浅谈发电厂及变电站直流系统的改进

浅谈发电厂及变电站直流系统的改进

吴黎明孙伟

(国网浙江省嘉兴供电公司314033)

摘要：现代发电厂及变电站的规模越来越大，直流系统的回路也越来越复杂，对地分布电容较大，容易存在寄生回路。直流回路发生短路及其他异常情况，特别是直流接地，就会带来严重的后果。本文提出一种隔离型直流系统以及分布式直流绝缘监测装置，部分变电所的运行实践表明了该方案的可行性，是提高直流系统可靠性的根本办法。

关键词：直流系统；寄生回路；可靠性；接地；隔离

1引言

电力系统中的直流电源部分由蓄电池组、充电设备、直流屏等设备组成。直流系统为变电所的一、二次设备提供控制和操作电源，可靠的直流系统是变电所安全、稳定运行的必要条件[1]。直流系统的可靠与否，对发电厂、变电站的安全运行起着至关重要的作用。

2直流系统故障的危害及其成因

直流系统的故障包括开路，短路，一点或两点接地，寄生回路等。一般认为，对电力系统危害较大的是两点接地。直流系统正极接地，就会造成继电保护、开关或测控装置的误动；直流系统负极接地，若再有一点接地，就可将跳闸回路或合闸回路短路，造成继电保护、信号、自动装置误动或拒动，或造成直流保险熔断。

直流系统一点接地，同样可能导致开关误跳闸[2]。直流系统的传统模型和实际情况存在差别，传统模型不考虑直流电路换路过程；实际上直流系统中存在大量的储能元件，如逆变电源的抗干扰电容及控制和信号的长电缆等，换路过程时间长达数百毫秒，释放的能量足以导致动作电压偏低的快速继电器及光电隔离器动作，引起开关误动作或误遥信。

直流电源通过电缆线路与屋内、外配电装置的端子箱、操作机构等连接，分布范围广，外露部分多，电缆较长，易受外界影响造成直流接地，主要可以分为以下5个方面[3]：

(1)户外设备防雨、防潮、防异物措施不到位、不及时，包括刀闸、开关机构进水受潮，主变本体接线盒受潮，飞虫进入等，占直流接地原因的50%。

(2)变电站建设时施工质量不佳，包括电缆损伤、电缆头制作不良、异物未及时清理等，占直流接地原因的25%。

(3)回路中存在寄生回路，占直流接地原因的10%。

(4)蓄电池通风不良或漏液，占直流接地原因的5%。

(5)直流系统设备质量不佳，包括元件损坏、元件老化等，占直流接地原因的10%。

从以上统计数据可以看出，户外设备接地是直流系统接地的主要原因，解决户外设备的接地问题，就可以大大减少直流系统的接地故障。

3直流系统绝缘监测的方法及其局限性

新型的接地检测仪器为查找接地故障提供了高技术手段，但是还存在着局限性：

（1）注入低频交流信号法的探测结果受系统分布电容的影响很大。当系统分布电容很大时，交流法几乎无法探测出接地故障点的具体位置。

（2）漏电流检测法利用霍尔效应的直流传感器来检测每条支路的直流电流信号[4]。由于直流回路的复杂性，不是每根电缆都能捋得清楚的。

在运行过程中直流接地故障绝大部分是间接接地或非金属接地，并随着气候和环境变化而变化，通过瞬时断开电源的方法查找这种动态的接地故障非常困难。随着运行设备逐渐老化，直流系统的接地故障会越来越多，越来越难找。

4提高直流系统可靠性的措施

传统的直流系统按照母线方式供电，依靠开关、闸刀、熔丝和电缆将所有的装置并联，相互之间没有隔离，正常运行时只能限制短路故障，无法限制接地故障和寄生回路，任意一点接地都会导致直流系统异常。现代的抗干扰的主要技术措施是采用逆变电源供电，即采用直流到直流（DC/DC）或交流到直流（AC/DC）的高频转换模块，将设备内部与外部电源隔离。一般用于装置的电源，或者某些重要回路，正是由于这种模块的大量使用，使得直流系统的总体对地等效电容增大，增加了换路过程的时间。

如果在使用DC/DC模块时，从整个直流系统的可靠性层面考虑，并遵循下述4个原则，就可以充分发挥DC/DC模块的抗干扰作用，从而全面提高直流系统的可靠性：

（1）做到直流母线不出小室，接地故障不出间隔。在直流母线的开关、闸刀或熔丝后加装独立的DC/DC转换模块，将直流系统按间隔或功能分成互相隔离的子系统，各间隔的等效对地电容不再相互叠加，寄生回路消除，接地故障的影响范围限制在间隔内。

（2）增加分布式直流绝缘监察装置。在测控装置上增加对地测量直流电压的功能，并设定合适的告警值，就能完成对各间隔的直流绝缘监测，由于其原理简单，在间隔的测控装置内还可设置冗余的直流绝缘监测功能，保证在任何情况下装置的直流电源都不会失去监视。

（3）在监控后台集中显示直流绝缘的监测结果。在后台直流系统的网络图上显示实时结果或查看历史曲线，方便查看和调用。

（4）选用可靠性高的DC/DC电源模块。由于DC/DC转换模块对提高直流系统的可靠性至关重要，在设计二次直流电源时，应根据使用温度范围、额定功率等选择，尽量选用单路输出型模块。

6直流系统改进后的效果

经过改进，复杂的直流系统按间隔被DC/DC转换模块分隔成简单的模块化的子系统，直流绝缘监装置也从原先集中在直流屏转为分散到每个间隔的测控屏。这种模块化设计的优越性可以总结为以下5点：

（1）将直流接地的影响限制在某个间隔或回路内。直流系统的任意一处发生接地，只会影响相应的间隔或回路，不会影响整个直流系统的正常运行；

（2）消除直流系统里顽固存在的寄生回路。各间隔之间不存在寄生回路，设计、运行和检修人员只需对间隔或回路内认真地进行逻辑确认，就可防止意外的事故；

（3）减轻一点接地对直流系统的影响。设计和安装时，将间隔或回路内的对地电容限制在可接受的范围内，不受其他间隔的影响，避免一点接地时开关、保护或信号的误动作。

（4）分布式绝缘监察装置可靠性高。原来装在直流屏上的集中式绝缘监测装置为整个系统共用，不到万不得已是不可停运的，其原理设计越复杂就越不为运检人员所掌握，各种各样的误告警降低了可信度，使得真正发生危险时无法引起重视，从而引发严重事故；冗余设计的分布式绝缘监察装置在间隔内作用，工作原理简单可靠，可以随着间隔停电检修时供继电保护人员检查调试，还有监控系统的历史运行数据做依据，因而准确率很高。发生一点接地时，分布式直流绝缘监察装置及时准确报警，为检修人员及时抢修争取宝贵的时间。

（5）提高处理接地故障的效率。集中式绝缘监测装置报警后，还需要采取“拉路法”明确具体的间隔，再出动检修人员处理，通常运检人员要在整个直流系统内来回搜寻接地点，规律难以把握，工作强度很大，思想负担很重，效率很低；分布式绝缘监察装置在间隔内报警，可直接交由检修人员处理，间隔内的接地故障有规律可循，新型的接地检测仪器也有用武之地，工作强度低，工作效率高。

7结束语

随着DC/DC转换模块的不断发展，DC/DC转换模块的体积将变得更小，转换效率会更高，电子兼容性更好，使用寿命更长，这些都势必会推动直流电源可靠性的发展。

参考文献

[1]严浩军,范瑞逢.变电所直流电源系统存在的问题及改进建议[J]浙江电力,2006年第1期：2-32.

[2]王翀,宋巍,李侔萤,吴炜.一起直流系统接地引起的220kV开关跳闸事故分析[J]华北电力技术,2013年第02期：47-49.

[3]刘晓忠,王宁国,李靖波.变电站直流接地原因及预防措施[J]电力安全技术,2009年第3期：56.

[4]江涛.直流系统漏电流绝缘监测装置应用中的问题[J]云南电力技术,2009年第1期：18-20.

作者简介

吴黎明（1970-），男，籍贯安徽省休宁县，国网嘉兴供电公司高级工程师，主要从事变电检修及电力安全器具管理，研究方向是计算机自动化、高压试验、安全工器具检测装置设计。

孙伟（1977-），男，籍贯浙江省海宁市，国网嘉兴供电公司助理工程师，主要从事电力建设项目安全管理，研究方向是高压试验、安全工器具检测装置设计。