电力直流电源常见故障分析

广州优维电子科技有限公司 王 伟

电力直流电源常见故障分析

广州优维电子科技有限公司 王 伟

直流系统广泛应用于发电厂、变电站中，为信号设备、保护装置及事故照明提供独立电源。但在实际应用中，由于操作不当、自然环境侵蚀等因素会造成直流系统出现故障。这将导致保护及自动装置误动或者拒动、直流保险熔断甚至继电器短接等故障出现，严重威胁生命财产安全。本文将分析几种直流系统中的典型故障，并提出解决方案。

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引言

直流系统由整流模块及蓄电池系统、监控系统、绝缘监测单元、电池巡检单元、开关量检测单元、降压单元构成。它是给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。由于直流系统是一个独立的电源，其工作状态不会受到发电机、厂用电及系统运行方式的影响。一旦外部交流电中断，可以保证由后备电源—蓄电池继续提供直流电源的重要设备。直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高。直流系统的可靠性在保障变电站的安全运行中起着至关重要的作用。正是由于对其稳定性有着严格要求，才要避免故障的出现。

1. 一点接地

电力系统以往的教材及技术资料均强调，直流系统发生一点接地时，仍可继续运行，但必须及时发现和消除，以免第二点发生接地后造成继电保护的误动或拒动。但根据现场运行经验，直流系统一点接地，同样可能导致出口保护继电器的误动，从而导致变电站主变跳闸或发电厂的发电机组停运，严重影响生产。在单极一点接地故障中，有一种较为特殊的形式那就是金属接地。金属接地是指直流系统电源正极或负极对地的电阻等于或接近于零的情况，这种情况对于直流系统安全威胁非常大。当直流系统正极接地时，将会有造成保护误动的可能；当直流系统负极接地时，将会有造成保护拒动的可能。设备故障、绝缘层老化、雨水天气、不当施工等情况都会导致直流系统绝缘性能下降。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。根据相关标准，对不同电压等级的系统，绝缘整定值也有所不同。如表1-1所示：

表1-1

直流系统单极接地运行时间不能超过2小时，因此对于接地故障需要及时发现和处理。为了满足这一需求，催生了各式各样的直流系统绝缘监测装置。根据监测原理的不同，直流系统接地监测装置可分为主动式和被动式两种。主动式需要向系统注入特定的信号，然后通过传感器探测该信号来判断接地回路，其信号又可分为注入式和乒乓原理。被动式不向系统注入任何信号，直接检测各回路的漏电流来判断接地与否。被动式监测不发送任何特定信号作为判断基准，而直流系统中又含有各种干扰信号，因此监测难度远大于主动式。然而被动式监测以其安全性，代表了直流系统监测装置的发展方向，随着现代微电子技术的不断进步，将成为市场的主流。其中被动式绝缘监测装置工作原理如图1-1所示。

图1-1

图1-2

图2-1

理想情况下，直流系统中正负对地的绝缘电阻是区于无穷大的，为了便于处理直流系统接地故障，通常会在直流系统的正极对地与负极对地之间加入的两个大小相等的平衡电阻，该电阻即称为直流系统中的平衡电桥。在图1-1中，R1和R2构成了平衡电桥，而R3则为正极接地的等效电阻。当直流系统没有发生绝缘故障时，该平衡电桥可以维持直流系统正负对地电压接近或相等；当直流系统发生绝缘故障时，该平衡电桥做为直流系统中的正负对地电压与对地绝缘电阻之间的桥梁，使它们之间建立起对应关系，方便故障的排查与处理。R1与R2为系统平衡桥，系统正常时，R1=R2，V+=V-，当系统正级或负级发生接地或绝缘异常时，其正对地与负对地电压即会发生变化。由此可以得到如下关系式：

利用这个原理，绝缘监测装置就可以得出接地电阻R3的阻值。当这一阻值达到绝缘监测装置所设定的门限值时就会发出告警信号，以提醒维护人员处理。但是这一原理仅仅只是能监测到出现了接地或是绝缘异常等情况。对于接地点的位置确定，则可以利用漏电流原理。如图1-2所示。

图1-2中馈线1为正常馈线，馈线n为存在负对地绝缘故障的馈线，为绝缘故障阻值，R为系统平衡电桥。设负荷电流大小为，系统正对地电压为，负对地电压为，则馈线1中，A处所测电流大小为；馈线n中，，，B处所测电流大小为，处所测电流大小为。根据A、B、C处中所测电流差异可以实现直流接地故障定位。

2. 两点接地

当直流系统中，发生两点接地时会造成保护装置误动或拒动，将会造成严重后果。而两点接地与一点接地比较，查找难度更大，尤其是两点接地阻值相同时。此时需要利用投切检测电桥来计算接地阻值。如图2-1所示。

图中R1、R2为平衡电桥， R3、R4为阻值相等的检测电桥，R5、 R6模拟两极接地电阻。首先向系统中投切R3，得到此时正极对地电压及负极对地电压，可以得到如下关系：

接下来退掉R3，投切检测电阻R4同样可以得到如下关系：

此时很容易求出正、负接地电阻R5和R6的阻值，绝缘监测装置将可以向运维人员发出告警信息，以便及时处理故障。对于接地点的确定，可以利用乒乓流原理进行定位。下面将举例说明当两极发生同阻值接地时，接地电阻的确定方法。

图2-2

图3-1

图3-2

3. 交流窜入

直流系统中的交流串电故障是指交流电中的相线直接或间接与直流系统的正极或负极相连的情况。直流系统中发生交流串电故障通常由以下两种原因引起：（1）维护人员的误操作；（2）直流系统中含有交流供电的设备出现故障导致交流串电。单相交流电由相线L与零线N组成，零线始终和大地是等电位的，即与直流系统中的地是等电位的。交流电L与N之间的电压波形如图3-1所示。

直流系统中发生交流串电故障即使没有两点接地也会造成保护的误动作，在直流系统中，线缆对地均存在一定的分布电容，如果直流系统中串入交流电源，该交流电可通过分布电容进入合闸回路，如果分布电容较大，串入的交流接地内阻又小，即会造成保护动作。因此当系统中窜入交流时，需要运维人员及时发现并处理。为解决这一难题，可以利用如图3-2所示方法。

真有效值提取电路可以准确的将交流电压转换成直流电平。采样系统完成每秒10000次的采样平均后，将采样数据送给处理器分析，处理器根据计算结果显示在人机界面报警。这对于交流窜电故障的及时发现起着至关重要的作用，保障系统稳定运行。

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