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直流电源装置工作原理及接地故障分析

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【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

直流电源装置工作原理及接地故障分析

直流电源装置工作原理及系统接地故障案例分析

一、直流电源装置工作原理

1　高频开关电源工作原理

　　MK－50智能型高频开关电源采用免维护铅酸阀控蓄电池作为电源，具有寿命长、无污染、体积小等优点。

采用高频开关斩波直流变换器和先进的PWM脉宽调制技术，确保电力系统连续稳定供电。

供电线路采用充电模块与稳压模块并联运行方式，输入的交流主电源经三相桥整流、滤波后，一路经充电模块对电池进行恒压限流充电，另一路经稳压模块连接到直流母线上。

电气原理见图1。

　　图1直流电源电气原理框图

　　1QF主电源输入断路器3QF电池充放电断路器

4QF控制母线输出断路器5QF合闸母线输出断路器

1KM主电源输入接触器3KM进线接触器　4KM维护旁路接触器

　　电池与合闸直流母线是永久连接的，在正常工作条件下，它从主电源上获取电能进行充电。

对于双路电源进线系统，当主电源停电时，系统可自动切换到备用电源供电；当交流电源停电时，电池经稳压模块或硅堆向负荷供电。

手动旁路开关可以将维修旁路与输出负荷直接连接起来，勿需中断对负荷的供电即可维修本直流电源。

当主电源恢复正常供电后，系统自动恢复到初始状态。

2监控系统简介

　　MK－50智能型高频开关电源，采用PLC作为直流电源的监控系统以及和用户之间的通讯接口。

监控系统提供了设备的操作、控制、参数测试、运行状态和故障报警的所有信息，主要由智能操作显示单元、微处理器控制单元、模拟量转换单元（A/D、D/A）、紧急断电按钮（SB）等部件组成。

系统简介

　　智能操作显示单元的触摸式液晶显示屏可进行系统操作，并能显示所有与直流电源有关的信息，包括电气参数显示、直流电源工作状态、故障存储以及报警等。

投入使用后，液晶显示屏出现主屏幕信息，按“菜单”键即可进入菜单选择屏幕。

　系统的监控功能

2.2.1　系统操作在菜单选择屏幕状态下，按“操作”键进入系统操作屏幕，进行充电方式选择及“系统启动”和“系统停止”操作。

根据所选择的充电方式自动对充电电压和控制母线输出电压进行设定。

　参数设定和参数显示在菜单选择屏幕状态下，按“参数”键进入参数设定和参数显示屏幕。

主要参数有：

充电电压，充（放）电电流，输出电压，输出电流。

故障存储显示及报警在菜单选择屏幕状态下，按“故障查询”键进入故障存储显示屏幕。

按“查询”键，便可查询故障发生的内容及发生时间。

系统状态在菜单选择屏幕下，按“系统状态”键进入系统状态屏幕，又细分为“控制母线”、“合闸母线”和“电源状态”画面，可分别监察电源工作状态及各分路断路器的分合状态。

3　直流电源的运行状态

正常运行

采用交流电源供电时，整流器将交流电转变成直流电，经过整流滤波后对电池组进行均衡充电或浮充电的同时，兼对控制母线负荷供电。

旁路电源投入运行

对直流电源进行检修时，可以断开与主电源的联系而不中断对系统供电，也不会影响负荷。

维修旁路允许完全停止充电模块和稳压模块的运行并实现电气隔离，在进行设备内部的检修时，不致对技术人员或维修人员造成任何危险。

交流电源断电时的运行

当交流电源断电时，直流控制母线上的电压是靠电池组放电来维持的，电池组经稳压模块对控制母线提供一个稳定的直流电压，此时不会因交流电源断电而影响负荷工作。

此外，硅堆在任何非正常的情况下，均会不间断地向控制母线供电。

4主要技术参数及应用效果

　　输入电压：

三相四线制，380V±20％

　　频率：

50Hz±10％

　　额定输出电压：

24V、48V、110V、220V

　　额定输出电流：

15～300A

　　稳压精度：

≤±％

　　稳流精度：

≤±％

　　稳波电压：

≤％

　　绝缘强度：

交流2000V，1min

　　控制技术：

15KHz，（PWM）脉宽调制技术

二、直流系统接地故障案例分析

1、直流接地概况

变电所直流系统比较复杂，它需要供给动力、照明、控制、信号、继电保护及自动装置等系统，且还须通过电缆线路与屋外配电装置的端子箱、操作机构箱连接，发生接地机会较多。

直流系统发生一点接地时，由于没有短路电流通过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。

但是这种故障必须及早发现并予以排除，否则当再发生另一点接地时，构成直流两点接地将会造成信号装置、保护装置及断路器的误动作，同时可能使继电器烧毁。

当系统中某一处发生单相接地时，绝缘监察装置报警，有一极对地电压很低甚至为零，另一极对地电压升高甚至为全电压。

电压降低的极发生接地。

图1输电线路过流保护的直流操作回路一极发生接地的情况

K1—电流继电器；K2—中间继电器；Y2—眺闸线圈

为了使直流系统绝缘保持在良好的情况下，要求：

*每一个二次回路对地绝缘电阻不应小于1兆欧（在比较潮湿的地区允许降低到兆欧）

*当直流系统的任一极对地绝缘电阻对于

220V系统：

R地<15~20kΩ

110V系统：

R地<4~6kΩ

48V系统：

R地<Ω时，应发出灯光和音响信号。

2、绝缘监察装置

1．1灯监视装置

＋_＋_

图2灯监视装置原理接线图图3检查直流系统绝缘时造成继电器误动作

优点：

简单、费用省

缺点：

（1）.直流回路绝缘接地时不能发出信号，只有检查时才能发现。

（2）.不能反映直流回路绝缘电阻数值。

（3）.任一极绝缘不良，经较大电阻接地时，灯亮案较难区分。

（4）.若在中间继电器ZJ前一点D接地，在按下按钮后电流较大，使大部分继电器误动。

．电压表监视装置

＋_＋_

图4电压表监视装置原理接线图图5电压表监视装置的测量分析

优点：

（1）设备简单，费用省。

（2）能测量每极对地的电压值，经过换算可检查对地绝缘电阻状况。

缺点：

（1）绝缘低或接地时不能发出报警。

（2）不能直接从电压表上读出绝缘电阻值。

直流电桥监测装置

+_

图5直流电桥监测装置原理图

本装置是根据直流电桥的工作原理构成的（见图其主要组成元件为电阻R1、R2和信号继电器XJJ。

电阻R1和R2数值相等（通常选用R1=R2=1000欧），并与直流系统正负极对地电阻R+与R-组成电桥的四个臂。

继电器XJJ则接于电桥的对角线上，相当于直流电桥中检流计的位置。

正常状态下直流母线正负极的对地绝缘电阻R+与R-相等，继电器XJJ线圈中只有微小的不平衡电流流过，继电器不动作。

当某一极的绝缘电阻下降时，电桥失去平衡，继电器的线圈中即有电流通过。

当此电流足够大时，继电器XJJ动作，其常开触点闭合，发出预告信号。

．通用绝缘监视装置

（1）用一只直流电压表2V和一只转换开关CK来切换，分别测出正极对地电压或负极对地电压值，如果直流系统绝缘良好且大于1兆欧，则在此两次测量中电压表2V的指针几乎停在零点。

如果负极绝缘降低，则在测量正极时就有电压指示，负极若完全接地，电压表就指示出直流母线工作电压。

1②③④⑤⑥⑦⑧

⑨

⑩

1②③④⑤⑥⑦⑧

三、直流接地自动选线装置

1、概述

发电厂和变电所直流系统比较复杂，而且通过电缆与配电装置的端子箱、操动机构等相连接，发生接地机会较多。

直流系统发生一点接地时，由于没有短路电流流过，熔断器不会熔断，仍能继续运行。

但如果这种单点接地故障不及时消除，继而发生两点接地，就有可能引起保护拒动或误动作跳闸。

我厂三降压站直流系统接地现象也时有发生，以前这几个降压站直流系统虽都装有传统的绝缘监察装置，但当系统发生接地或绝缘电阻低于一定值时，只能发出灯光和音响信号。

若要确定接地故障是哪一条回路，必须采用人工分段停电，逐个减小范围的方法进行查找。

这种方法不仅繁琐费时，而且在停电过程中，会增加保护误动、开关拒动或信号失灵的危险，容易引发事故。

近年来，国内有关院所已开发了一些直流绝缘监测装置。

由于这些装置大多需依靠对直流系统注入一交信号，装置通过电流传感器采入故障信号。

因而，这种装置的检测效果往往会受到系统中分布电容的影响。

针对上述存在问题，我们专门成立了技术攻关小组，广泛收集了国内外有关资料，对直流系统中各种接地情况进行了细致的分析，最后探寻了一种不需向被测系统注入任何信号的检测方法，并采用计算机技术对故障信号进行控制和处理，完善地解决了直流系统绝缘监测问题。

本装置只能在某一极绝缘下降到一定数值时自动发出信号，它由电阻1R、2R和一只内阻较高的继电器XJJ构成，当不测量母线对地电压时，电气接线图如图7所示。

1R和2R与正极对地绝缘电阻R3和负极对地电阻R4组成了电桥，XJJ相当于一个检流计，

如图8所示。

通常1R=2R=1千欧，正常时正、负极对地绝缘电阻都较大，可假设R3=R4，故XJJ线圈中没有电流流过，当电流足够大时，继电器动作，自动发出信号。

+_

图8绝缘监视部分的原理分析图9绝缘监视部分使继电器

误动的可能性分析

流过绝缘监视继电器XJJ线圈的电流IO，用有源两端定理，可解得（见图8）：

U（R3R1

IO=R3+R4R1+R2

R1RR3R4

R1+R2R3+R4

2检测原理

接地故障判别

本装置采用图1所示电路实现直流系统的绝缘监察。

图中R1、R2（R1=R2）与直流系统正负极对地绝缘电阻R+和R-组成电桥的四个臂。

绝缘监视继电器

K与可调电阻器RP（用来整定绝缘电阻报警值）及中间继电器J1常闭触点串联后接在电桥的对角线上，相当于直流电桥中检流计位置。

正常状态下，直流母线正负极的对地绝缘电阻R+与R-都较大，可视为相等，绝缘监视继电器K线圈中只有微小的不平衡电流流过，继电器不动作。

当某一极的绝缘电阻下降时，电桥失去平衡，此时，流过继电器K线圈的电流IK，可用有源两端网络定理解得：

U（-）

IK=（2-1）

式中U—直流母线电压；

Rj—继电器线圈电阻；

R+、R—直流正负极对地绝缘电阻；

RP—可调电阻器；

R1、R2—桥臂电阻。

当R1=R2=R时，则得：

IK=（2—2）

2R+R-+（2Rj+2RP+R）（R++R-）

从上式可见，直流系统绝缘正常时，R+=R-，IK=0，K不动作。

当系统中任一极的绝缘下降到一定值（在220V直流系统中，绝缘电阻一般整定在15～20kΩ），且使IK达到绝缘监视继电器K的动作电流时，继电器动作，其常开接点K接通，此时图1右边电路中A点电位由高电平变为低电平。

计算机测试到高速输入口为低电平时，装置即判别系统发生接地故障。

图10绝缘监察电路

由于装置中设有一人工接地点，这样当直流二次回路中任一中间继电器ZJ一端发生接地时（如图2中的B点），在绝缘监视继电器K、中间继电器ZJ及电源之间构成回路，回路中电流IK同时流过绝缘监视继电器和中间继电器。

为防止中间继电器误动作，其IK的值应保证绝缘监视继电器能可靠动作，而中间继电器不动作。

因此，绝缘监视继电器应选用高灵敏度继电器，其内阻要大于直流系统中任一中间继电器的内阻，以确保装置的可靠性。

图11绝缘监察部分使继电器误动作可能性分析

选线方法

前面我们已经阐述了判别直流系统是否有接地故障存在的方法。

但当系统发生接地故障后，如何确定是正极接地还是负极接地在哪一回路发生接地接地电阻为多大这些问题尚未解决。

I0

P

PE

图12故障信号获取电路

我们设计了一种可控电子开关，开关的一端与外部接地线相连，另一端经电阻R2与电源相连接构成回路，如图3所示。

图中左半部电子开关可在计算机控制下按一定频率通断直流电源E的正负端；右半部为直流系统中某一支路N，在该支路的供电线路上装有电流传感器模块T。

当直流系统正常时，支路中的负载电流I1=I2，而流过T中的合成电流为0（即∑I=0），电流传感器无信号输出。

当系统发生接地故障时（如图3中N支路的正端通过Rx接地，并且

Rx≤20kΩ），则电子开关P动作，从电源正极Rx地R2负极形成电流通路，并在N支路的正极回路中产生一个叠加电流Ix。

此时，电流传感器T中的∑I≠0，其二次就会产生一电流信号I0，此电流信号经装置采集后，根据故障电流的大小和方向，计算机就可算出接地电阻值和确定接地故障的性质（即为正极接地还是负极接地）。

接地电阻可根据下式求出：

U—nI0R2

Rx=（2—3）

nI0

式中n—传感器模块的电流比；

I0—传感器的二次电流（由装置采集）；

U—直流系统的电压值；

R2—电子开关负载电阻。

如在直流系统的每一支路中都装上电流传感器模块，装置便可进行巡回检测和完成故障线路的选线。

系统控制

本装置是根据计算机高速输入口电平的高低来判别直流系统绝缘是否良好，并通过计算机的高速输出口、以及相应的外围电路完成接地故障检测控制，如图4所示。

图中J1为中间继电器；TIL为光电耦合器；D1为保护二极管，限制TIL过电压；R4为限流电阻；G为电子开关P的使能端。

当直流系统出现接地故障时，计算机的高速输入口变为低电平。

软件控制计算机的高速输出口，延时输出高电平，经光耦TIL驱动继电器J1动作，其常闭接点打开（见图1），以隔离绝缘监察电路对选线回路的影响。

再由高速输出口延时输出一高电平，驱动电子开关P工作。

装置对直流系统进行巡回检测后，显示故障线路编号、接地电阻值并语音报警。

若故障排除，、先后转为“低”电平，J1继电器释放，电子开关P停止工作，装置进入监测高速输入口状态，或响应键盘操作。

R4

图13故障信号监测控制简图

3装置的特点和技术指标

特点

（1）数字显示：

发生接地时可显示直流回路编号，接地电阻值。

（2）时钟功能：

正常运行中，可显示时间，做到一机多用。

（3）判线速度快，无需人工干预。

（4）语言报警：

发生接地故障时，语音报出接地回路的极性及回路编号。

（5）记忆功能：

可记忆故障线路及接地发生时间。

（6）自检功能：

可自行检查内部故障。

（芯片级）

（7）自恢复功能：

抗干扰能力强。

（8）STD标准总线结构：

便于装置升级和维修。

（9）装置不向被监测的直流系统施加任何信号，不会对被测系统有任何影响。

（10）装置的检测速度和可靠性与被测系统的对地分布电容无关。

技术指标

（1）母线数：

2段

（2）出线数：

32路（可扩）

（3）系统数：

1~4相同或不同电压等级

（4）接地指示时间≤5秒

（5）电源：

交流220±10%V

4硬件结构

装置以单片机为核心，组成实时检测系统。

考虑到功能的扩展与维修方便，采用标准工业控制总线STDBUS设计。

装置主要由五块STD模板组成，系统结构如图5所示。

图14系统结构

4.1主控板

为提高装置的实时性和抗干扰能力，选用8098单片机为主控部件，它是一种高性能的16位单片机，内部无累加器结构，而是采用寄存器—寄存器结构，消除了累加器的瓶颈效应，操作速度和数据吞吐能力明显提高；另外它具有高效率的指令系统，最长指令执行时间为，最短只需2us;8098内部还配有自恢复电路、高速输入/输出口、脉宽调制输出以及10位A/D等，这对满足设计的技术指标提供了先决条件。

在主控板上设置了8K/16K程序存贮器，8K/16K/32K的数据存贮器，扩展了一片并行接口电路8155和打印机电路，使该模块具有键盘显示接口及打印机接口。

电路的结构框图见图6。

图15主控板结构框图

4.2A/D模板

A/D模板的主要功能是：

将输入的模拟量转换成数字量，以适应计算机对输入信号的要求。

电路由模拟开关、采样保持器、程控放大器、A/D转换器及各寄存器、控制器、驱动、缓冲、光电隔离器等构成，其结构框图如图7所示。

A/D转换器采用12位AD574芯片，分辨率为1/4096，转换时间为35us，非调整误差±1LSB，输入设定为双极性，采用双通道差分输入方式，其共模抑制比高，抗干扰能力强。

由于应用了光电隔离技术，使数据总线、地址总线以及控制总线与受测现场的A/D转换电路进行隔离，保证了STD总线系统能工作在平稳和安静的环境中；电路中设有程控放大增益1~256倍（可由软件控制），不但调整方便，而且也提高了转换精度。

信号处理板

信号处理板由绝缘监察、故障信号获取以及信号调理三部分组成。

当系统发生接地或绝缘电阻低于规定值时，绝缘监察电路发送一个故障信号至8098单片机的高速输入口，由高速输出口控制信号获取电路中的电子开关，使接地回路中传感器二次产生一个故障信号，经信号调理后送A/D进行转换。

信号处理板结构组成见图8。

绝缘监察

语音报警板

为使仪器的人机对话更直观，有利于值班人员对故障进行处理，设计了语音报警电路。

它与数字显示共同完成故障报警，并具有仪器自检应答功能。

报警电路由语音合成器芯片UM5100、语音数据库27512、缓冲锁存器74LS273、音频放大器LM324、LM386构成，其结构如图9所示。

先将所有故障语言信息及自检应答语言信息通过UM5100写入EPROM27512中（多片），建立语音数据库（此工作只需做一次，结构图中这部分框图未标出）。

装置检测到接地故障时，由主控板控制数据库与语音合成器，将该故障的语音数据信息还原成模拟电压信号，经放大后，由扬声器输出。

图17语音报警框图

键盘显示板

这是人机对话的主要部件，设置在仪器的面板上。

设计时应充分考虑面板简洁、自动化程度高、操作方便。

键盘显示电路采用可编程键盘显示管理芯片8279，硬件实现显示扫描、键盘扫描和键盘去抖动。

配合译码器、段选驱动器、位选驱动器、8段LED及小键盘组成6按键、6位LED模板（结构见图10）。

面板按键少（6只），设计中采用了复合键功能，能实现启动、停止、输出、自检、重检、故障记忆、打印、消音、显示转换、时间（年、月、日、时、分、秒）校正等十几种功能。

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图18键盘显示电路

变电站直流系统是十分重要的电源系统，它是一个独立的系统，不受系统运行方式改变的影响，为控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠稳定的电源,它还为断路器的分、合闸提供操作电源。

1.直流接地的概念及产生的原因

直流电源为带极性的电源，即电源正极和电源负极。

直流电源的“地”并不是实际接地，仅仅是个中性点的概念。

如果直流电源系统正极或负极对地间的绝缘电阻值降低至某一整定值，这时我们称直流系统有正接地故障或负接地故障。

直流系统由各种保护、控制设备、电缆、端子及箱体等构成，所接设备多、回路复杂，在长期运行过程中会由于环境的改变、气候的变化、电缆以及接头的老化，设备本身的问题等等，在绝缘老化破损、机械振动、灰尘沉淀、金属生锈、潮湿、漏水等各种因素的作用下，不可避免的发生直流系统接地。

从我们所遇到的直流接地情况看，以端子箱、压力表进水，电缆表皮破损，裸露金属积有灰尘，在空气潮湿时引起直流接地最为常见；备用电缆芯端面没有包扎好而导致接地的现象也时有发生，另外，电缆在金属处拐弯或穿过金属物，由于振动、碰撞下产生绝缘磨损，也会发生直流接地。

2.直流接地的危害

直流系统发生一点接地，不会对系统构成危害。

但如果发展成两点接地，就可能造成严重的后果。

直流系统发生两点接地故障，便可能构成接地短路，造成继电保护、自动装置误动或拒动，或造成直流保险熔断，使保护及自动装置、控制回路失去电源。

（1）直流正极接地，有使保护及自动装置误动的可能。

因为一般跳合闸线圈、继电器线圈正常与负极电源接通，若这些回路再发生一点接地，就可能引起误动作。

如图1所示，由于K1，K2两点接地，使出口跳闸继电器接点J21接通，J1带电，从而出口跳闸，而出现误动。

同理，两点接地还可能造成误合闸，误报信号。

（2）直流负极接地，有使保护自动装置拒绝动作的可能。

因为跳、合闸线圈、保护继电器会在这些回路再有一点接地时，线圈被接地点短接而不能动作。

同时，直流回路短路电流会使电源保险熔断，并且可能烧坏继电器接点，保险熔断会失去保护及操作电源。

如图2所示，假设J41是振荡闭锁接点，当有振荡发生时，常闭接点J41断开，J3失电，常闭接点J31断开，此时即使跳闸接点J21合上，J1也不会出口。

但当没有发生振荡，J41断开，J31合上，J1本应该出口，由于K1，K2两点接地，导致J3带电工作，J31断开，J1不能正常出口，而发生拒动。

3、查找直流接地故障的方法

（1）查找直流接地故障的一般顺序和方法：

①分清接地故障的极性，分析故障发生的原因。

②若站内二次回路有工作，或有设备检修试验，应立即停止。

拉开其工作电源，看信号是否消除。

③用分网法缩小查找范围，将直流系统分成几个不相联系的部分。

注意：

不能使保护失去电源，操作电源尽量用蓄电池带。

④对于不太重要的直流负荷及不能转移的分路，利用“瞬时停电”的方法，查该分路中所带回路有无接地故障。

⑤对于重要的直流负荷，用转移负荷法，查该分路而带回路有无接地故障。

查找直流系统接地故障，后随时与调度联系，并由二人及以上配合进行，其中一人操作，一人监护并监视表计指示及信号的变化。

（2）利用瞬时停电的方法选择直流接地时，应按照下列顺序进行：

①断开现场临时工作电源；②断合事故照明回路；

③断合同信电源；④断合附属设备；

⑤断合充电回路；⑥断合合闸回路；

⑦断合信号回路；⑧断合操作回路；

⑨断合蓄电池回路；

在进行上述各项检查选择后仍未查出故障点，则应考虑同极性两点接地。

当发现接地在某一回路后，有环路的应先解环，再进一步采用取保险及拆端子的办法，直至找到故障点并消除。

4．查找直流接地故障时的注意事项：

为了查找直流接地过程中不出现其它事故，查找时应注意以下几项：

①当直流系统一点接地时，禁止在二次回路上工作。

②瞬停直流电源时，应经调度同意，时间不应超过3秒钟，动作应迅速，防止失去保护电源及带有重合闸电源的时间过长。

③为防止误判断，观察接地现象是否消失时，应从信号、光字牌和绝缘监察表计指示情况综合判断。

④防止人为造成短路或另一点接地，导致误跳闸。

⑤按符合实际的图纸进行，防止拆错端子线头，防止恢复接线时遗留或接错；所拆线头应做好记录和标记。

⑥使用仪表检查时，表计内阻应不低于2000欧/伏。

⑦查找故障，必须二人及以上进行，防止人身触电，做好安全监护。

⑧防止保护误动作，必要时在顺断操作电源前，解除可能误动的保护，操作电源正常后再投入保护。

⑨禁止用灯泡查找接地点，以防直流回路短路。

⑩尽量避免在高峰负荷时进行。