孫成寶[1]、徐海明[2] [1]樂山電業(yè)局；[2]大連理工大學
[摘 要]介紹GZDW型智能高頻開關直流電源系統(tǒng)組成及工作原理和它的運行與維護；在運行與維護中常見故障的處理。
1 、引言
在變電站中，直流電源是核心，為斷路器分合閘及二次回路中的儀表、繼電保護和事故照明等提供直流電源，它的重要性就可想而知了，它就相當于是變電站整個二次系統(tǒng)的心臟，為二次系統(tǒng)的正常運行提供動力。但是很多二次技術人員都只對變電站的保護回路及控制回路等比較重視而對為繼電保護回路提供能量的直流系統(tǒng)的重要性就忽視了。平時維護一般只是進行一些簡單的蓄電池電壓測試和絕緣監(jiān)視等。這就使直流系統(tǒng)往往運行在不可控的狀態(tài)，這是相當危險的。下面簡單談一下直流系統(tǒng)的組成及工作原理和它的運行與維護。
2 、典型GZDW直流系 統(tǒng)的組成及工作原理
直流系統(tǒng)主要由充電模塊、控制單元、直流饋電單元（合閘回路、控制回路、保護回路、信號回路、公用回路以及事故照明回路等）、降壓單元、絕緣監(jiān)測、蓄電池組等組成。其中最主要的設備就是充電模塊和蓄電池組。近年來，隨著電力技術的發(fā)展，高頻開關模塊型充電裝置已逐步取代相控型充電裝置，而閥控式密封鉛酸蓄電池已逐步取代固定型鉛酸蓄電池。
電力系統(tǒng)現在使用的高頻開關電源整流系統(tǒng)比較老式直流系統(tǒng)的最大區(qū)別是模塊化配置，比如GZDW型智能高頻開關直流電源系統(tǒng)根據功能可劃分為高頻開關整流模塊、監(jiān)控模塊、配電監(jiān)控模塊、調壓硅鏈模塊、絕緣監(jiān)測模塊、交流配電單元、蓄電池監(jiān)測儀、蓄電池組、饋電單元幾部分。圖1 系統(tǒng)原理框圖
圖1 系統(tǒng)原理框圖
下面簡單分析各個部分的工作原理和功能。
交流配電單元:直流系統(tǒng)一般都有兩路交流電輸入，正常時交流電輸入切換開關置于“自動”位置， 1路工作，2路備用，交流電經交流輸入空氣開關、交流接觸器、避雷器等送至各個充電模塊。
高頻開關充電模塊：三相三線交流電380VAC經三相整流橋整流后變成脈動的直流，在濾波電容和電感組成的LC濾波電路的作用下，輸出約520VDC（2.34X220）左右的直流電壓，再逆變?yōu)楦哳l電壓并整流為40KHZ的高頻脈寬調制脈沖電壓波，最后經過高頻整流，濾波后變?yōu)?20VDC的直流電壓，經隔離二極管隔離后輸出，一方面給蓄電池充電，另一方面給直流負載提供正常工作電流。充電模塊內部有監(jiān)控板能監(jiān)視、控制模塊運行情況。由于充電模塊本身具有CPU，充電模塊也可以脫離監(jiān)控模塊獨立運行。
調壓硅鏈模塊：充電模塊在蓄電池浮充時輸出一般約為240VDC左右（2.0~2.25X2V為單體的電池個數），在蓄電池均充時一般約為250VDC左右（2.3~2.35X2V為單體的電池個數）送至合閘母線，蓄電池則經蓄電池總保險送至合閘母線，正常時調壓硅鏈的控制開關置于“自動”位置，經硅鏈自動降壓后輸出穩(wěn)定的220VDC，送至控制母線，以上兩部分共同組成直流輸出系統(tǒng)。當自動調壓模塊控制電路發(fā)生故障時，可以通過手動調整，使其輸出在合理范圍內。調壓硅鏈模塊實際分五組，每組由10個硅二極管組成，每組可降0.7X10=7V，五組總共可降5X7V=35V電壓。調壓硅鏈模塊設計余度較大，其輸出電流可短時間超出額定值的2～3倍而不至于立刻燒毀硅鏈。調壓硅鏈模塊要是斷開，整個控制母線就無電壓，也就是整個二次設備無直流電源。現在有種接線方式是在控制母線也掛一個充電模塊，設置為手動狀態(tài)，輸出電壓調為220V，作為調壓硅鏈模塊壞時的備用。
配電監(jiān)控模塊：主要是對交流輸入和直流輸出的監(jiān)控，可檢測三相交流輸入電壓，蓄電池組端口電壓，蓄電池充/放電電流，合閘母線電壓，控制母線電壓，負載總電流；并且實現空氣開關跳閘，防雷器損壞，蓄電池組電壓過高/過低，蓄電池組充電過流，蓄電池組熔絲斷，合閘母線過/欠壓，控制母線過/欠壓，各輸出支路斷路等故障告警。
絕緣監(jiān)測模塊：用于監(jiān)控直流系統(tǒng)電壓及其絕緣情況，在直流系統(tǒng)出現絕緣強度降低（220V直流電壓系統(tǒng)一般為低于25KW，110V直流電壓系統(tǒng)一般為低于7KW）等異常情況下，發(fā)出聲光告警，并能找出對應的支路號和對應的電阻值。
監(jiān)控模塊：用于對充電模塊的監(jiān)控板、配電監(jiān)控模塊、絕緣監(jiān)測模塊等下級智能監(jiān)控模塊實施數據搜集并加以顯示；也可根據系統(tǒng)的各種設置參數進行告警處理、歷史數據管理等；同時對這些處理結果加以判斷，根據不同的情況進行電池管理，輸出控制和故障回叫等操作；此外還包括LCD、鍵盤等人機界面設備；可實現與后臺機的通訊，將數據上傳。
蓄電池組：作為全站直流系統(tǒng)的后備電源，在充電模塊停止工作時，蓄電池無間斷的向直流母線送電；此外，在電磁式斷路器進行合閘操作時，合閘電流大于100A，此時蓄電池成為合閘電源。
GZDW型智能高頻開關直流電源系統(tǒng)自動控制的正常運行程序過程為：
充電裝置正常時浮充電運行，根據需要設定時間（一般為3個月）采用1.0I10充電電流進行恒流充電，當蓄電池組端電壓上升到限壓值時（2.3~2.35X2V為單體的電池個數），自動轉為電壓為（2.3~2.35X2V為單體的電池個數）的恒壓充電，1.0I10充電電流逐漸減小，當充電電流減小至0.03~0.05I10電流值時充電裝置倒計時開始啟動，當整定的倒計時結束時，充電裝置將自動轉為正常的浮充電運行，這就完成一個循環(huán)，使蓄電池隨時具有滿容量狀態(tài)，確保直流電源運行的安全可靠。
正常浮充運行 1~3個月 恒流充電 電壓升至整定值 恒壓充電 電流減小至整定值 正常浮充運行
3、 直流系統(tǒng)的運行與維護
現在電力系統(tǒng)的變電站一般都是無人值守的，GZDW型智能高頻開關直流電源系統(tǒng)可通過監(jiān)控串口與變電站后臺的監(jiān)控實現通訊，可在調度端實現對直流系統(tǒng)的“三遙”。但還是需要定期進行一般性的清掃、日常檢查等工作。一般220KV及以上變電站按照每天一次，110KV變電站按照一周兩次進行周期巡視。
在下列情況時要加強巡視：
1、 新投運的設備；
2、 在高溫季節(jié)、高峰負荷期間和電磁式開關動作頻繁時；
3、 在雷雨季節(jié)有雷電發(fā)生后；
4、 在直流系統(tǒng)或蓄電池的工況不良時；
5、 特殊用電期間。
由于直流電壓為220VDC，在日常維護中，即使無交流電源接入，系統(tǒng)也處于帶電狀況。考慮到220V電源對操作人員及設備安全均有一定的危險性，直流回路最怕正極和負極間短路，工作時應戴絕緣手套，使用絕緣工具，必須防止麻痹大意所造成的人身或系統(tǒng)事故。
3.1 直流屏室和蓄電池室的管理
基本要求：保障室內環(huán)境的溫度、相對濕度、潔凈度、靜電干擾、噪聲、強電電磁干擾等要素符合機房內電源設備和控制設備的要求，保障設備的性能的穩(wěn)定、運行可靠、生產安全，保障控制設備的正常供電和蓄電池的應急放電；保障設備的機械性能完好，設備電氣性能符合標準要求，設備運行穩(wěn)定可靠，與設備相關的技術資料、原始記錄齊全。
蓄電池組室應安裝空調保證溫度應在25°C左右，溫度對蓄電池的壽命影響較大，若在35°C 及以上的持續(xù)溫度下運行，預期壽命減少一半。溫度過低，充電時產生氫氣使內壓增高，電解液減少，蓄電池壽命也將縮短。
3.2充電裝置的運行及維護
運行人員或專職直流維護人員應對充電設備進行如下的巡視檢查：三相交流輸入電壓是否平衡或缺相，運行噪聲有無異常，各保護信號是否正常，直流輸出電壓值（合母、控母）和電流值是否正確，各充電模塊的輸出電流是否均流，正負母線對地的絕緣是否良好，裝置通訊是否正常等。
運行人員或專職直流維護人員特別要注意充電模塊自動均充是否準時定期，均充時的充電電流和充電電壓是否正確；雷電發(fā)生后應及時檢查直流裝置的防雷裝置和充電裝置工作是否正常；每月對充電裝置作一次清潔除塵工作。
充電裝置內部故障時，應及時把故障充電裝置取下退出運行，這就是模塊化配置的好處，在設計上采用N+1的方式，少一個充電裝置不影響運行，應及時把壞的充電裝置返廠家修理，這期間加強對直流裝置的巡視。
3.3 蓄電池的運行及維護
500KV變電站一般裝設兩組蓄電池，可互為備用。220KV、110KV一般裝設一組蓄電池，其實在有條件時220KV最好裝設兩組蓄電池，因220KV的繼電保護裝置是雙重化的，從電流互感器二次側到斷路器跳閘線圈都是雙重化，因此，直流系統(tǒng)也宜相應的設置兩組，分別對兩套保護及跳閘線圈供電，以利系統(tǒng)安全運行。
在正常運行情況下，變電站的二次設備只需由充電模塊來供電就行了。現有的變電站，斷路器一般有電磁合閘方式和儲能合閘方式兩種。在電磁式斷路器進行合閘操作時，要求直流電源能提供瞬時的合閘電流（20~200ms內提供數百安培的大電流），顯然僅由充電模塊來供電是遠遠不夠的，這時蓄電池組就發(fā)揮了重要的作用，它能無間斷地提供大電流，保證斷路器的正常合閘，這也是直流系統(tǒng)為什么要有合閘母線的原因了。在儲能合閘方式下，合閘電流遠小于充電模塊的額定輸出電流，不用蓄電池來合閘。現在新建的變電站一般都是這種儲能式的斷路器，這時直流系統(tǒng)也就可以不要合閘母線。
當電網事故，必然使交流輸入電壓下降，當充電模塊不能正常工作時，蓄電池無間斷的向直流母線送電，毫不影響直流電源屏的對外功能，保證二次設備和斷路器的正確動作，確保電網的安全運行。而作為最后保障的蓄電池，如果其容量的不足將會產生嚴重后果。所以，蓄電池的重要性就就可想而之了，其維護、在線監(jiān)測一直是大家最為關心的問題。
電池巡檢儀作為在線監(jiān)測裝置，可實時發(fā)現落后或故障電池，并可檢測電池組的溫度是否處于正常范圍內，但直流系統(tǒng)工作時輸出電流較小，電池容量的不足或漏液、破損很難通過電池巡檢儀發(fā)現，而電池內阻和電池容量的在線測試，準確度依舊不高，其測量精度和可靠程度通常只用于定性分析。所以還是需要運行人員或專職直流維護人員對蓄電池進行巡視。
巡視項目如下：檢查蓄電池連接片有無松動和腐蝕現象，殼體有無滲漏和變形，是否清潔；極柱與安全閥周圍是否有酸霧溢出；絕緣電阻是否下降；蓄電池溫度是否正常25°C左右；測試單只蓄電池電壓和內阻（一般為幾~十幾mΩ）是否正常。
最好能每半月進行一次斷開直流系統(tǒng)交流輸入電源，讓蓄電池來供電，10分鐘后測試合母電壓（也就是蓄電池組端電壓）和控母電壓及直流電流是否正常。以此來保證作為最后保障的蓄電池工作正常。
還要注意對備用擱置的蓄電池的維護，因蓄電池要自放電而減少容量，應用便攜式充電機每3個月進行一次補充充電。
由于電池品牌、型號及電池狀況的不同，應根據實際情況通過監(jiān)控模塊重新調整電池充電參數，以保證電池處于良好工作狀態(tài)。蓄電池壽命一般為10年左右，影響蓄電池壽命的主要因素有：1、過放電2、放電電流過大或過小，一般應用I10（蓄電池的額定容量/10）的放電電流3、浮充電壓設置不合理4、充電電流過大或過小，一般應用I10（蓄電池的額定容量/10）的充電電流5、充電設備的性能6、溫度。
通常以標準溫度25°C下10h放電率（I10）的容量為蓄電池的額定容量。核對性放電用I10的放電電流放電5小時，2V的蓄電池端電壓不低于2V則蓄電池容量合格。全核對性放電用I10的放電電流放電10小時，2V的蓄電池端電壓不低于1.8V則蓄電池容量合格。新安裝的蓄電池在補充電后，應進行全核對性放電實驗，以考核電池容量。變電站只有一組蓄電池時，在運行中一般用核對性放電來考核蓄電池的容量是否合格，周期可為1-2-2-1方式。即新投運1年內進行一次，此后每2年進行一次，運行5年后每年進行一次。
在核對性放電中需要注意以下幾點：
1、為了確保直流系統(tǒng)運行的安全可靠，蓄電池不能退出運行，當有單只蓄電池端電壓低于2V或蓄電池組端電壓降至2X N（2V為單體的電池個數）時應立即停止放電進行補充充電。
2、放電器電流=I10-全站直流負載電流，這樣總的放電電流才是I10。
3、變電站內有電磁式斷路器退出它的重合閘或者備自投裝置，并且這期間不要合電磁式斷路器。
4、當有單只蓄電池端電壓低于2V，其內阻大于正常時，說明這只蓄電池的容量已不足，不能正常運行。因為蓄電池組都是串聯(lián)的，這只蓄電池的內阻增大，它內阻的分壓就大，當大到一定的值時，就會蓄電池組不能輸出。這時需要立即把它取下退出運行。怎么取下呢？不能直接把該蓄電池的連線斷開，這樣整個蓄電池組就退出運行了，這是非常危險。我向大家推薦一種方法，就是事先準備好一個大功率的二極管，二極管的P極與該蓄電池的負極連線的另一端連接好，二極管的N極與該蓄電池的正極連線的另一端連接好，這樣該蓄電池就被二極管短接，再斷開該蓄電池的連線，取下蓄電池，把連線接好，取下二極管即可，這樣就不會影響蓄電池組正常運行。這時還需要重新調整監(jiān)控模塊的蓄電池充電參數，因為少了一個蓄電池充電參數相應的也要變小，否則對剩下蓄電池就會出現過充。單體蓄電池是2V的最少只數為103只，單體蓄電池是12V的最少只數為17只。
4 常見系統(tǒng)故障的原因及處理
直流系統(tǒng)的故障有很多，就不一一列出了，只舉幾個常見的故障。
4.1 閥控蓄電池的故障和處理
1） 閥控蓄電池殼體鼓脹變形
造成的原因有：充電電流過大，充電電壓超過了2.4V X N(2V為單體的電池個數)；蓄電池內部有短路或局部放電等造成溫升超標；閥控失靈使蓄電池不能實現高壓排氣，內部壓力超標等。處理方法：進行核對性放電，容量達不到額定值80%以上的蓄電池應進行更換；運行中減少充電電流，降低充電電壓，檢查安全閥體是否堵死。
2） 浮充電時，蓄電池電壓偏差較大（大于平均值±0.05V）
造成的原因：蓄電池制造過程分散性大；存放時間長，又沒按規(guī)定補充電。處理方法：質量問題，應更換不合格產品；存放問題，應按要求進行全容量反復充放2~3次，使蓄電池恢復容量，減少電壓的偏差值。
3） 運行中浮充電壓正常，但一放電，電壓很快下降到終止電壓值
造成的原因：蓄電池內部失水干，電解物質變質。處理方法是更換蓄電池。
4） 核對性放電時，蓄電池放不出額定容量
造成的原因：蓄電池長期欠充電，單體蓄電池電壓浮充時低于2.23~2.28V，造成極板硫酸鹽化；深度放電頻繁（如每月一次）；蓄電池放電后沒有立即充電，極板硫酸鹽化。處理方法：浮充電壓運行時，單體蓄電池電壓應保持在2.23~2.28V；避免深度放電；對核對性放電達不到額定容量的蓄電池，應進行3次核對性放電，若容量仍達不到額定容量的80%以上，應更換蓄電池組。
4.2 系統(tǒng)監(jiān)控故障和處理
GZDW系統(tǒng)監(jiān)控模塊核心由486CPU的工控主板組成，監(jiān)控模塊作為系統(tǒng)數據存儲處理的中心，匯集了系統(tǒng)所需的全部數據和信息。通常造成監(jiān)控告警的主要原因有：
（1）系統(tǒng)硬件、軟件故障；（2）錯誤的系統(tǒng)設置；（3）用戶端產生的告警信息。
日常維護中大部分告警信息都可通過監(jiān)控器的相應記錄進行查詢。系統(tǒng)電氣故障應更換相應器件，用戶端故障則由各制造商作出相應處理。受直流系統(tǒng)的工作環(huán)境和操作過程影響，少數情況下外界干擾或監(jiān)控內部硬件“瞬間故障”可能造成系統(tǒng)誤告警或監(jiān)控死機現象。出現無法自動恢復的軟件故障可通過系統(tǒng)菜單中所提供的“初始化”功能對監(jiān)控器進行重新設置，需注意的是初始化后系統(tǒng)參數必須重新輸入。所以系統(tǒng)調試開通后，戶應記錄下所需的參數設置。如“初始化”無法排除系統(tǒng)故障，則必須將其退出運行，由廠方專業(yè)人員進行檢查修復。
監(jiān)控系統(tǒng)另一類常見故障是通信故障，GZDW系統(tǒng)采用的是RS422串行隔離通信口進行內部通信。RS422采用全雙工平行驅動和差分輸入方式進行數據傳送，系統(tǒng)抑制共模干擾能力強、通訊速率高，各監(jiān)控單元信號可實時傳輸。由于系統(tǒng)采用詢問方式進行通信，當整流模塊或檢測裝置內部故障時，工控機未能按時收到其反饋信息。監(jiān)控程序會作出短時間的等待，通信速度會有所降低。如連續(xù)3次未能收到協(xié)議規(guī)定格式的反鍋詐，工控機將顯示相應單元通信不暢。造成通訊不暢通無阻原因較多，常用解決方法為：
（1）檢查對應設備是否已開機工作，通訊線是否聯(lián)接好，若否，則開啟相應設備，聯(lián)接好通訊線；（2）檢查主監(jiān)控“系統(tǒng)配置”和“設備配置”各參數設置是否與實際情況一致。若否，則參照基本操作修改相應參數設置；（3）如果是整流模塊通訊不暢，則在上述基礎上再檢查各整流模塊地址號是否有重疊，以及地址號與主監(jiān)控“設備配置”中模塊號設置是否一致。若否，應參照基本操作重新設置地址號及模塊號。
4.3 直流系統(tǒng)絕緣故障和處理
直流系統(tǒng)的正、負母線絕緣電阻均不能低于規(guī)定門限值，當任何一點出現接地故障時將會打亂變電站的整個正常運行秩序，造成控制、信號、保護的嚴重紊亂，必須迅速排除故障，以免出現兩點同時接地短路而造成的直流系統(tǒng)熔斷器熔斷及使斷路器出現誤動、拒動等。
GZDW系統(tǒng)絕緣監(jiān)測有母線監(jiān)察和支路巡查兩種方式。母線監(jiān)測式僅監(jiān)測母排同保護地間絕緣電阻的變化情況。支路巡查則可同時監(jiān)測母排和各支路的絕緣狀況，并作出相應告警。
發(fā)生絕緣告警的主要原因有以下：其分路出線受潮、破損或負載設備安裝錯誤； GZDW系統(tǒng)在運輸、開箱、安裝過程中出現的導電異物等。
查找直流接地故障的一般順序：
（1）分清接地故障的極性，粗約分析故障發(fā)生的原因：長時陰雨天氣，會使直流系統(tǒng)絕緣受潮，室外端子箱、機構箱、接線盒是否因密封不良進水等；站內二次回路上有無人員在工作、是否與工作有關。
（2）將直流系統(tǒng)分成幾個不相聯(lián)系的部分，即用分網法縮小查找范圍。
（3）對于不太重要的直流負荷及不能轉移的分路，利用“瞬停法”（一般不應超過3s），各站應根據本站情況在現場運規(guī)中制定拉路順序；對于較重要的直流負荷，用轉移負荷法，查找該分路所帶回路有無接地。
（4）如果接地點是在GZDW系統(tǒng)內，可以采用逐段排除來確認告警具體位置。具體方法是：依次抽出充電模塊；斷開各功能單元和母線間的熔斷器連接；斷開蓄電池接入開關。分段、分步測量故障母線同保護地間的電壓狀況。通常，GZDW系統(tǒng)出廠后發(fā)生電氣故障可能性較小，在找出“故障段”后，其故障點多可通過目測直接發(fā)現。
（5）確定接地點所在部位后，再逐步縮小范圍認真查找，直到查出接地點并消除為止。
在實際工作中，由于直流輸出通常不便全部同時斷開，一般采用斷開一回路，立刻判斷故障是否消失，若告警依舊，立刻合上此輸出饋路，再斷開另一回路，重復以上過程來判斷接地點。由于站內負載間可能存在環(huán)路電阻R,當R小于絕緣電阻告警門限值或多路同時告警的時候，此種方式容易得出錯誤的結果。逐路開斷后錯誤認為接地點位于GZDW系統(tǒng)內部，所以在情況不明時，必須同時斷開全部饋電回路來進行判斷。
5結束語
應該說直流系統(tǒng)相對于繼電保護是比較簡單的，只要我們從上到下重視它，認真學習和執(zhí)行電力系統(tǒng)關于直流系統(tǒng)的規(guī)程規(guī)定，是完全可以做到安全運行的。
參考文獻：[1] 孫成寶、徐海明等，直流設備檢修，北京，中國電力出版社，2003年。
作者簡介：王政（1977- ）， 男 ，本科，工程師，四川樂山電業(yè)局，從事繼電保護工作。
