水电厂直流系统故障模拟装置研究及实践

包震洲，吴 双，王萍燕

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

水电厂直流系统故障模拟装置研究及实践

包震洲，吴 双，王萍燕

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

直流检测装置可以有效检测到直流系统运行中发生的各类故障，以确保直流系统的正常运行。而在长期运行过程中，直流检测装置自身的功能和准确性都会发生变化，不得不定期将直流系统停电来检验直流检测装置的性能。针对于此，我们通过分析各类直流故障发生时的故障参数，同时利用交直流转换技术及电力电子技术研发了直流系统故障模拟装置。实现了不停电检验直流检测装置的性能，提高了直流系统的供电可靠性。

直流检测；故障模拟；调压；可靠性

1 前言

发电厂变电站直流系统担负着继电保护及自动装置、控制电源、事故照明等装置的供电任务，是电力系统的重要组成部分。直流系统均配备有直流检测装置，可以及时有效地检测到直流系统运行中发生的各类故障，是直流系统正常运行的重要保障。在长期运行过程中，直流检测装置自身对直流系统的检测功能和准确性都会发生变化，需要通过定期校验装置来保证其性能完好性，现阶段，校验直流检测装置均需要将直流系统停用方能进行。但是这样也会带来直流系统停电以及直流供电可靠性的下降。因而，研究水电厂直流系统故障模拟装置实现不停电检验直流检测装置的性能具有重大的现实意义。

2 直流系统故障分析

在直流系统中，发生接地是较为常见的现象，一点接地可能造成保护与自动装置的误动或拒动，两点接地还可能造成直流保险丝的熔断，控制回路失去电源。通常，直流检测装置利用平衡电桥原理来实现对回路的绝缘监测。

交流传入是直流系统另一种常见故障，实际上亦是造成了直流系统接地，因直流系统正常运行时正负极对地绝缘电阻是对称的。而交流系统零线接地，一旦交直流发生干扰，亦会形成直流一点接地。对于直流操作回路，由于电缆的分布电容较大，一旦发生直流回路接地或交直流串扰，就会使分布电容放电，继而造成操作回路误动。

在正常运行中，直流接地与交流传入的形式有多种，其对直流回路的影响各不相同，但均易造成设备的误动，严重者更会造成直流系统的崩溃。直流检测装置需对各种类型的接地与传入均作出准确告警。

3 直流系统故障模拟装置设计思路

根据以上分析，在研发直流系统故障模拟装置过程中，也需要装置能实现全面安全的模拟故障量，因而装置需要实现以下功能：

（1）模拟直流系统母线及支路正、负对地绝缘电阻的降低引起的接地故障。

（2）模拟直流系统母线及支路对地分布电容变化，对直流检测装置的测量影响。

（3）模拟交流系统传入直流系统故障。

（4）实现不影响直流系统运行，检测在线运行的直流检测装置。

（5）对直流系统各类故障引起的继电保护、自动装置等二次设备的不正确动作进行分析。

针对各项功能要求，设计出直流系统故障模拟装置基本原理框图见图1。

图1直流系统故障模拟装置原理框图

其各单元功能说明如下：

（1）AC220 V：工作电源220 V交流输入；

（2）调压单元：调节交流输入电压来控制直流输出电压，以满足不同电压等级的直流系统应用；

（3）整流滤波单元：对输入的交流电进行整流、滤波，为直流系统提供一个模拟直流电源；

（4）模拟试验单元：模拟直流系统各种故障，以检测直流系统监测装置报故障的准确性，判断直流系统监测装置的性能；

（5）安全隔离变压器：对AC 220 V电源进行隔离，保障试验过程人身、设备安全；

（6）调压单元：模拟不同电压的交流电源串入直流系统的故障；

（7）测量显示单元：对模拟的直流系统进行监测，显示各项试验参数。

4 直流系统故障模拟装置设计方案

直流系统故障模拟装置的总系统图见图2。

其中ZK1为装置总电源开关，ZK2为直流系统模拟电源输出开关，ZK3为交流传入直流电源输出开关。右边的+、-、地连接到直流系统检测装置。

4.1 接地故障模拟单元

接地故障模拟单元如图2中虚线部分所示，在该单元中，需考虑不同的接地类型，分别设计通道进行模拟。其中CK1～CK6为试验插孔，通过不同的连接来模拟各类故障。连接CK1和CK6时可以模拟交流串直流母线故障，连接CK1和CK3和CK5时可以模拟不同支路的交流传入故障。

虚线框内接地故障模拟单元中分为两个支路，支路1为低阻、低容抗接地支路，电阻选择10 kΩ、30 kΩ、50 kΩ、100 kΩ，电容选择 2.2 μF、10 μF。支路2为高阻、高容抗接地支路，电阻选择40kΩ、80kΩ、500 kΩ、800 kΩ，电容选择 4.7 μF、100 μF。分别连接CK2和CK3或者CK4和CK5的+、-级插孔，该连接线需要穿过现场直流检测装置的电流互感器，再选择不同的电阻和电容投入按钮TA实现各类接地故障的模拟。

4.2 测量显示单元

该单元用于显示直流系统故障模拟的各项试验参数，以便验证直流检测装置功能是否完善，数据是否准确，其系统结构图如图3所示。

该单元的具体设计方案如下：

（1）控制电路采用P89V51RD2微控制器，对测量显示电路进行控制；

图2直流系统故障模拟装置系统图

图3测量显示单元系统图

（2）直流正、负对地电压的采集采用12位微功耗高速AD转换器和MC1403 2.5 V精密电压基准电路；

（3）显示屏采用LCD芯片；

（4）采用SY05、AC30芯片、继电器CNT及电阻形成单边桥，测量正、负对地电压，同时利用电压下降曲线及时间计算分布电容。

5 结束语

基于本文对直流系统故障的分析，提出了研制水电厂直流系统故障模拟装置，对直流系统的各类型故障进行模拟，同时提出在不将直流系统断电的情况下进行检验直流检测装置。该装置的成功研发，填补了对检验直流检测装置的空白，能及时发现直流检测装置的安全隐患以便及时更换，同时避免对直流系统进行断电，进而大大提高了直流系统的稳定性及经济性。

[1]王文洪.变电站直流系统典型故障分析[M].北京：中国电力出版社，2014：10-16.

[2]王旭荣.浅谈变电站直流系统接地故障及处理[J].内蒙古石油化工，2008，34（21）:77-78.

TM86

A

1672-5387（2017）11-0016-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.006

2017-08-30

包震洲（1972-），男，高级工程师，从事电力系统继电保护及自动化工作。