双套直流电源如何实现保护功能的冗余

220kV及以上电压等级的一次设备均要求实现双重化的保护配置，实现保护功能的冗余，提高供电可靠性。为满足双重化保护配置的要求，两套保护装置的直流电源必须由两组完全独立的蓄电池组分别供电，且与保护装置配合的回路及设备的直流电源也应与该保护装置取自同一直流母线。对于采用后备原则进行双重化配置的保护装置，每套保护装置均应由不同的直流电源供电，并分别设专用的直流熔断器或自动开关。有后备关系的保护装置之间应尽可能地减少共用环节［1］。目前除电压二次回路因一次设备原因不能完全满足双重化保护要求外，直流电源也是一个尚不能满足双重化保护要求的薄弱环节，其具体问题分析如下：

（1）直流小母线供电方式

具体实现方式如图1所示。

图1 直流小母线接线图

此接线形式在早期变电站中比较常见，直流Ⅰ、Ⅱ段母线分别由两套蓄电池组供电。从设计方面考虑，实现两直流段独立供电没有问题，但在实际运行中却很不规范，正确的运行方式应为分段开关均在合位，直流I段馈线屏上BM1、KMI自动开关在合位、直流II段馈线屏上BM2、KM2自动开关在合位。现场检查中却发现很多厂站把分段开关断开，直流 I、II段馈线屏上 BM1、BM2、KM1、KM2自动开关都在合位，这样接线看似保护装置由双套直流供电，但实际上只是由一组蓄电池供电，这是对反措要求理解不透造成的，反措中的不同电源应指不同的蓄电池组。在这种运行方式下，一旦某种原因导致一段直流失压，将造成一次设备双套保护装置及控制回路失电，并造成一次设备无保护状态运行，在外部有故障时将造成保护拒动的严重后果。为保证双重化保护的冗余功能，必须加强和规范这种直流供电方式的运行管理工作，在理清回路的前提下尽快更改为正确的直流供电系统运行方式，同时在保护室悬挂直流系统的详细联络图，便于技术人员进行运行维护工作。

（2）双套保护应严格遵守一一对应的关系，防止因交叉停用而导致保护功能的缺失

双套保护装置直流电源与断路器两组跳闸，线圈控制电源应防止交叉接线，在发生一次设备故障的同时，任一段直流失压将造成断路器拒动，并会误启动失灵保护。双套主变（线路）保护与双套母差及失灵保护，应确保取自对应的同一段直流母线，否则一旦两段直流母线任一段失压，均会造成失灵保护失去功能，给电网安全带来隐患，双套直流电源配置示意图如图2所示。

图2 双套直流电源配置示意图

（3）有备用关系的断路器之间的控制电源配置不合理

变压器的中、低压侧后备保护作为中、低压侧母线及出线的近后备保护，其断路器控制电源应与出线断路器控制电源取自不同的直流母线段，如220kV主变的110kV侧断路器对110kV线路出线断路器有后备作用，当110kV线路出线断路器拒动时，可由主变110kV侧断路器切除故障，若将其控制电源设计在同一段直流母线上，一旦该段直流母线失压，则会造成该两个断路器均不能可靠动作的情形，只能再越级到上一级断路器跳闸，这样会扩大停电范围。

（4）一次主接线为双母线接线时，涉及到电压切换装置的电源问题

早期变电站设计中普遍配置单套电压切换装置，切换后二次电压供双套保护共同使用，切换装置电源一般取自操作电源。在这种情况下，一旦操作电源失电，切换装置也将失电，保护装置将会因失去二次电压而误动，不能可靠跳开断路器，将误启动失灵保护，造成严重后果［2］。为了避免上述情况的发生，切换电源与对应的保护装置应采用同一组直流电源，并建议使用同一自动空开。

3 合闸母线是否还有存在的必要

早期的电磁式断路器在分合闸时会有较大的冲击电流，为了降低此时的冲击电流，将蓄电池组的端电压设计为240V，保护装置电源及其他装置电源额定电压一般为220V，所以直流系统主接线分为合闸母线及控制母线，两者共用负极，合闸母线通过硅链降压成为控制母线，硅链调压原理示意图如图3所示。

图3 硅链调压原理示意图

硅链是由数个单相二极管组成，属于半导体器件，过载能力较差，在短路电流的冲击下易断裂，会造成直流控制母线失压，也会造成保护装置和断路器因失去直流电源而拒动。国内曾经出现过由于硅链断裂，造成直流控制母线失电，引发大范围停电事故。直流系统是否需要设置合闸母线，一是根据变电站断路器操作机构是否有较大的合闸冲击电流（这里指合闸电流超过250A），二是根据变电站微机保护装置的电源模块的工作电压是否在直流额定电压允许的范围内等因素决定的。

（1）如果变电站没有较大的合闸冲击电流，微机保护装置的电源模块电压也在直流额定电压允许值的±10%范围内时：无论变电站的蓄电池组为两组还是一组，均不应设置合闸母线，蓄电池组参数表如表1所示（系统电压220V、单体电池电压2V）。

表1 蓄电池组参数表

通过上述计算可以看出，蓄电池组在正常运行还是均衡充电时，其电压均没有超过直流额定电压允许值的±10%范围，若选择阀控蓄电池可只用104个。

（2）如果变电站有较大的电磁操作机构（合闸电流超过250A时）：无论变电站的电池组为两组还是单组，均应设置合闸母线。若选择阀控蓄电池，则需用107－108个。

因此，在断路器操作机构及保护装置额定电压允许的情况下，去掉直流合闸母线，不仅可以简化直流主接线，省去合闸母线与控制母线之间的调压硅链，提高了直流系统运行的可靠性，同时减少了蓄电池的数量，提高了工程的经济性。

4 交流串入直流系统如何防范

直流系统和交流系统是两个相互独立的系统，直流为不接地系统，交流为接地系统。由于各种原因造成交流串入直流时，会危及到全站的直流系统，造成保护误动跳闸等重大事故（如2011年延安局330kV朱家变电站主变跳闸事故）。目前主变过负荷启动风冷、主变过负荷闭锁调压控制回路及隔离开关、断路器机构箱等交直流共存的地方是交流串入直流系统的重点区域，主要原因有交直流回路共用电缆、端子排潮湿、凝露、雨水侵入、交直流电缆绝缘受损、人为误碰、误接线等。

对于主变过负荷及闭锁调压回路应采取有效地隔离措施（如加装中间继电器），避免交流控制回路直接从保护装置取用相关的闭锁接点，户外端子箱和机构箱内，应合理布置二次接线端子，应尽量单列布置交、直流接线，并设置明显的区分标志。应认真做好户外端子箱的密封、防水、防潮、防凝露等措施。直流系统绝缘监测装置必须具备交流窜入直流系统的故障测记和报警功能，以便于发现并及时消除此类安全隐患。

5 装置电源与控制电源分开的必要性

对于高电压等级系统而言，断路器控制电源与保护装置电源应分别由不同的直流空气开关供电，这样做的好处是两电源互不影响。当控制回路出现故障时，控制电源的空气开关跳开，此时如果系统有故障，虽然断路器不能跳闸，但保护装置电源正常，可保证失灵保护正常动作，又可利用相邻断路器切除故障。同样，如果保护装置有故障，对应的直流空气开关跳开，保证控制电源也是有意义的，特别是在无人值守的变电站，调控人员可遥控使断路器分闸，避免一次设备长时间无保护运行。对于低压系统则采用保护测控一体化装置，将断路器控制电源和保护装置电源分开供电则意义不大［3］。

6 蓄电池维护存在问题

蓄电池生产厂家和种类较多，其维护方法和要求不同，造成维护人员对蓄电池的维护经验不足。以目前现场应用较多的免维护阀控式铅酸蓄电池为例，免维护是指不需要进行经常添加电解液的维护工作。其他的维护工作仍是必须的，主要包括：初次使用需要充电16～20 h以上，事故放电后须在短时间内再充电，定期检查充足电的电池端电压，定期对蓄电池进行均衡充电（3～6月），定期进行核对性放电，对长期闲置不用的电池也要定期充电［4］等。蓄电池维护不当导致的早期失效现象时有发生，造成蓄电池个体甚至整组电池的损坏，给电网的安全运行造成严重的影响。2012年10月某110kV变电站因蓄电池开路造成全站直流失压，自投装置没有合上备用电源，导致全所失压。2012年11月某220kV变电站一组蓄电池因严重老化，在充电机交流电源失电的情况下，不能供电给所带的直流负荷，造成多条220kV线路距离保护因失去二次电压而误动作。

7 结论

（1）双重化保护的直流电源必须取自不同蓄电池组供电的直流母线，其配合设备及二次回路的直流电源必须与对应的保护装置的直流电源取自同一段的直流母线，只有这样，才能实现双套保护的冗余功能。

（2）合闸母线的设置应根据站内断路器操作机构及保护装置的需求情况进行考虑，在设备运行状况允许的情况下，应去掉合闸母线，以简化直流系统主接线。

（3）在变电站交直流共存的地方，应合理布置二次接线，与保护装置有联系的交流回路建议加装中间继电器进行隔离，以降低交流串入直流系统的风险。

（4）对于保护测控一体化装置，装置电源和操作电源分开的意义不大，但是在保护和测控装置独立配置的情况下，建议装置电源和操作电源独立配置，以便于故障发生时及时进行故障隔离。

（5）蓄电池的日常维护工作应引起高度重视，尤其要定期进行核对性充放电试验工作，这样才能够及时发现和处理蓄电池的异常状态，以确保直流系统的安全稳定运行。

［1］国家电网公司运维检修部.十八项电网重大反事故措施（修订版）［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［2］李天华，黄少锋，彭世宽.线路保护及辅助装置标准化设计规范（学习读本）［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［3］薛 峰.电网继电保护事故处理及案例分析［M］.北京：中国电力出版社，2012.

［4］董 明，魏秉政.变电站直流系统运行现状及存在问题分析［J］.继电器，2006，34（3）：82－84.