海外常用双继电器直流电源切换回路可靠性分析

孙得贤，隋永宝

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引 言

由于直流系统的可靠性较好，因此变电站二次设备大多采用直流供电电源。为保证重要二次设备工作的可靠性，一般采用两路来自不同蓄电池组的直流电源，经切换后给设备供电。常见的双电源切换回路有二极管切换回路和变压器隔离切换回路，二极管切换回路如图1所示。虽然二极管切换回路具有接线简单、切换速度快、成本低且维护工作量少等优点，但由于未进行电气隔离，仅通过二极管将双路直流电源连在了一起，因此发生直流接地时，两段母线均报警，无法及时查找到接地点。当两段母线异极接地或两段母线异极短路时，切换回路输出端将产生高电压，对供电设备造成致命损坏，而且当同一段两个二极管损坏时，容易损坏蓄电池。因此，二极管切换回路目前已很少使用。变压器隔离切换回路如图2所示，既实现了双路直流电源的无缝切换，又确保了双路电源的完全独立。但该切换回路复杂，成本较高，切换设备本身体积较大，占用较多的屏柜空间，故海外用户接受度普遍较低。而双继电器切换回路具有接线简单、安全可靠以及低成本的特点，在海外项目中得到了广泛应用[1-5]。

图1 二极管切换回路

图2 变压器隔离切换回路

1 双继电器直流切换原理

双继电器直流切换回路如图3所示。

图3 双继电器切换回路

该切换回路采用两只型号一致的单位置中间继电器，其线圈动作电压为0.8 UN，返回电压为0.2 UN，触点额定电流为16 A，开断电流为0.6/0.4 A（110/220 V），动作和返回时间为10 ms。两路直流电源先带电一路的切换继电器动作，投入该路直流电源，同时闭锁另一路直流电源。当该路直流电源故障后，该路切换继电器返回，另一路切换继电器动作，切换到第二路直流电源，同时闭锁第一路直流电源，从而实现双路电源自动切换[6,7]。

2 双继电器切换回路存在的主要问题

在某海外项目试验中，当通过断开电源进线空开QD1模拟第一路直流电源失电测试切换回路功能时，出现所带二次装置重启现象，且装置数量不同引起的现象也有所不同。单台装置切换时不重启，两台装置切换有时重启、有时不重启或有时仅一台重启，3台装置切换时全部重启。试验装置电源插件等效电路如图4所示。由于储能电容C2的作用，装置在直流电源消失后50 ms内不重启，而双继电器切换时间约为20 ms左右，电源切换回路时间小于装置失电重启时间，装置理应不重启。基于此，猜测重启的原因是装置电源插件上的安规电容C1在装置失电后短时间内存在残压，该残压加到切换继电器线圈上导致第一路电源失电后继电器线圈电压不是立即降到0，而是维持动作电压一段时间，当残压降至继电器返回电压以下时继电器才返回，第二路切换继电器动作，直流电源切换到第二路，导致整个切换过程时间延长。

图4 二次装置电源插件等效电路

3 试验过程

为验证上述猜测，对双继电器切换回路进行试验，用示波器测试电源切换过程中电源输出端的电源波形，即图3中端子-XD:9和-XD:10之间的电压。直流切换回路分别带1台、2台以及3台二次装置时的电压波形如图5、图6以及图7所示。

图5 1台二次装置负载切换电压波形

图6 2台二次装置负载切换电压波形

图7 3台二次装置负载切换电压波形

从试验结果来看，当外部直流电源断开后，测试点处的电压维持在切换继电器保持电压之上18～36 ms后才降为0，此即为受装置电源板上安规电容C1上残压影响导致的结果。带载二次装置数量越多，切换回路输出端并联的电容量就越大，失去直流电源后切换继电器由残压维持动作的时间也就越长，整个切换时间也越长，具体对比如表1所示。

表1 不同负载情况下的切换对比

4 改进措施

二次装置电源插件上的电容残压加在切换继电器线圈上使整个切换时间延长，要避免此问题，可在切换回路输出端增加截止二极管V1、V2，如图8所示。

图8 增加二极管后的双继电器切换回路

利用二极管的单向导电特性截止二次装置电源板电容残压，相应测试结果如图9所示[8-10]。

从图9可以看出，在切换回路中增加二极管截止二次装置电源板电容残压后，整个切换时间变为22 ms，这个时间跟继电器动作和返回时间10 ms基本一致。由于切换时间小于50 ms，因此装置未重启。

图9 带截止二极管直流切换回路电压波形

5 结 论

双继电器直流切换回路已在很多海外项目中得到广泛应用，其安全可靠性较好，但存在受负载影响切换时间过长可能导致装置重启的隐患。根据相关设计要求，电力二次设备电源输入端需设置安规电容，在双继电器直流切换回路输出端增加二极管，以消除安规电容残压对双继电器直流切换回路造成的影响。