变电站直流系统监控及故障诊断技术分析

许显科，刘志刚，李能俊，李书山，高玉玲

（1.国网青海省电力公司西宁供电公司，青海 西宁 810000；2.中国电建集团青海省电力设计院有限公司，青海 西宁 810000）

0 引 言

如果没有及时解决变电站直流系统运行中的接地或短路故障，则会影响变电站中的保护装置和自动装置的正常动作，为变电站的运行安全带来较大威胁。在变电站的运行中，由于直流系统故障导致二次设备运行出现问题的事件逐年增加，但直流系统难以提供充足的故障信息，导致难以准确定位故障原因[1]。通过研究变电站直流系统的监控技术，分析变电站直流系统中的直流支路与蓄电池模块状态诊断技术，实现直流支路和电池状态的诊断，从而为变电站直流系统的故障分析判断和决策提供依据。

1 变电站直流系统

1.1 变电站直流系统概述

变电站中的保护装置、通信设备以及自动装置等都采用直流电源。变电站中，直流电源和交流电源具有同等重要的地位，是保证变电站安全运行不可或缺的一部分。变电站直流系统包括蓄电池、充电模块、控制回路以及直流母线等，如图1所示。

图1 变电站直流系统的结构

交流配电单元包括2路电源，以主备模式运行，确保直流系统供电电源的可靠性。经过充电装置后，它可以给蓄电池充电。集中监控单元采集交流配电单元、充电模块、蓄电池组、降压硅链、合闸回路以及绝缘监测等数据，检测其运行状态[2,3]。集中监控单元将采集的数据信息传输到远程监控系统，供变电站直流系统运维人员在监控系统的人机界面上查看信息，从而提高变电站直流系统的运维效率。

1.2 变电站直流系统的监控现状

目前，常用的变电站直流系统监控装置在系统发生故障或崩溃时，对变电站信息的采集捕捉不可靠，且缺失对系统故障的分析判断功能。设备厂家争先研究和开发变电站直流监控系统，但设备通常只能采集直流系统常态运行下的参数信息，难以采集直流系统异常运行时的参数信息[4,5]。此外，目前的监控装置仅能够监测变电站直流系统中蓄电池的端电压，难以准确监测蓄电池的内阻、容量等。

2 变电站直流系统的监控技术分析

通过监测变电站直流系统的绝缘状态，判断其是否发生接地故障。目前，较为常用的绝缘状态监测技术包括平衡电桥法、注入信号法以及直流检测法。

2.1 平衡电桥法

当变电站直流系统处于正常运行状态时，继电器2侧的电势差为0。当直流系统运行出现故障时，电势差增大。当接地电流逐步增大到继电器动作设定电流时，监控装置会发出变电站直流系统接地告警信息。

平衡电桥法包括电阻式、电压式以及计算机式。随着计算机技术的发展，变电站直流系统平衡电桥检测技术逐渐成熟，且在实际应用中取得了较好效果。平衡电桥的接线原理如图2所示。

图2 利用计算机构成的平衡电桥

通过计算机控制系统采集平衡电桥正极和负极的电压，并进行综合分析来诊断变电站直流系统中的直流母线是否发生了接地故障，从而控制系统中的继电器发出直流系统接地故障的告警信息。

2.2 注入信号法

注入信号法是变电站直流系统监控中的常用技术，是指给系统注入低频交流信号或双频交流信号。如果采用低频交流信号，则在变电站直流系统中注入某个频率固定的信号，借助电流互感器检测变电站直流系统中故障的接地位置[6,7]。如果采用双频信号，则在变电站直流系统中注入频率不同但幅值相同的信号，计算不同支路对地电阻的大小。注入信号法的接线如图3所示。

图3 注入信号法的接线

通过检测注入电流流过的路径，确定接地故障的位置。电桥法虽然能够判断变电站直流系统是否发生了接地故障，但无法判断接地故障的位置，需借助注入信号法进行进一步判断。它在计算过程中易受电气参数的影响，从而影响接地故障定位的准确性。

2.3 直流检测法

采取直流检测法进行变电站直流系统绝缘监测，不会受到系统分布电容等电气参数的影响，检测结果准确度较高。根据磁路守恒原则，如果变电站直流系统中某个支路发生了接地故障，则电流传感器的输出量不会为0。如果没有出现接地故障，则传感器输出为0。直流检测法的应用原理如图4所示。

图4 直流检测法的应用原理

如果变电站直流系统处于正常运行状态，则变电站直流系统中的支路电流差值∆I为

此时，支路中的绝缘电阻为无穷大，即

如果变电站直流系统中支路a点发生短路接地，则系统中的支路电流为

此时，计算绝缘电阻为

直流检测法主要是通过计算支路中的绝缘电阻判断变电站直流系统的绝缘情况，实现对变电站直流系统的监控，不会受到外界干扰信号的影响，能够较好地反映变电站直流系统的运行状况。

3 变电站直流系统故障诊断技术分析

为了实现对变电站直流系统的故障诊断，采用变电站直流系统故障信息录波装置，全程高精度采集变电站直流系统发生的故障及异常信息，为故障的诊断提供原始数据[8]。变电站直流系统故障诊断包括元件故障的诊断和二次回路故障的诊断。

3.1 元件故障的诊断

变电站直流系统元件较多，元件故障类型包括交流输入模块故障、充电机故障以及蓄电池组故障等。

首先，交流输入模块故障包括过电压、欠电压以及三相电压不平衡等。欠电压的情况难以支撑蓄电池长时间运行[9]。过电压的情况会烧毁直流系统中的整流装置。因此，出现欠电压或过电压时，系统应自动将输入电源从其中一路切到另一路，并且发出相应的告警信息，以提示直流系统的运维人员及时处理。

其次，直流系统中的充电模块故障，如果在模块中出现不均流的情况，则排查电缆是否连接可靠，检查是否没有配置均流线，排查模块是否出现损坏等。如果充电模块出现输入电压过大的情况造成蓄电池损伤，则应及时断开输入电源，待问题排查并整改完毕后，再将输入电源接入系统。

最后，蓄电池组故障，主要表现为输出的电压值较低，一般原因是蓄电池自身老化。可借助蓄电池巡检仪测量蓄电池内阻，如果出现蓄电池内阻明显偏大、蓄电池的外壳存在明显裂纹或膨胀现象，需要更换该蓄电池，以防整个蓄电池组出现问题。

3.2 二次回路故障的诊断

二次回路故障是变电站直流系统故障的常见类型，包括交流串入故障、绝缘系统故障以及干扰串入故障等。交流串入故障原因可能为线缆接触较为紧密，使得线缆的绝缘层出现老化，从而引发故障[10]。绝缘系统故障主要是系统的绝缘电阻偏小，使得直流系统短路，增加了接地故障的风险。干扰串入故障的主要原因是线路中的控制电源混接，使得线路中容易出现过电流，导致线缆的绝缘层损坏造成接地放电。随着直流系统在变电站中的重要程度逐渐提高，变电站直流系统的监控及故障诊断技术将起到越来越重要的作用，从而更好地保证变电站直流系统的运行安全。

4 结 论

分析变电站直流系统的监控及故障诊断技术，利用变电站直流故障评估诊断系统实现变电站直流系统故障的综合诊断和状态可视化展示。同时，准确及时地分析预警电源模块、蓄电池以及直流回路等异常情况并给出运维策略，从而提高变电站直流系统的故障检修效率。