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变电站直流系统设计方案的合理选择汪梓坤(广州电力设计院，广东广州 510075)摘要：对变电站直流系统设计中的几个主要问题进行了讨论，阐述了影响直流系统额定电压和蓄电池容量选择的主要因素，分析了直流系统额定电压、蓄电池容量的选取方法以及主接线、直流馈线网络的设计方法，介绍了新型的充电装置、绝缘监测和电压监视装置的性能。
关键词：变电站；直流系统；设计；智能型高频开关充电装置；绝缘监测和电压监视装置直流系统为变电站的继电保护、控制系统、信号系统、自动装置、UPS和事故照明等提供电源。
近年来直流系统的技术和设备发展迅速，阀控铅酸蓄电池、智能型高频开关充电装置、微机型绝缘监测装置等，具有安全可靠、技术先进和性能优越等特点，促进了直流系统的发展。
本文就变电站设计中对直流系统设计有直接影响的因素和变电站直流系统设计方案的选择进行探讨。
1直流系统接线根据《火力发电厂和变电所直流系统设计技术规定》，发电厂和变电站的直流系统应采用单母线或单母线分段接线。
单母线接线简单、清晰，但可靠性与灵活性差，一般用在110kV以下的变电站；单母线分段接线可靠性较高，任一段母线出现故障或需要检修都不影响供电，建议110 kV，220 kV和500 kV变电站采用单母线分段接线。
2直流系统额定电压在确定变电站直流系统额定电压时，应根据变电站的具体情况，找出影响直流系统额定电压选择的主要因素。
以往设计的220 kV及以下电压等级的变电站，大多数为带电磁操作机构的断路器，需要直流动力合闸电源，在这种情况下，满足直流动力回路电压的要求，降低直流动力电缆的投资，成为影响直流系统额定电压选择的主要因素，因此，以往设计的变电站中多数采用了220 V的直流系统。
20世纪80年代以来，在220～500 kV变电站中，110 kV及以上电压等级的断路器多采用气动或液压操作机构，10 kV断路器采用弹簧操作机构，这样就不需要直流系统提供动力合闸电源了，因此，满足直流动力回路电压的要求和降低直流动力电缆投资，就不再是确定直流系统额定电压的主要因素。
一、直流系统构成发电厂和变电所中，为控制、信号、保护、自动装置以及某些执行机构供电的电源系统，通常称为控制电源，如系统直流电源，那么称为直流控制电源。
根据构成方式的不同，在发电厂和变电所中应用的有以下几种直流控制电源。
1. 蓄电池组构成的直流控制电源由蓄电池组、充电装置及直流屏等设备构成，应用于各种类型的发电厂和变电所中，是一种在各种正常和事故情况下都能保持可靠供电的电源系统或者说是一种直流不停电电源系统。
通常简称为直流控制电源系统或直流系统。
2.电容储能式直流控制电源这是直流控制电源的一种。
正常运行时，它给电容量足够大的电容器组充电；当发生事故时，电容器组向继电保护装置和断路器跳闸回路供电，保证继电保护装置可靠动作，断路器可靠跳闸。
这是一种简易的直流控制电源。
在我国110KV、35KV、10KV终端变电站，以及厂用6KV配电系统在有些采用了蓄电池直流屏和硅整流电容储能直流屏作为操作、控制以及保护的电源。
二、直流系统的额定电压电力工程中,直流系统电压等级分为:❖220V❖110V❖48V❖24V常用的电压等级为220V和110V。
三、直流系统接地1.直流系统接地的定义：当直流系统的正极或负极与之间的绝缘水平降到某一整定值或低于某一规定值时，统称为直流系统接地；正接地：当正极绝缘水平低于某一规定值时称为正接地；负接地：当负极绝缘水平低于某一规定值时称为负接地。
2.接地告警门限值标准设定值根据?中华人民国电力行业标准DL /T856－2004?设定了本设备接地告警门限值：系统电压为220V时，告警门限：50KΩ系统电压为110V时，告警门限：15KΩ系统电压为48V时，告警门限：5KΩ系统电压为24V时，告警门限：3KΩ3.直流系统接地故障分类直接接地〔金属接地〕直接接地是指直流系统电源正极或负极对地的电阻等于或接近于零的情况。
这种接地情况在直流系统中如果同时出现两点时，就很可能造成断路器误动或拒动，或熔断丝烧断等现象。
直流系统概述直流系统是发电厂和变电所的重要系统。
发电厂及大、中型变电所的控制回路、保护装置、出口回路、信号回路包括事故照明都采用直流供电方式。
直流系统就是给上述回路装置及动力设备提供直流电源的设备。
由此可见，直流系统的用电负荷极为重要，所以直流系统必须保证在外部交流电中断的情况下，由蓄电池组继续可靠地为工作设备提供直流工作电源，保障系统设备正常运行。
今天我们就一起来了解一下直流系统的相关知识。
1、直流系统的结构直流系统主要包括直流电源（充电装置、蓄电池组）、直流母线（合闸母线、控制母线）、直流馈线、监控系统（微机监控装置、绝缘监测装置）组成。
并且可以根据具体情况装设放电装置、母线调压装置。
直流系统的结构示意图如下.图中黑色粗线为电缆线，蓝色细线为通信线。
可以看出交流电通过充电模块整流，给蓄电池组充电，并给直流负荷供电。
绝缘监测单元对直流回路的对地绝缘进行监测。
监控系统相当于整个直流系统的大脑，通过通信线对各个单元进行监控和管理。
下面对各个单元的作用做简单介绍：充电模块：将交流电整流成直流电，主要实现正常负荷供电及蓄电池的均/浮充电。
蓄电池组：将电能与化学能相互转化，平时处于浮充电备用状态，在交流电失电、事故状态、大电流启动等情况下，蓄电池是负荷的唯一直流电源供给。
合闸母线：直流电源屏内供开关操作机构等动力负荷的直流母线。
控制母线：直流电源屏内供保护及自动控制装置、控制信号回路的直流母线。
控制母线与合闸母线的区别：控制母线提供持续的较小负荷的直流电源，一般为220V；合闸母线提供瞬时较大的电源，平时无负荷电流，合闸时电流较大，会造成母线电压的短时下降，一般为240V。
降压硅链：串联与合母与控母之间的硅二极管，起到降压作用。
监控单元：对直流系统进行监控管理，包括蓄电池组充电方式的控制，对系统故障异常情况的显示及报警，对设备的遥信、遥测及遥控等。
绝缘监测：直流接地是直流系统最常见的故障。
一点直流接地虽不影响系统的正常运行，但如果再有一点发生接地，就可能造成保护的误动拒动。
直流系统两点接地危害
发电厂、变电站的直流系统为控制、保护、信号和自动装置提供电源，直流系统的安全连续运行对保证发供电有着极大的重要性。
由于直流系统为浮空制的不接地系统，如果发生两点接地，就可能引起上述装置误动、拒动，从而造成重大事故。
因此当发生一点接地时，就应在保证直流系统正常供电的同时准确迅速地探测出接地点，排除接地故障，从而避免两点接地可能带来的危害。
(1)正接地可能导致断路器误跳闸由于断路器跳闸线圈均接负极电源，故当发生正接地时可能导致断路的跳闸，如图所示，当图中的A点和B点同时接地，相当时A、B两点通过大地连起来，中间继电器KM必然动作造成断路器的跳闸。
同理，当图中的A点和C 点同时接地，和图中的A点、D点同时接地均可能造成断路的跳闸。
(2)负接地可能导致断路器的拒跳闸:如图所示，当图中的B 点、E点同时接地，这B、E点通过地连通后，将中间继电器KM短接，此时如果系统发生事故，保护动作，由于中间继电器KM被短接，KM不动作，断路器不会跳开，产生拒动，使事故越级扩大。
从以上分析看出，直流系统如果仅仅是一点接地，对二次回路不会造成事故，如果有两点接地，就可能发生断路器误动或拒动。
就动作的实际情况
看，当直流系统监测回路发出预告信号报警，显示该系统接地，可以断定，直流系统的接地故障已经造成了断路器可能发生误跳或拒跳的事故隐患，应立即排除。
(3)接地分类:由于直流系统网络连接比较复杂，其接地情况归纳起来有以下种种：按接地极性分为正接地和负接地；按接地种类可分为直接接地，亦称金属接地或全接地和间接接地，亦称非金属接地或半接地；按接地的情况可分为单点接地、多点接地、环路接地和绝缘降低或称片接地。
一、直流系统的作用直流系统在发电厂和变电站中为控制、信号、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的直流电源。
它还可为操作提供可靠的操作电源。
直流系统的可靠与否，对发电厂变电站的安全运行起着至关重要的作用，是发电厂和变电站安全运行的保证。
二、直流系统接地的危害发电厂、变电站直流系统接地是一种易发生且对电力系统危害性较大的故障。
直流系统正极接地，就会有造成继电保护误动的可能，因为一般跳闸线圈（如出口中间继电器线圈和跳闸线圈等）均接电源负极，回路再发生接地或绝缘不良就会形成两点接地，引起保护误动；直流系统负极接地，如果回路中再有一点接地，形成两点接地可将跳闸回路或合闸回路短路，保护拒动，此时系统发生故障，保护的拒动必然导致系统事故扩大（即越级扩大事故），同时还可能烧坏继电器的触点和烧保险。
典型的断路器控制回路简图如图1所示，当直流电源的正极A点发生了一点接地后，如在以下的各点又发生一点接地，构成两点接地时，将发生不同的后果。
图1 直流系统两点接地分析示意图FU1、FU2—熔断器；SA—断路器操作把手；RD—断路器位置红灯；Y2—跳闸线圈；KA1、KA2—保护用电流继电器的常开触点；KM—中间继电器如在负极B点又发生接地时，造成直流电源短路，熔断器FU熔断，断路器将失去操作电源。
在正极的C点又接地时，即将电流继电器的常开触点KA1、KA2短接，中间继电器KM起动，其触点闭合，使断路器的跳闸线圈Y2通过电流而发生误跳闸。
此时，一次系统并未发生故障，故称为“误动作”。
实际上，如第二个接地点发生在正极的D点或E点时，都能使断路器误动作。
因此，当正极发生一点接地后，危险性很大。
如负极的B点首先发生接地，而后在正极的C点或E点又发生接地形成两点接地时，如果此时保护动作将引起直流短路，不但断路器拒绝跳闸，而且电源熔断器熔断，同时短路电流有可能烧坏继电器。
为了防止直流系统发生两点接地造成严重后果，当直流系统发生一点接地时，必须及时找出接地点并加以消除。
发电厂和变电站的直流系统是控制系统和信号系统1 概述发电厂和变电站的直流系统是控制系统和信号系统、继电保护自动装置的工作电源，直流系统的工作可靠性直接影响电力系统的安全。
但直流回路种类繁多，支线纵横，发生接地的几率非常高。
正常情况下，直流系统的正负母线是对地浮空的。
当直流系统发生一点接地时虽不会影响正常工作，但当出现第二个接地点时，将有可能引起事故。
因此必须立即排除接地故障。
然而，直流系统的接地故障查找却是一个棘手的问题。
传统的方法是逐路断开各支路，根据绝缘监察装置的指示来确定故障支路，然后顺着该支路逐级查找，最后确定接地点。
这种方法十分费时费力，而且当断开某一支路时，该支路上的控制与保护装置要—1—短时退出，这时有可能引起事故。
本公司生产的SH-MDL型直流系统电压绝缘监察及选线装置（以下简称直流选线装置）可以完美地解决上述问题。
该装置采用现代微电子技术，能实现对直流系统的母线电压和对地绝缘的实时在线监测，发生故障时能及时报警并在不断电的情况下自动确定接地支路，在便携式探测仪的配合下可迅速查找到接地点，是传统绝缘监察装置的理想的升级换代产品。
广泛适用于电力、煤炭、冶金、化工、石油等部门。
2功能及特点2.1功能2.1.1在线实时监测直流系统的绝缘状况。
一—2—旦系统的接地电阻低于预先设定的报警值，则自动报警。
之后装置进入选线状态，显示并打印出接地支路号；2.1.2在线实时监测并显示直流系统的母线电压。
一旦系统的母线电压超出预先设定的范围，则自动报警；2.1.3不需停电即可查找接地支路。
在多点接地及系统对地电容较大的情况下仍有较高的准确度。
在便携式探测装置的配合下可迅速准确地找出具体的接地点。
正负母线的对地绝缘均匀下降时仍能准确报警；2.1.4可以随时方便地更改设置参数，如各种报警值等；2.1.5可以记忆20次最新的报警信息供随时—3—显示和打印；2.1.6采用先进的液晶显示技术，显示容量大。
以菜单方式操作，简单方便；2.1.7采用插板式结构，便于维护；2.1.8具备RS232、RS422和RS485串口，同微机监控系统相连，易于实现远方监测；2.2与国内的同类装置相比，该装置具有如下优点：2.2.1检测灵敏度高，受系统对地电容影响小；2.2.2系统的正负母线对地绝缘均匀下降时仍能准确报警；2.2.3抗干扰能力强，可靠性高；2.2.4能同时监测两段母线。
3技术规范3.1监测最大路数：1型：31路、2型：63路、3—4—型：126路3.2系统接地检测灵敏度：≤99kΩ3.3支路接地检测灵敏度∶≤20 kΩ3.4每条支路的检测时间∶≤10秒3.5接地报警信息追忆： 20次3.6输出报警信号：电压异常、接地3.7通讯接口标准：RS-232，RS-422，RS-4853.8适用的直流系统电压等级：220V、110V、48V 3.9电源电压：交流187V到253V 或直流176V到242V3.10装置功耗：≤15W3.11重量：≤15kg(不含传感器)3.12工作环境温度-5℃～40℃,—5—相对湿度≤90%4基本原理该装置采用先进的变频探测原理来检测接地支路，机内有双频信号发生器。
当直流系统发生接地时，装置自动产生交替的双低频信号注入直流系统，安装于各支路的传感器将接收到的信号传送给主机。
主机内部的微处理器经过分析计算后，显示并打印出接地支路号。
4.1整个装置的工作流程图如下∶—6——7——8—4.2 装置的原理框图如下：5 安装及设计说明5.1 型号含义多路滤波SH- MDL - ×××改进代号设计序号直流系统电压绝缘监察及选线装置保定神华冀能电气有限责任公司该装置有3种型号∶xxx-1型适用于单段母线，最大31路；xxx-2型适用于单段母线，最大63路；xxx-3型适用于双段母线，每段最大63路。
5.2结构及外观该装置采用标准19英寸机箱，可安装于直流屏或其它控制屏上。
机箱的大小和屏面的开孔尺寸见图3；装置的前面板布置见图1；背板示意图见图2。
—9—5.3二次接线装置背后有16位接线端子，从背后看，最左边的端子是1#端子。
它们的定义如下：1#端子装置电源（220V交流或直流）(不分正负)2#端子装置电源（220V交流或直流）(不分正负)3#端子1段正母线4#端子2段正母线5#端子大地6#端子 1段负母线7#端子2段负母线8#端子电压报警19#端子电压报警110#端子电压报警211#端子电压报警212#端子接地报警113#端子接地报警114#端子接地报警215#端子接地报警216#端子空二次接线原理图见附图8。
5.4报警接点报警继电器的型号为JZX-39F (触点容量为220V，5A，阻性，常开触点)。
电压报警和接地报警各提供两组触点，这两组触点同时动作，彼此之间没有联系。
5.5串行通讯5.5.1串口定义串行通讯口采用DB9式插座，管脚定义如下图。
5.5.2通讯规约本装置带有默认的通讯规约。
当然，也可应用户要求定做。
本装置接收上位机的轮询，并作出相应的应答。
轮询间隔不宜小于3秒，以免来不及应答。
5.6传感器的型号及规格为适应提取不同粗细的直流馈线的编码信号，直流馈线始端装有传感器。
传感器有3种规格可供选用。
型号分别为SH-LCT-1、SH-LCT-2和SH-LCT-3。
具体尺寸见图5。
5.7传感器的安装先做传感器支架。
用金属板材，宽度为30mm～40mm，长度根据屏体的宽度而定(将来该支架固定在屏体背面靠近各支路的出线处)。
在支架上按照各支路出线的间距钻孔，每路(即每个传感器)钻两个孔，孔径为Φ4～Φ5，用M3的镙钉把各个传感器牢靠固定在支架上(传感器的安装孔在其底部)。
安装传感器时应注意使传感器的正面(带有接线镙钉的那一面)都朝一个方向。
安装示意图见图4。
5.8传感器的接线在每一面馈线屏上，传感器安装在每路馈线的出口处，且用金属支架固定。
每路馈线的进线和出线同时从传感器的中心孔穿过(对闪光回路，也需将闪光信号线穿入)。
每面屏均有过渡端子，传感器与过渡端子之间的连接推荐采用双芯屏蔽线，以提高抗干扰性能，且每根芯线的截面积不小于0.5平方毫米。
在过渡端子上，各传感器的N端被短接。
在MDL装置所在屏上，装有1到2排总接线端子。
随装置所附的航空电缆一头接装置的航空插座，另一头接总接线端子。
过渡端子与总端子之间的接线推荐采用带屏蔽层的通信电缆(芯线截面积不小于0.5平方毫米，推荐型号为KVPP系列)，以提高抗干扰性能。
芯线的数量视该屏传感器的数量而定。
最好是留有3芯（或4芯）的余量。
装置背后有4个42芯的航空插座，从背面看从左到右分别是J4、J3、J2、J1，随装置附有1到4条37芯的屏蔽电缆。
其中J1和J2接一段母线，J3和J4接另一段母线。
若某一段母线的出线数小于32路，则不接J2(或J4)。
每段母线最多可接63路。
以下示意说明。
假设共有5面屏，分别为1#屏、2#屏、3#屏、4#屏、5#屏。
直流母线分段，采用xxx-3型装置，装置安装在3#屏。
1#、2#屏和4#、5#屏分别属于两段母线。
1#屏和4#屏各有15条馈线，2#屏和5#屏各有10条馈线。
屏体布置及安装示意见图6，接线图见图7。
注∶MDL装置安装屏上的总端子到MDL装置航空插座之间的电缆由我公司提供。
5.9订货须知订货时请提供如下信息：●直流系统的母线分段情况；●直流系统的母线电压；●所需传感器的数量及型号●如需使用串口，请告知串口类型和通讯规约；●其他特殊要求。
6 调试与使用6.1概述6.1.1该装置的3种型号之间的使用与操作方法基本相同，故以下均以31型用于220V直流系统的情况进行阐述。
（1型和2型由于只监测一段母线，在显示和打印时均没有母线分段号的有关信息。
）6.1.2该装置有两种状态：自动运行状态和菜单状态（也就是手动状态）。
装置每次加电后或复位后都先进入自动运行状态。
但若按住四个方向键之一加电或复位后，则进入菜单状态。
a)在自动运行状态下，由装置自动监测系统的母线电压和绝缘（其中母线电压在液晶屏上随时显示）；如有异常则自动报警（接地时还要自动查找并打印出接地支路号），不需人工干预；b)在菜单状态下，可以设置系统的各种参数，报警追忆，人工选线和开启信号源以便用便携式探测仪查找具体接地点等；c)自动状态下，当没有接地故障时，按住四个方向键之一不放，最多两秒即可进入菜单状态；当出现接地故障时，装置自动选线完毕后按下任意键也可进入菜单状态；d)菜单状态下，先用退出键返回到主菜单，再按一次退出键即可转到自动运行状态。
注意：首次使用时必须先设置好系统的各项参数。
设置方法详见后面的有关说明。
注意∶以下说明中凡是"96年5月1日12∶32"等字样均为举例说明用，实际显示或打印出来的内容是当时的时间。
6.2上电自检6.2.1打开装置的电源开关或在装置运行时按下复位键又松开后，装置开始自检。
应先看到面板上的电源指示灯点亮，其余的三个指示灯闪亮后又熄灭；随后听到蜂鸣器蜂鸣，液晶显示器上出现“LCD OK！”字样，打印机打印出“96年5月1日12:32 PRINTER OK！”，表明装置自检完毕且工作正常。
稍后装置进入自动运行状态，显示器上出现时间及母线电压等数据；6.2.2若开机后出现的现象与以上所述不符，说明装置不正常。
可重新开机试试。
注意∶若按住四个光标键之一开机或复位的话，装置会跳过自检，直接进入菜单状态，显示出主菜单。
6.3自动运行6.3.1正常情况下，液晶显示器显示如右图。
第1行显示时间，第3行显示直流系统的母线电压，该电压值大约以2秒的速率更新。
如右图所示。
(右图的含义是1段母线电压为214.2V，2段母线电压为223.8V)。
警值，显示如右图，蜂鸣器报警，电压异常指示灯点亮，电压异常报警继电器常开触点闭合，打印机打印出如下内容∶ALARM MESSAGE96年5月1日12:32SECTION 2VOLTAGE:243.7V(含义为2段母线电压过高)。
6.3.3若系统电压低于欠压报警值，显示如右图，蜂鸣器报警，电压异常指示灯点亮，电压异常报警继电器常开触点闭合，打印机打印出如下内容∶96年5月1日12:32SECTION 2VOLTAGE:196.7V(含义为2段母线电压过低)。
6.3.4若系统的对地电阻低于设定的报警值a)此时显示如右图，蜂鸣接地报警继电器常开触点闭合，打印机打印出如下内容∶ALARM MESSAGE96年5月1日12:32SECTION 1INS: +99.0K-8.4K(含义为1段母线负母线对地电阻为8.4K)。
注：当对地绝缘电阻大于99K时，本装置一律显示和打印成99.0K。
b)接着装置自动进入选线状态，启动信号源，面板上的信号指示灯点亮，显示如右图，表明信号源正在预热。
