直流電源可靠性應用研究

李辰龍，孔珍寶，劉亞南，倪　穎，趙永濤

（1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.國華徐州發電有限公司，江蘇徐州221000）

直流電源可靠性應用研究

李辰龍1，孔珍寶1，劉亞南1，倪穎2，趙永濤2

（1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.國華徐州發電有限公司，江蘇徐州221000）

直流系統可靠運行是電網安全、穩定、連續運行的保證。分析了直流電源設備運行、監控、維護的現狀，根據現場工作經驗和國網安規，提出了一種直流系統隱患排查新方法，該方法既能保證電氣設備的安全可靠運行、又可獲得經濟效益和社會效益。

直流系統；穩壓精度；穩流精度；紋波系數；直流空氣斷路器

直流電源系統是電力系統發電廠不可缺少的重要組成部分，為運行中電力設備計算機監控、繼電保護裝置、安全自動裝置、DCS控制、斷路器分合閘、音響信號等提供直流工作電源，直流電源安全、連續、可靠供電，直接關系到發電廠的運行安全。因此直流電源系統應嚴格執行相關標準、規范、制度和反事故措施規定。直流系統還應該滿足接線合理、運行可靠、方式靈活、維護方便以及符合環保和節能的要求［1，2］。隨著近年來大型火電機組及特高壓直流變電站的迅猛發展，直流系統安全問題凸顯，從系統設計選型、設備建造、安裝及投產驗收、運行維護管理得不到足夠重視。近年來因直流電源系統問題直接或間接造成機組非停、開關跳閘及設備運行異常比比皆是。因此對發電廠與變電站直流電源系統進行可靠性研究，并將研究成果在全省發電廠及變電站進行推廣，意義重大［3，4］。文中分析直流電源設備運行、監控和維護的現狀，介紹了一種完整的直流系統隱患排查方法。

1　直流電源設備運行現狀分析

電力系統中由于直流屏以及蓄電池故障導致的事故時有發生，嚴重的會造成電網解列事故，主要有以下幾種情況［5］。

（1）直流電源充電機運行分析。根據規程，直流電源成套裝置技術指標需要達到標準要求，但大部分成套裝置都忽略了紋波系數、穩壓精度和穩流精度3個參數的的在線監測。隨著運行時間的增長以及外部環境的變化，充電機的參數會發生不同程度的偏移，造成蓄電池過早失效，嚴重的會造成保護誤動事故。

（2）蓄電池運行分析。閥控鉛酸蓄電池已經得到了廣泛應用，其具有全密封、無須加水及調酸等特點。但在實際使用過程中，許多電池未能達到使用壽命，主要原因是浮充狀態下單體電池自放電一致性差。長期浮充狀態下，由于各個電池的自放電能力不同，有的電池過充造成電池失水、有的電池欠充造成電池容量不足。蓄電池一旦失效，不僅經濟上受到損失，還會影響直流系統的供電可靠性，甚至會導致整個電網的安全性降低。

（3）直流電源監控、維護現狀分析。現有的直流電源檢測工作需要專業人員按照檢修周期，定期對蓄電池和充電機進行檢修。試驗分為：蓄電池放電時間、充電機參數測試試驗以及級差配合試驗。

DL/T 724—2000［6］對充電裝置的穩壓精度、穩流精度、紋波系數3項技術指標的現場交接試驗有明確的規定及技術指標。現場必須定期對3項指標進行檢查，這3項指標直接影響到蓄電池的性能。

2　直流系統隱患排查方法

由于直流系統隱患造成的系統故障頻繁出現，因此提出一套完整的直流系統隱患排查方法很有現實意義，文中的方法可以及時發現并解決問題，避免造成大面積事故。直流系統隱患排查方法大致分為6個步驟，內容如下。

2.1直流回路禁用交流空氣斷路器

直流回路中嚴禁使用交流空氣斷路器，原因主要是：交流斷路器很難分斷直流短路電流。直流電弧分斷困難，直流斷路器有專門的吹弧線圈或者使用永磁體吹弧技術，交流斷路器沒有該功能，安全性能差，容易造成機組故障。

2.2空氣斷路器接線

直流系統中直流空氣斷路器的正負極性接線要正確。以免電流方向接反，直流空氣斷路器滅弧特性變差或無法滅弧，造成直流空氣斷路器損壞。

直流電流因無過零現象，電弧很難熄滅。直流空氣斷路器一般在靜觸頭下方區域設置磁鋼，利用磁鋼產生磁場，強制將電弧拉長，迫使其從動、靜觸頭之間流向滅弧室，最終達到分斷直流電流的目的。磁鋼的極性以固定的極性方向放置在斷路器觸頭系統中，特別要求電流在斷路器內部以一定方向流動，這將使得產生的電弧受到磁鋼磁場力的作用，被吹向引弧角。所以外接線時，必須按照斷路器上正負極的標記進行接線，一旦接反，在事故狀態下，電弧反吹，斷路器將無法分斷直流電流。檢查過程中須要仔細檢查正負極接線，保證系統的安全性和可靠性，避免因接線錯誤造成斷路器燒毀。

2.3安秒特性測試

定期對運行中的直流空氣斷路器進行安秒特性測試。常見的直流空氣斷路器主要分B型和C型，兩者適用的場合和瞬時電流范圍不同。B型：適應于直流無感或微感電路、短路電流敏感保護場合，額定電流4～7倍進入速斷區；C型：適應于直流配電電路短路及過載保護，7～15倍進入速斷區。直流空氣斷路器進入速斷區的動作時間一般為幾毫秒，非速斷區的動作時間大于100 ms，而且電流越小，動作時間越長。進行安秒特性測試時直流空開動作時間小于10 ms即可進入速斷區。安秒特性測試裝置一般原理如圖1所示。

圖1　安秒特性測試裝置原理

充電電源并聯超級電容作為測試電流源，通過恒流控制電路調節待測直流空氣斷路器。直流空氣斷路器在測試電流的作用下，跳閘脫扣，自動記錄下動作時間值。再改變測試電流值，產生不同的動作時間，待過流保護和短路速斷區全部測試完畢，即可自動生成直流空氣斷路器安秒特性曲線，完成整個測試過程。

某電廠B型直流空氣斷路器，額定電流為16 A，實驗結果如表1所示。

表1　安秒特性

動作時間T1、T2和T3間隔30 ms，從表1可以看出，16 A開關在6倍額定電流時速斷動作，時間在5 ms左右，證明該型號直流斷路器的安秒特性比較理想，可以正常使用。通過安秒特性能夠直接檢查直流斷路器的動作情況，保證故障狀態時，直流斷路器能夠正常動作。

2.4級差配合測試

流系統中應滿足級差配合，直流空氣斷路器上下級之間必須保證2～4個級差。

在電力系統中，直流電源系統是繼電保護、自動裝置和斷路器正確動作的基本保證。目前發電廠和變電站的直流饋電網絡多采用樹狀結構，從蓄電池到廠、站內用電設備，一般經過三級配電，每級配電均采用直流空氣斷路器作為保護電器。如果上下級直流空氣斷路器保護動作特性不匹配，在直流系統運行過程中，當下級用電設備出現短路故障時，就會引起上一級直流斷路器的越級跳閘，從而引起其他饋電線路的斷電事故，進而引起發電廠和變電站一次設備如高壓開關、變壓器、電容器等的事故，因此為了防止事故擴大，直流開關上下級必須能夠正確配合。

直流空氣斷路器常見額定電流規格有：1 A，2 A（3 A），6 A，10 A，16 A，20 A，25 A，32 A，40 A，50 A，63 A，每相鄰兩者之間為一個級差。直流空氣斷路器上下級之間必須保證2～4個級差。級差配合測試方法采用小電流預估法試驗，原理圖如圖2所示。

圖2　小電流預估法原理

小電流預估法簡單安全，可在線測試，但有一定誤差，試驗結果得出的級差配合概率≥100%，預估級差配合符合要求，配合概率0～100%，就提示有越級跳閘的可能；短路模擬校驗法真實準確可靠，但有一定越級跳閘風險，通過該試驗可直接校驗上下級開關級差配合是否合格，同時可看出短路電流大小和開關滅弧特性好壞。以下為江蘇某電廠級差配合測試實例：試驗開關S252SDC-B4，預估短路電流160.9 A，級差配合概率100%，短路電流為152 A，能夠跳閘。

試驗結果：在1號磨煤機電源柜S252SDC-B4直流空氣斷路器下口直接短路，B4瞬時跳閘。上級1號機直流220 V 1號饋線屏GMB32M-2400R直流空氣斷路器未跳閘。B4下口短路時短路電流為152 A，弧前時間為0.5 ms，滅弧時間為5.5 ms。試驗結論：該次受試直流系統滿足級差配合要求。

2.5直流系統穩壓精度、穩流精度、紋波系數測試

發電廠及升壓站直流系統充電機（整流模塊）應滿足反措要求。文獻［7］要求新建或改造的變電站選用充電、浮充電裝置，應滿足穩壓精度優于0.5%、穩流精度優于1%、輸出電壓紋波系數不大于0.5%的技術要求。在用的充電、浮充電裝置如不滿足上述要求，應逐步更換。

穩壓精度、穩流精度和紋波系數測試原理如圖3所示。通過調壓裝置（如變壓器）將充電機交流輸入電壓在額定電壓±10%內變化，負載調整裝置（如放電電阻）使充電機的直流輸出電壓及輸出電流在規定范圍內變化（電壓調整范圍為額定值的90%～110%，電流調整范圍為額定值的0～100%），在調整范圍內測量電壓、電流及紋波值，通過計算得到充電機的穩壓精度、穩流精度及紋波系數，結果見表2。

圖3　穩壓精度、穩流精度和紋波系數測試原理

表2　穩壓精度測試結果

從表2可看出，在DC198 V和220 V點穩壓精度超標，在DC275 V點穩壓精度合格。但3點誤差全部為負值，空載時3點輸出值普遍比整定值小0.5～0.7，滿載時輸出值普遍比整定值小1.2～1.4；而空載滿載差在0.7左右，并不太大。DC198 V、220 V和DC275 V 3點電壓絕對誤差基本相同，DC275 V點相對誤差較小，由此可知，穩壓精度不合格的主要原因是由充電機輸出電壓整體偏低而造成的。充電機穩壓精度長期超標，其后果是造成蓄電池欠、過充，威脅直流供電的安全性。基于以上分析，建議在半載狀態下，重新校準充電機輸出電壓，使充電機穩壓精度滿足要求。

2.6仿真直流系統竄入交流系統

直流回路分布廣、數量多，常常出現運行與基建施工、設備改造同時并存，由于工作不慎，極易造成交流電源串入直流回路。由于直流回路存在分布電容，可能出現交流電源經分布電容起動相應繼電器，導致多臺斷路器同時跳閘或合閘，造成極其嚴重的事故［8］。為了防范交流電源串入直流系統，一方面從設計源頭、管理方面入手，減小事故發生的源頭；另一方面，原有的直流系統絕緣監測裝置，應逐步進行改造，使其具備交流竄直流故障的測記和報警功能，同時提高中間繼電器動作功率，反措要求功率大于5 W。這樣將大大提高直流系統的安全穩定性。

3　結束語

直流系統可靠與否對發電廠和變電站的安全運行起著至關重要的作用，是安全運行的保證。根據現場的實際工作經驗，總結并提出了一種新的直流系統隱患排查方法，該方法能夠全面排查直流系統存在的安全隱患，為電網的安全穩定運行提供保障。

［1］趙希正.強化電網安全保障可靠供電：美加“8.14”停電事件給我們的啟示［J］.電網技術，2003，27（10）：1-7.

［2］李均甫，張健能，任雪濤.淺談變電站直流系統運行維護的幾個問題［J］.繼電器，2004，32（17）：75-77.

［3］趙永生，莊洪波.交流電源串入直流電源回路導致斷路器跳合閘原因分析［J］.湖南電力，2010，30（1）：27-29.

［4］張紅彬.電力直流系統的維護探討［J］.沿海企業與科技，2009（5）：153-155.

［5］王洪，張廣輝，梁志強，等.電力直流電源系統的網絡化管理及狀態檢修［J］.電網技術，2010，34（2）：185-189.

［6］國家經濟貿易委員會.DL/T 724—2000電力系統蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程［S］.

［7］國家電網公司.國家電網公司十八項電網重大反事故措施［M］.北京：中國電力出版社，2007：14.

［8］周國平，張炯，李辰龍，等.交直流互串導致滅磁開關誤動原因分析及防范措施［J］.江蘇電機工程，2013，32（5）：10-12.

Research on the Reliability of DC Power Source

LI Chenlong1，KONG Zhenbao1，LIU Yanan1，NI Yin2，ZHAO Yongtao2
（1.Jiangsu Frontier Electrical Power Technology Co.Ltd.，Nanjing 211102，China；2.Guohua Xuzhou Power Co.Ltd.，Xuzhou 221000，China）

DC system is an important part of power plants or substations.Reliable operation of DC system is critical to power grid security，stability and continuous operation.In recent years，a large number of new technologies and new equipment have been applied to the DC system.Therefore，exploring the hidden danger of DC system has a very practical implications.This paper analyzes the status of equipment operation，monitoring，maintenance in DC system.According to the operation experience and the state grid's safety regulation，this paper proposes a new method for hidden investigation in DC system.The method not only ensures reliable operation of DC power supply equipment，but also brings economic and social benefits.

DC system；regulation accuracy；steady flow accuracy；ripple coefficient；Dc air circuit breaker

發電技術

TM910.7

B

1009-0665（2015）01-0059-03

2014-08-05；

2014-09-26

李辰龍（1980），男，遼寧朝陽人，工程師，從事繼電保護工作；

孔珍寶（1962），男，江蘇高淳人，高級工程師，從事繼電保護工作；

劉亞南（1988），男，江蘇徐州人，研究生，從事繼電保護工作；

倪穎（1966），女，江蘇銅山人，高級工程師，從事繼電保護工作；

趙永濤（1979），男，山東滕州人，工程師，從事繼電保護工作。