变电站直流电源系统典型故障分析与处理

许郁 李博

摘要：文章论述了变电站直流电源系统的各个组成部分及其各自的功能，分析了直流电源系统的典型故障及其成因，并强调了直流接地和直流环网两种对变电站正常运行危害最严重的异常情况的具体处理方法，为直流电源系统的日常维护和异常处理提供了参考和指导。

关键词：直流电源系统；变电站；典型故障；故障处理；直流接地；直流环网 文献标识码：A

中图分类号：TM63 文章编号：1009-2374（2016）27-0139-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.065

1 直流电源系统的组成

直流电源系统由交流输入、微机监控、充电、馈电、蓄电池组、绝缘监察（接地选线可选）、放电（可选）、母线调压装置（可选）、电压监测（可选）、电池巡检（可选）等单元组成。直流电源系统的主要组成示意图如图1所示：

其中，蓄电池组是用电气方式连接起来的两个或多个单体蓄电池，它在整个直流电源系统中起着核心作用。在遇到市电中断时或整流器设备出现故障的情况下，电池组可为负载单独供电，使供电不中断；在短路冲击或正常负荷起始冲击等情况下，超出整流器额定输出的部分由蓄电池组承担。

充电装置将交流电整流成直流电的一种换流设备，其主要功能是实现正常负荷供电及蓄电池的均/浮充功能。

监控系统包括微机监控单元和绝缘监察单元。微机监控单元具有监视功能、自诊断功能、显示和控制功能。负责对系统中各个功能单元（如电压电流采集单元、充电模块、绝缘监测、电池巡检等）运行状态与数据的采集、显示，把系统中各种运行参数与状态获取到，参照测量的数据与运行状态做出相应处理，进行控制系统，全自动管理电源系统。

馈线屏是提供多路直流支路供设备、装置使用的配电装置。

2 直流电源设备的典型故障

变电站的直流电源设备，一经投入运行就永久工作，不能像变电站变压器、继电保护等那样的电气设备可以安排停电进行检修。直流屏上设备有缺陷需要处理，都是在带电状态下进行的，其操作风险非常大，因此要熟悉直流电源设备的典型故障及其成因，以便快速、有效地处理故障，降低工作人员的危险系数，保障变电站安全、稳定地运行。

蓄电池组由于构造及对环境要求的特殊性，其典型故障及成因大致可分为下列五点：（1）故障类型绝缘下降蓄电池反极蓄电池极板故障壳体异常极柱、螺丝、连接条爬酸或腐蚀容量下降；（2）故障成因电解液溢出极板硫化极板弯曲充电电流过大安装不当内部自然放电；（3）室内通风不良、潮湿容量不一致极板硫化内部短路室内潮湿正负极板故障；（4）极板短路或开路温度过高电解液溢出极性颠倒；（5）充电电流过大。

高频开关电源整流模块的主要优点是稳压稳流精度高、体积小、重量轻、效率高、输出纹波及谐波失真小等，基于它的这些优点，人们开始用它来逐步取代可控硅整流充电装置，当前高频开关电源整流模块在各电压等级的变电站已得到广泛运用。

高频开关充电电源装置故障主要有以下四种情况：（1）因交流输入电源失压、缺相或过压引起的充电模块停机或保护关机；（2）充电模块的输出电压低于或高于设定值；（3）模块地址码设置错误；（4）某些不明原因引起的充电模块内部故障，无电压输出。

监控系统主要故障：（1）直流输出电压过高或过低告警；（2）微机监控装置黑屏；（3）微机监控装置死机；（4）绝缘监测装置发出故障告警信号；（5）绝缘监测装置遭受交流入侵。

3 直流电源系统异常分析与处理

除上述直流电源系统故障外，还存在直流接地和直流环网两种对变电站正常运行危害最大的异常情况。

3.1 直流接地

3.1.1 直流接地的概念和危害。当直流系统的正极或负极与大地之间的绝缘水平降到某一整定值或低于某一规定值时，统称为直流系统接地。设备的绝缘监察装置绝缘水平应满足表1的要求：

直流接地的危害性：

当直流系统正极接地时，将有可能造成断路器的误动，因为一般跳闸线圈（如出口中间继电器线圈和跳闸线圈等）均接电源负极，如果这些直流回路中再发生直流系统接地或绝缘不良时，就会引起保护误动作。当直流系统对地电容增大到一定数值时，一点接地，也有可能致使继电器误动。

直流系统如果只有一点接地是不会对直流系统造成当直流系统负极接地时，如果直流回路中再有一点接地，两点接地可将跳闸回路或合闸回路短路，从而造成断路器拒绝动作，越级扩大事故。

引起直流接地的原因主要有：（1）持续的阴雨天气，潮湿的空气使户外电缆芯破损处或者胶布包扎处绝缘降低，引起直流接地；（2）由于转动部件挤压、磨损致使二次线绝缘皮损坏，造成接地；（3）接线松动脱落引起接地；（4）装置内元件损坏引起接地；（5）误接线引起接地；（6）小动物如老鼠等破坏引起接地。

3.1.2 直流接地的处理方法。检查是否有交流电源串入，查找串入点并隔离。

寻找接地点的一般原则：

第一，绝缘监测装置告警，实测有接地并显示哪一路接地。检查装置，断开对应的空气断路器，若故障消除，则是外接回路有接地，然后查外接回路接地点并排除。

第二，绝缘监测装置告警，若装置未显示出哪一路接地应采取下列方法：（1）拔掉绝缘监测装置所有接线，接地消除则可判定是装置故障，若拔掉装置所有接地线接地现象仍存在，则需判断是否柜内有故障；（2）对直流母线上允许短时停电的直流负荷馈线，采用短时停电法寻找；（3）在某些现场由于无表计可观察，可用内阻大于2000Ω/V的电压表检查；（4）对于不允许短时停电的重要直流负荷，可采用专业符合法查找接地点。

3.2 直流环网

3.2.1 直流环网的概念及危害。重要变电站或发电厂的直流系统，为提高供电可靠性，大都采用2组蓄电池与2个或以上充电机。正常情况下，2组蓄电池要求分开运行，即构成2组独立的直流电压系统。由于各种原因，如施工带来的寄生回路等，造成2套独立运行的直流系统，出现了电气连接现象（当独立运行的2套直流系统，其母线间绝缘电阻小于10kΩ），这种想象称为直流环网。

接地环网造成的危害：引起直流系统火灾；缩短蓄电池的寿命；降低接地故障监测灵敏度；一点接地引起接地保护误动；导致设备拒动等。

3.2.2 直流环网故障原理。直流环网故障可用图2表示，其中节点1、节点2及左侧的两个R所组成的回路构成第一组独立的直流系统；节点3、节点4及右侧的两个R所组成的回路构成第二组独立的直流系统。则由节点电压方程可以得出：

即两组直流系统之间没有电的联系。

而当两组直流系统完全接触时，即：Rx=0时：由式（1）～式（5）知：

U1=+220V，此时U1上升为正的全电压；U2=U3=0V，相当于两组分别直接接地；U4=-220V，U4下降为负的全电压；Ix=Un/R，Ix完全取决于采样电阻R的大小；当R=80k?时，Ix=2.75mA。

3.2.3 直流环网的处理步骤。（1）断开Ⅱ母线绝缘监察装置接地点，合上分段开关，将Ⅱ母线上负荷倒至Ⅰ母线，拉开分段开关；（2）测量Ⅰ母线对地电压，正极对地为+110V，负极对地为-110V，Ⅱ母线对地电压为正极对地为0V，负极对地为0V；（3）将直流负荷依次倒至Ⅱ母（倒前合分段开关，倒后拉分段开关），并检测Ⅱ母对地电压，当正对地或负对地电压有电压指示时，表明该负荷与Ⅰ母之间有直流混线；（4）确定出混线的直流负荷后，可采用“拉路法”，进一步查找，直至查出混线原因。

4 结语

本文综合论述了直流电源系统的组成单元及其在变电站运行中的作用，着重论述了直流电源设备的典型故障及成因，并强调了直流接地和直流环网的危害及处理方法，为直流系统的日常维护和现场检修起到一定的参考作用。

参考文献

[1] 国家电网公司.直流电源系统管理规范[M].北京： 中国电力出版社，2007.

[2] 饶正科.变电站直流系统接地原因及其查找方法[J]. 电工电气，2012，（6）.

[3] 国家电网公司人力资源部.直流设备检修[M].北 京：中国电力出版社，2010.

（责任编辑：秦逊玉）