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。2.1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。2.2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。2.2.2参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。2.2.3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。2.2.4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3.1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。3.2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。3.3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：≤±0.5％稳流精度：≤±0.5％稳波电压：≤0.5％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0.5兆欧）*当直流系统的任一极对地绝缘电阻对于220V系统：R地15~20kΩ110V系统：R地4~6kΩ48V系统：R地1.5kΩ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DLY2＋＋K1K2YAZJDLYAYA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。1.2．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。1.3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。VVVR1R21R1R21XJJR+R-IO1.4．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。①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩①②③④⑤⑥⑦⑧三、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，图6通用绝缘监视及电压测量装置原理接线图图7绝缘监视部分电气接线图Ω1⒉VXJJ1R3RCKCK2ZK2ZK2R1R2RCK+_XJJ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（R3R1IO=R3+R4R1+R2R1RR3R4R1+R2R3+R42检测原理2.1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；R+R++R-R1R1+R2R+R-R++R-+Rj+RP+R1R2R1+R2R1R21XJJR33R4IOZJXJJR1R21RP—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HSI.0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2.2选线方法ZJR1R2KJ1＋―U（R+-R-）RPPEKRPHSI.0AK+VcR+J1R-＋R1R2－R1IKBIK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。I0PPE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