第43卷第6期2020年12月
广西电力
GUANGXI ELECTRIC POWER
Vol.43No.6
Dec.2020
杨锋，张海，王东，陈家胜，何厚都
(广西电网有限责任公司玉林供电局，广西玉林537000)
摘要：对变电站直流系统失压原因进行分析，发现交流配电单元设计不合理、交流电源运行方式不合理、空开级差配合不当、蓄电池组开路、母联并列开关设计不合理等是引发直流系统失压的主要因素。针对发现问题，从提高充电机的可靠性、完善直流系统接线设计、加强蓄电池科学运维等方面提出解决措施，有效确保了直流系统安全稳定运行。
关键词：直流系统失压；蓄电池开路；解决措施
中图分类号：TM63文献标志码：B文章编号：1671-8380(2020)06-0026-05
Analysis of and Solutions to Loss—of^voltage of the DC System in
Substations
YANG Feng,ZHANG Hai,WANG Dong,CHEN Jiasheng,HE Houdu
(Yulin Power Supply Bureau,Guangxi Power Grid Co.,Ltd.,Guangxi Yulin537000,China)
Abstract:The causes of loss-of-voltage of the DC system in substations were analyzed.It was found that the unreasonable design of AC power distribution units and AC power supply operation mode,the improper stage difference coordination of air switches,the open circuit of storage batteries,the unreasonable design of bus tie switch and so on were the main factors that caused loss-of-voltage of the DC system.In response to the problems found,solutions are proposed from aspects of improving the reliability of the charger,the connection design of the DC system,and the science-based operation and maintenance of the storage batteries,so as to ensure the secure and stable operation of the DC system.
Key words:loss-of-voltage of the DC system;open circuit of battery;solution烟囱脱硫
变电站直流系统是给信号及远动设备、保护及自动装置、事故照明、断路器分合闸操作提供直流电源的设备。直流系统是一个独立的电源，在外部交流电中断的情况下，由蓄电池组继续提供直流电源，以保障系统设备正常运行。
直流系统的用电负荷极为重要，因此对供电的可靠性要求很高叭当系统发生故障且站用电中断时，如果直流系统失压，则无法可靠地为工作设备提供直流电源，将会产生不可估计的损失［2-4I o因此，分析变电站直流系统失压的原因，并且针对不同的原因进行相应的设计改进以及制定运行维护方案，对提高站用直流系统可靠性及电网的安全性具有非常重要的意义。
1变电站直流系统失压原因分析
图1为一充一电带降压硅链配置的直流系统原理图。蓄电池通常采用浮充方式，即常规情况下蓄电池处于小电流浮充状态，当发生断电等紧急情况时，蓄电池立刻由浮充状态切换为放电状态，为变电站的二次系统提供电源。在浮充方式下，只有蓄电池组开路、充电机失效同时发生才会导致直流系统失压，主要影响因素有交流配电单元设计不合理、交流电源运行方式不合理、空开级差配合不当、
收稿日期：2020-07-28
第43卷第6期
广西电力
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交流配电单元图1
直流系统原理图
电解臭氧发生器H HI
雷击浪涌吸收器
蓄电池组开路等。
1.1 交流配电单元设计不合理
交流配电单元由接触器和交流监控单元组成,
其原理图如图2所示。
交流监控单元负责测量2路交流输入电压、1
路直流电压，并负责将接触器状态传入集中监控器 作为管理电源和处理故障判断依据。
交流监控单元可根据测量的交流输入电压、方
式选择及监控器下达的指令控制交流的通断，实现
双电源互为备用。在系统正常运行时，交流监控单 元一般选择“互投”方式，当一路交流电源失电而 另一路电源正常时，自动切到另一路电源供电。交
流电源切换期间，会出现短时交流失压，即充电机
断电，蓄电池组由浮充状态转为放电状态，蓄电池
承担全部直流供电。若此时蓄电池组开路，交流监
接触器
I 段380V n 段380V
交流电源交流电源
交流监控单元
图2 交流配电单元原理图
控单元将失去工作电源（来自直流母线），则接触 器控制失效，无法切换到另一组交流电源，从而造 成直流系统永久性失压。因此，交流监控单元的工 作电源不应使用直流电源。
图3为接触器控制原理图。以接触器1为例,
其合上带充电机运行必须同时满足以下3个条件:
（1） 1段交流电源电压高于接触器1的最小动
作电压。接触器1控制电源采用1段交流电源的
某两相线电压，若1段交流电源线电压低于该接触 器线圈的最小动作电压，接触器无法吸合。
（2） 接触器2断开，其辅助常闭接点闭合。有
些变电站两路站用交流电源的相位是不同的，为了
防止两路交流电源的接触器同时合上造成交流电
源环网运行，必须采取相应的闭锁措施。即在接触
器1的控制回路上串联接触器2的常闭接点，在接 触器2的控制回路上串联接触器1的常闭接点，实
现相互闭锁功能。
（3） 接触器控制接点闭合。即没有交流输入过
/欠压、交流输入缺相的情况。
通常交流输入过/欠压值由集中监控器设定,
若电压设定不合理，当电网电压波动时，接触器被 强制断开，充电机因交流失压而停运，此时蓄电池
组存在开路就会引起直流失压。因此，集中监控器 不应控制交流监控单元。
1.2 交流电源运行方式不合理
图4为典型的站用交流系统接线图。通常情
况下，i 号站变供交流I 段、2号站变供交流n 段,
母联400断路器断开。有些变电站只有单台主变,
1号站变用的是本站的电源，2号站变用的是外来 电源，为了保证可靠性，常采用以下运行方式：母联
断路器400合上、402断路器断开，备自投方式采
用“进线备投”。当1号站用变故障时，两段交流
母线均会出现短时失压。例如：2018年8月18日
28杨锋，等：变电站直流系统失压原因分析及对策措施Vol.43No.6
06时58分12秒，某220炸变电站某条110kV线
路发生三相短路故障，保护动作跳开线路断路器,
但重合闸未动，保护无任何信息。该故障发生后,
llOkV母线三相电压降至0,10kV母线电压（即
I段站用交流电源）非常低，两套直流系统均失去
交流电源，充电机闭锁。而在此期间1号蓄电池组
中的某个蓄电池存在开路，造成I段直流电源失
压，最终导致该线路重合失败。可见，该运行方式
不合理，在这种情况下应该采用401、402断路器
合上、母联400断路器断开的方式，这样可避免两
段交流在故障时同时失压。
至1号站用变至2号站用变
\X401\X402
400
：1QF，弋'、：1QF2弋；1QF”\：2QF]\
'、
;2QF2\：2QF”
1号充电屏12号充电屏1其它交1号充电屏22号充电屏2其它交路交流输入路交流输入流负荷路交流输入路交流输入流负荷图4典型站用交流系统接线图
此外，在双直流系统配置的变电站中，1号直流屏I段交流、2号直流屏I段交流取自交流I 段，1号直流屏n段交流、2号直流屏n段交流取自交流:n段。而直流系统中交流配电单元往往选择交流I段运行、交流:n段备用。当站用变切换试验、低压备自投试验或者其它故障导致1号站用变失压时，两套直流系统均会切换到交流:n段，每次切换会出现短时交流失压，即充电机断电，若此时两组蓄电池均存在开路就会导致瞬时的全站直流失压问题。因此，在双直流电源系统配置的变电站中，1号直流系统交流配电单元应选择交流I段运行、交流:n段备用；2号直流系统的交流配电单元应选择交流:n段运行、交流I段备用。
1.3空开级差配合不当
图5为某110k V变电站的直流系统接线。充电机最大输出电流为40A,10kV合闸能源空开额定电流为63A，充电机输出开关额定电流为80A。当10 k V某线路高压开关柜故障造成柜顶合闸母线绝缘受损短路，由于直流母线并未完全金属短路，此时直流母线短路电流大于40A但又未达到10kV合闸能源空开短路跳闸值63A，从而使直流充电机闭锁输出。而此时蓄电池组中的10号蓄电池存在开路，使得双电源同时消失，造成站用直流系统失压，最终导致1号主变保护装置失电而未能快速隔离故障。
合闸电
源空开
厶=63A
合闸电源1号主变保护屏
|绝缘监控器|®
保护控制［
电源空开
厶=16A1
集中监控器
交
流
配
电
单
元
雷
击
浪
涌
吸
收
器
图5某110k V变电站的直流系统接线图高速车针
1.4蓄电池组开路
蓄电池开路是直流系统开路的最根本原因。蓄电池本身作为备用电源，一旦开路，后备电源不复存在，双电源形式变成单电源。蓄电池组开路主要分为蓄电池组脱离母线和单个蓄电池开路两种形式。
蓄电池组脱离母线的情况大多发生在施工或者定检过后蓄电池组没有正确接入母线。如: 2016年某330kV变电站变压器爆炸事故就是由于蓄电池更换后没有接入母线并且失去交流电源导致事故扩大；某220k V变电站在做蓄电池核容定检时，退出原蓄电池后接入备用电池，由于备用蓄电池在放电过程中接线脱落，而在此期间又发生站用电开关脱扣（直流电保持），从而导致交流直流双失压。
单个蓄电池开路可分为完全开路、未完全开路。完全开路的蓄电池，内部负极汇流排因被腐蚀断裂或者活性物质失效已经没有放电能力，在放电时呈现出极大的内阻特性；未完全开路的蓄电池，大多在
浮充状态时电压稍偏高，有些甚至可以支撑短时间的放电。直流系统失压多数发生在未完全开路的蓄电池上，正常运行时仅依靠测量蓄电池浮
第43卷第6期广西电力29
充电压很难发现问题，当外部发生故障交流失压后，未完全开路的蓄电池会转变成完全开路的蓄电池，整段直流跟着失压。
1.5母联并列开关设计不合理软性电路板
母联并列开关设计不合理，在操作母联并列开关时也可能导致直流失压。图6中，直流系统配置两组蓄电池、两组充电装置，采用单母分段接线，两段直流母线直接采用联络电器实现互联。从图6来看，直流系统无专用的分段联络开关，1L1、2L2均为双向投切开关兼具母联联络功能。正常运行时I、II段直流母线分裂运行，各带1组充电装置和1组蓄电池，即1L1带I段母线（1L1的1/2、3/4接点接通，5/6、7/8接点断开），2L2带口段母线（2L2的1/2、3/4接点接通，5/6、7/8接点断开）。当进行母线切换时，如从I段切换至:D段，在这个过程中，I段直流母线会存在短时蓄电池脱离母线，即存在直流系统短时失压的风险。
图6母联并列开关设计原理
2提高变电站直流系统可靠性的应对策略2.1提高充电机的可靠性
要提高充电机的可靠性，首先要提高交流供电的可靠性，具体可采取以下措施：
（1）监控器对交流配电单元仅仅起到监视作用，因此交流配电单元应取消监控器的控制回路。
（2）充电模块允许宽范围的输入电压，监控器不应下达充电模块关机命令。
（3）站用交流电应尽可能采用ATS进行切换，这样无论是站用变倒闸操作还是10k V备自投动作均不影响直流系统的交流电源。
（4）直流屏既要有充电模块，又要有控制模块或载波稳压器，且两类模块应取自不同的交流电源。这样，即使蓄电池损坏时，任何一路交流电源失电均不会影响直流输出，整个直流系统的运行可靠性将大大提高。
2.2改善交流电源的运行方式
对站用交流电源采用“双母单分段进线备投”的接线方式，应采用各个站用变带1段母线分列运行，备投采用“分段备投”，这样可避免两段交流在故障时同时失压。此外，在双直流系统的变电站中，1号直流系统交流配电单元应选择交流I段运行、交流:n段备用；2号直流系统交流配电单元应选择交流:n段运行、交流I段备用。
2.3完善直流系统设计接线
新建变电站直流电源系统接线形式应统一规划，电池容量及回路应按照远期规划预留，变电站直流电源系统网络宜采用辐射供电方式。例如：对于只有1组蓄电池的直流系统，推荐采用单母线或单母线
分段接线，使系统接线更加简单，运行也更加可靠；而配置两组蓄电池、两组充电装置的直流系统，推荐采用单母分段接线，两段直流母线直接设计联络电器，母联并列开关应用专用的隔离开关，同时应避免操作时蓄电池组短时脱离母线。
2.4满足上下级保护电器的级差要求
直流系统中直流断路器等保护电器的选型和动作值整定以及上、下级保护之间的选择性配合，将直接影响直流系统以及站内其他一、二次设备的安全稳定运行［5-6I o按照相关规程进行计算，发现同一厂家的设备能比较准确地得到级差等参数的选择结果。但是在新建变电站中，直流系统中各级保护电器无法选择同一厂家设备，因此应统一考虑、规范计算保护装置直流空开参数，并严格按照上下级3级以上级差配合。除此以外还应考虑充电机输出电流与下级空开的配合，如充电机最大输出电流为40A,10k V合闸能源空开额定电流为63A，虽然满足了设计规范的要求，但是在负荷侧发生非金属性短路时，可能会出现空开不跳闸反而是充电机闭锁的情况。
2.5蓄电池科学运维
从上文分析中可以看到，任何一次直流系统失压都存在蓄电池开路的情况，因此建议采取以下运维方法来防止蓄电池开路。
（1）定期开展蓄电池核容放电试验
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蓄电池在浮充运行过程中会发生老化失效，如何准确地判断蓄电池容量并及时发现失效蓄电池
30杨锋，等：变电站直流系统失压原因分析及对策措施Vol.43No.6
对于提高变电站运行的安全性具有重要意义。核容放电是准确测量蓄电池容量的有效方法叫投运4年内的蓄电池应每2年进行1次核容放电，投运4年以上的蓄电池应每年进行1次核容放电。发现蓄电池容量不足时应及时更换。重要变电站应适当缩短蓄电池核容放电周期，以便及时发现问题。
（2）做好蓄电池日常巡视
蓄电池失效与蓄电池的浮充电压、内阻等相关。浮充电压设置应参考厂家给定参数，如设置过高容易引起蓄电池失水、极板腐蚀等，设置过低则使蓄电池长期处于欠充状态。运行环境温度过高也容易引起蓄电池失水、热失控等，应保持蓄电池的运行温度在15-40r，并随着温度变化对蓄电池浮充电压进行温度补偿。蓄电池失效后，内阻会显著增大，在日常维护中要记录内阻，并对变化比较大的蓄电池进行放电试验。
（3）定期开展蓄电池均浮充转换试验
蓄电池组由浮充转到均充时，充电机输出电压比蓄电池组高，此时应出现1个短时的蓄电池充电电流，若没有电流，则说明蓄电池组开路或者没有接入母线；均充几分钟后转入浮充，此时蓄电池组电压比充电机高，应出现蓄电池放电供直流负荷用，若没有电流或者电流瞬间消失，则说明蓄电池开路或者已经老化。同样地，在站用变倒闸操作、10kV与35k V备自投试验前也应该做1次均浮充转换试验。
（4）增加在线监控功能
在线监控应增加内阻测试、电压测试、温度测试，综合预测蓄电池的剩余容量和蓄电池的健康状态，通过在线监控和远程智能管理，及时发现问题蓄电池并采取相应的措施，以避免蓄电池继续恶化。
（5）增加蓄电池开路的在线监测设备
蓄电池开路在线监测可以分为电流法和电压法。电流法就是在线测试蓄电池能不能放电，蓄电池开路时是没有电流输出的；电压法就是采集各个蓄电池的电压并与充电机输出电压比较，正常时两者电压应相等，若蓄电池开路，整组蓄电池将处于静置状态，其电压比充电机输出电压低，据此可以判断蓄电池是否已经开路。
3结语
变电站直流系统失压的原因众多，有设计上的缺陷，也有操作、运维不当等。通过完善直流系统的设计、提高运维人员技术水平以及制定合理的运维策略，能有效避免事故发生。
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作者简介：
杨锋（1986），男，工程师，硕士研究生，主要从事继电保护装置的运行维护工作；
张海（1981），男，工程师，本科，主要从事继电保护装置的运行维护工作；
王东（1991），男，工程师，本科，主要从事继电保护装置的运行维护工作；
陈家胜（1990），男，工程师，本科，主要从事继电保护装置的运行维护工作；
何厚都（1989），男，工程师，本科，主要从事继电保护装置的运行维护工作。
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