孙成宝[1]、徐海明[2] [1]乐山电业局；[2]大连理工大学 

 
　　[摘  要]介绍GZDW型智能高频开关直流电源系统组成及工作原理和它的运行与维护；在运行与维护中常见故障的处理。

1 、引言
　　在变电站中，直流电源是核心，为断路器分合闸及二次回路中的仪表、继电保护和事故照明等提供直流电源，它的重要性就可想而知了，它就相当于是变电站整个二次系统的心脏，为二次系统的正常运行提供动力。但是很多二次技术人员都只对变电站的保护回路及控制回路等比较重视而对为继电保护回路提供能量的直流系统的重要性就忽视了。平时维护一般只是进行一些简单的蓄电池电压测试和绝缘监视等。这就使直流系统往往运行在不可控的状态，这是相当危险的。下面简单谈一下直流系统的组成及工作原理和它的运行与维护。

2 、典型GZDW直流系 统的组成及工作原理
　　直流系统主要由充电模块、控制单元、直流馈电单元（合闸回路、控制回路、保护回路、信号回路、公用回路以及事故照明回路等）、降压单元、绝缘监测、蓄电池组等组成。其中最主要的设备就是充电模块和蓄电池组。近年来，随着电力技术的发展，高频开关模块型充电装置已逐步取代相控型充电装置，而阀控式密封铅酸蓄电池已逐步取代固定型铅酸蓄电池。
　　电力系统现在使用的高频开关电源整流系统比较老式直流系统的最大区别是模块化配置，比如GZDW型智能高频开关直流电源系统根据功能可划分为高频开关整流模块、监控模块、配电监控模块、调压硅链模块、绝缘监测模块、交流配电单元、蓄电池监测仪、蓄电池组、馈电单元几部分。图1  系统原理框图

图1  系统原理框图

　　下面简单分析各个部分的工作原理和功能。
　　交流配电单元:直流系统一般都有两路交流电输入，正常时交流电输入切换开关置于“自动”位置， 1路工作，2路备用，交流电经交流输入空气开关、交流接触器、避雷器等送至各个充电模块。
　　高频开关充电模块：三相三线交流电380VAC经三相整流桥整流后变成脉动的直流，在滤波电容和电感组成的LC滤波电路的作用下，输出约520VDC（2.34X220）左右的直流电压，再逆变为高频电压并整流为40KHZ的高频脉宽调制脉冲电压波，最后经过高频整流，滤波后变为220VDC的直流电压，经隔离二极管隔离后输出，一方面给蓄电池充电，另一方面给直流负载提供正常工作电流。充电模块内部有监控板能监视、控制模块运行情况。由于充电模块本身具有CPU，充电模块也可以脱离监控模块独立运行。
　　调压硅链模块：充电模块在蓄电池浮充时输出一般约为240VDC左右（2.0~2.25X2V为单体的电池个数），在蓄电池均充时一般约为250VDC左右（2.3~2.35X2V为单体的电池个数）送至合闸母线，蓄电池则经蓄电池总保险送至合闸母线，正常时调压硅链的控制开关置于“自动”位置，经硅链自动降压后输出稳定的220VDC，送至控制母线，以上两部分共同组成直流输出系统。当自动调压模块控制电路发生故障时，可以通过手动调整，使其输出在合理范围内。调压硅链模块实际分五组，每组由10个硅二极管组成，每组可降0.7X10=7V，五组总共可降5X7V=35V电压。调压硅链模块设计余度较大，其输出电流可短时间超出额定值的2～3倍而不至于立刻烧毁硅链。调压硅链模块要是断开，整个控制母线就无电压，也就是整个二次设备无直流电源。现在有种接线方式是在控制母线也挂一个充电模块，设置为手动状态，输出电压调为220V，作为调压硅链模块坏时的备用。
　　配电监控模块：主要是对交流输入和直流输出的监控，可检测三相交流输入电压，蓄电池组端口电压，蓄电池充/放电电流，合闸母线电压，控制母线电压，负载总电流；并且实现空气开关跳闸，防雷器损坏，蓄电池组电压过高/过低，蓄电池组充电过流，蓄电池组熔丝断，合闸母线过/欠压，控制母线过/欠压，各输出支路断路等故障告警。
　　绝缘监测模块：用于监控直流系统电压及其绝缘情况，在直流系统出现绝缘强度降低（220V直流电压系统一般为低于25KW，110V直流电压系统一般为低于7KW）等异常情况下，发出声光告警，并能找出对应的支路号和对应的电阻值。
　　监控模块：用于对充电模块的监控板、配电监控模块、绝缘监测模块等下级智能监控模块实施数据搜集并加以显示；也可根据系统的各种设置参数进行告警处理、历史数据管理等；同时对这些处理结果加以判断，根据不同的情况进行电池管理，输出控制和故障回叫等操作；此外还包括LCD、键盘等人机界面设备；可实现与后台机的通讯，将数据上传。
　　蓄电池组：作为全站直流系统的后备电源，在充电模块停止工作时，蓄电池无间断的向直流母线送电；此外，在电磁式断路器进行合闸操作时，合闸电流大于100A，此时蓄电池成为合闸电源。                                                                
　　GZDW型智能高频开关直流电源系统自动控制的正常运行程序过程为：
　　充电装置正常时浮充电运行，根据需要设定时间（一般为3个月）采用1.0I10充电电流进行恒流充电，当蓄电池组端电压上升到限压值时（2.3~2.35X2V为单体的电池个数），自动转为电压为（2.3~2.35X2V为单体的电池个数）的恒压充电，1.0I10充电电流逐渐减小，当充电电流减小至0.03~0.05I10电流值时充电装置倒计时开始启动，当整定的倒计时结束时，充电装置将自动转为正常的浮充电运行，这就完成一个循环，使蓄电池随时具有满容量状态，确保直流电源运行的安全可靠。
　　正常浮充运行 1~3个月    恒流充电 电压升至整定值   恒压充电  电流减小至整定值    正常浮充运行                                               

3、 直流系统的运行与维护
　　现在电力系统的变电站一般都是无人值守的，GZDW型智能高频开关直流电源系统可通过监控串口与变电站后台的监控实现通讯，可在调度端实现对直流系统的“三遥”。但还是需要定期进行一般性的清扫、日常检查等工作。一般220KV及以上变电站按照每天一次，110KV变电站按照一周两次进行周期巡视。
　　在下列情况时要加强巡视：
　1、  新投运的设备；
　2、  在高温季节、高峰负荷期间和电磁式开关动作频繁时；
　3、  在雷雨季节有雷电发生后；
　4、  在直流系统或蓄电池的工况不良时；
　5、  特殊用电期间。
　　由于直流电压为220VDC，在日常维护中，即使无交流电源接入，系统也处于带电状况。考虑到220V电源对操作人员及设备安全均有一定的危险性，直流回路最怕正极和负极间短路，工作时应戴绝缘手套，使用绝缘工具，必须防止麻痹大意所造成的人身或系统事故。

　3.1 直流屏室和蓄电池室的管理
　　基本要求：保障室内环境的温度、相对湿度、洁净度、静电干扰、噪声、强电电磁干扰等要素符合机房内电源设备和控制设备的要求，保障设备的性能的稳定、运行可靠、生产安全，保障控制设备的正常供电和蓄电池的应急放电；保障设备的机械性能完好，设备电气性能符合标准要求，设备运行稳定可靠，与设备相关的技术资料、原始记录齐全。
蓄电池组室应安装空调保证温度应在25°C左右，温度对蓄电池的寿命影响较大，若在35°C 及以上的持续温度下运行，预期寿命减少一半。温度过低，充电时产生氢气使内压增高，电解液减少，蓄电池寿命也将缩短。
　3.2充电装置的运行及维护
　　运行人员或专职直流维护人员应对充电设备进行如下的巡视检查：三相交流输入电压是否平衡或缺相，运行噪声有无异常，各保护信号是否正常，直流输出电压值（合母、控母）和电流值是否正确，各充电模块的输出电流是否均流，正负母线对地的绝缘是否良好，装置通讯是否正常等。
　　运行人员或专职直流维护人员特别要注意充电模块自动均充是否准时定期，均充时的充电电流和充电电压是否正确；雷电发生后应及时检查直流装置的防雷装置和充电装置工作是否正常；每月对充电装置作一次清洁除尘工作。
充电装置内部故障时，应及时把故障充电装置取下退出运行，这就是模块化配置的好处，在设计上采用N+1的方式，少一个充电装置不影响运行，应及时把坏的充电装置返厂家修理，这期间加强对直流装置的巡视。
　3.3 蓄电池的运行及维护   
　　500KV变电站一般装设两组蓄电池，可互为备用。220KV、110KV一般装设一组蓄电池，其实在有条件时220KV最好装设两组蓄电池，因220KV的继电保护装置是双重化的，从电流互感器二次侧到断路器跳闸线圈都是双重化，因此，直流系统也宜相应的设置两组，分别对两套保护及跳闸线圈供电，以利系统安全运行。                        
　　在正常运行情况下，变电站的二次设备只需由充电模块来供电就行了。现有的变电站，断路器一般有电磁合闸方式和储能合闸方式两种。在电磁式断路器进行合闸操作时，要求直流电源能提供瞬时的合闸电流（20~200ms内提供数百安培的大电流），显然仅由充电模块来供电是远远不够的，这时蓄电池组就发挥了重要的作用，它能无间断地提供大电流，保证断路器的正常合闸，这也是直流系统为什么要有合闸母线的原因了。在储能合闸方式下，合闸电流远小于充电模块的额定输出电流，不用蓄电池来合闸。现在新建的变电站一般都是这种储能式的断路器，这时直流系统也就可以不要合闸母线。
　　当电网事故，必然使交流输入电压下降，当充电模块不能正常工作时，蓄电池无间断的向直流母线送电，毫不影响直流电源屏的对外功能，保证二次设备和断路器的正确动作，确保电网的安全运行。而作为最后保障的蓄电池，如果其容量的不足将会产生严重后果。所以，蓄电池的重要性就就可想而之了，其维护、在线监测一直是大家最为关心的问题。
　　电池巡检仪作为在线监测装置，可实时发现落后或故障电池，并可检测电池组的温度是否处于正常范围内，但直流系统工作时输出电流较小，电池容量的不足或漏液、破损很难通过电池巡检仪发现，而电池内阻和电池容量的在线测试，准确度依旧不高，其测量精度和可靠程度通常只用于定性分析。所以还是需要运行人员或专职直流维护人员对蓄电池进行巡视。
　　巡视项目如下：检查蓄电池连接片有无松动和腐蚀现象，壳体有无渗漏和变形，是否清洁；极柱与安全阀周围是否有酸雾溢出；绝缘电阻是否下降；蓄电池温度是否正常25°C左右；测试单只蓄电池电压和内阻（一般为几~十几mΩ）是否正常。
　　最好能每半月进行一次断开直流系统交流输入电源，让蓄电池来供电，10分钟后测试合母电压（也就是蓄电池组端电压）和控母电压及直流电流是否正常。以此来保证作为最后保障的蓄电池工作正常。
　　还要注意对备用搁置的蓄电池的维护，因蓄电池要自放电而减少容量，应用便携式充电机每3个月进行一次补充充电。
　　由于电池品牌、型号及电池状况的不同，应根据实际情况通过监控模块重新调整电池充电参数，以保证电池处于良好工作状态。蓄电池寿命一般为10年左右，影响蓄电池寿命的主要因素有：1、过放电2、放电电流过大或过小，一般应用I10（蓄电池的额定容量/10）的放电电流3、浮充电压设置不合理4、充电电流过大或过小，一般应用I10（蓄电池的额定容量/10）的充电电流5、充电设备的性能6、温度。
　　通常以标准温度25°C下10h放电率（I10）的容量为蓄电池的额定容量。核对性放电用I10的放电电流放电5小时，2V的蓄电池端电压不低于2V则蓄电池容量合格。全核对性放电用I10的放电电流放电10小时，2V的蓄电池端电压不低于1.8V则蓄电池容量合格。新安装的蓄电池在补充电后，应进行全核对性放电实验，以考核电池容量。变电站只有一组蓄电池时，在运行中一般用核对性放电来考核蓄电池的容量是否合格，周期可为1-2-2-1方式。即新投运1年内进行一次，此后每2年进行一次，运行5年后每年进行一次。
　　在核对性放电中需要注意以下几点：
　1、为了确保直流系统运行的安全可靠，蓄电池不能退出运行，当有单只蓄电池端电压低于2V或蓄电池组端电压降至2X N（2V为单体的电池个数）时应立即停止放电进行补充充电。
　2、放电器电流=I10-全站直流负载电流，这样总的放电电流才是I10。
　3、变电站内有电磁式断路器退出它的重合闸或者备自投装置，并且这期间不要合电磁式断路器。
　4、当有单只蓄电池端电压低于2V，其内阻大于正常时，说明这只蓄电池的容量已不足，不能正常运行。因为蓄电池组都是串联的，这只蓄电池的内阻增大，它内阻的分压就大，当大到一定的值时，就会蓄电池组不能输出。这时需要立即把它取下退出运行。怎么取下呢？不能直接把该蓄电池的连线断开，这样整个蓄电池组就退出运行了，这是非常危险。我向大家推荐一种方法，就是事先准备好一个大功率的二极管，二极管的P极与该蓄电池的负极连线的另一端连接好，二极管的N极与该蓄电池的正极连线的另一端连接好，这样该蓄电池就被二极管短接，再断开该蓄电池的连线，取下蓄电池，把连线接好，取下二极管即可，这样就不会影响蓄电池组正常运行。这时还需要重新调整监控模块的蓄电池充电参数，因为少了一个蓄电池充电参数相应的也要变小，否则对剩下蓄电池就会出现过充。单体蓄电池是2V的最少只数为103只，单体蓄电池是12V的最少只数为17只。

4 常见系统故障的原因及处理
　　直流系统的故障有很多，就不一一列出了，只举几个常见的故障。
　4.1 阀控蓄电池的故障和处理
　　1）  阀控蓄电池壳体鼓胀变形
　　造成的原因有：充电电流过大，充电电压超过了2.4V X N(2V为单体的电池个数)；蓄电池内部有短路或局部放电等造成温升超标；阀控失灵使蓄电池不能实现高压排气，内部压力超标等。处理方法：进行核对性放电，容量达不到额定值80%以上的蓄电池应进行更换；运行中减少充电电流，降低充电电压，检查安全阀体是否堵死。
　　2）  浮充电时，蓄电池电压偏差较大（大于平均值±0.05V）
　　造成的原因：蓄电池制造过程分散性大；存放时间长，又没按规定补充电。处理方法：质量问题，应更换不合格产品；存放问题，应按要求进行全容量反复充放2~3次，使蓄电池恢复容量，减少电压的偏差值。
　　3）  运行中浮充电压正常，但一放电，电压很快下降到终止电压值
　　造成的原因：蓄电池内部失水干，电解物质变质。处理方法是更换蓄电池。
　　4）  核对性放电时，蓄电池放不出额定容量
　　造成的原因：蓄电池长期欠充电，单体蓄电池电压浮充时低于2.23~2.28V，造成极板硫酸盐化；深度放电频繁（如每月一次）；蓄电池放电后没有立即充电，极板硫酸盐化。处理方法：浮充电压运行时，单体蓄电池电压应保持在2.23~2.28V；避免深度放电；对核对性放电达不到额定容量的蓄电池，应进行3次核对性放电，若容量仍达不到额定容量的80%以上，应更换蓄电池组。
　4.2 系统监控故障和处理
   　GZDW系统监控模块核心由486CPU的工控主板组成，监控模块作为系统数据存储处理的中心，汇集了系统所需的全部数据和信息。通常造成监控告警的主要原因有：
　　（1）系统硬件、软件故障；（2）错误的系统设置；（3）用户端产生的告警信息。
　　日常维护中大部分告警信息都可通过监控器的相应记录进行查询。系统电气故障应更换相应器件，用户端故障则由各制造商作出相应处理。受直流系统的工作环境和操作过程影响，少数情况下外界干扰或监控内部硬件“瞬间故障”可能造成系统误告警或监控死机现象。出现无法自动恢复的软件故障可通过系统菜单中所提供的“初始化”功能对监控器进行重新设置，需注意的是初始化后系统参数必须重新输入。所以系统调试开通后，户应记录下所需的参数设置。如“初始化”无法排除系统故障，则必须将其退出运行，由厂方专业人员进行检查修复。
　　监控系统另一类常见故障是通信故障，GZDW系统采用的是RS422串行隔离通信口进行内部通信。RS422采用全双工平行驱动和差分输入方式进行数据传送，系统抑制共模干扰能力强、通讯速率高，各监控单元信号可实时传输。由于系统采用询问方式进行通信，当整流模块或检测装置内部故障时，工控机未能按时收到其反馈信息。监控程序会作出短时间的等待，通信速度会有所降低。如连续3次未能收到协议规定格式的反锅诈，工控机将显示相应单元通信不畅。造成通讯不畅通无阻原因较多，常用解决方法为：
　　（1）检查对应设备是否已开机工作，通讯线是否联接好，若否，则开启相应设备，联接好通讯线；（2）检查主监控“系统配置”和“设备配置”各参数设置是否与实际情况一致。若否，则参照基本操作修改相应参数设置；（3）如果是整流模块通讯不畅，则在上述基础上再检查各整流模块地址号是否有重叠，以及地址号与主监控“设备配置”中模块号设置是否一致。若否，应参照基本操作重新设置地址号及模块号。
　
　4.3 直流系统绝缘故障和处理
　　直流系统的正、负母线绝缘电阻均不能低于规定门限值，当任何一点出现接地故障时将会打乱变电站的整个正常运行秩序，造成控制、信号、保护的严重紊乱，必须迅速排除故障，以免出现两点同时接地短路而造成的直流系统熔断器熔断及使断路器出现误动、拒动等。
　　GZDW系统绝缘监测有母线监察和支路巡查两种方式。母线监测式仅监测母排同保护地间绝缘电阻的变化情况。支路巡查则可同时监测母排和各支路的绝缘状况，并作出相应告警。
发生绝缘告警的主要原因有以下：其分路出线受潮、破损或负载设备安装错误； GZDW系统在运输、开箱、安装过程中出现的导电异物等。
　　查找直流接地故障的一般顺序：
　　（1）分清接地故障的极性，粗约分析故障发生的原因：长时阴雨天气，会使直流系统绝缘受潮，室外端子箱、机构箱、接线盒是否因密封不良进水等；站内二次回路上有无人员在工作、是否与工作有关。
　　（2）将直流系统分成几个不相联系的部分，即用分网法缩小查找范围。
　　（3）对于不太重要的直流负荷及不能转移的分路，利用“瞬停法”（一般不应超过3s），各站应根据本站情况在现场运规中制定拉路顺序；对于较重要的直流负荷，用转移负荷法，查找该分路所带回路有无接地。
　　（4）如果接地点是在GZDW系统内，可以采用逐段排除来确认告警具体位置。具体方法是：依次抽出充电模块；断开各功能单元和母线间的熔断器连接；断开蓄电池接入开关。分段、分步测量故障母线同保护地间的电压状况。通常，GZDW系统出厂后发生电气故障可能性较小，在找出“故障段”后，其故障点多可通过目测直接发现。
　　（5）确定接地点所在部位后，再逐步缩小范围认真查找，直到查出接地点并消除为止。
在实际工作中，由于直流输出通常不便全部同时断开，一般采用断开一回路，立刻判断故障是否消失，若告警依旧，立刻合上此输出馈路，再断开另一回路，重复以上过程来判断接地点。由于站内负载间可能存在环路电阻R,当R小于绝缘电阻告警门限值或多路同时告警的时候，此种方式容易得出错误的结果。逐路开断后错误认为接地点位于GZDW系统内部，所以在情况不明时，必须同时断开全部馈电回路来进行判断。

5结束语
　　应该说直流系统相对于继电保护是比较简单的，只要我们从上到下重视它，认真学习和执行电力系统关于直流系统的规程规定，是完全可以做到安全运行的。

    参考文献：[1]　孙成宝、徐海明等，直流设备检修，北京，中国电力出版社，2003年。
 
　　作者简介：王政（1977- ）， 男 ，本科，工程师，四川乐山电业局，从事继电保护工作。