变电站直流系统的分析和改进设计说明

变电站DC系统的分析与改进

毕业设计任命书

变电站DC系统的分析与改进

职称:工程设计J技术专题研究、理论研究、软硬件产品开发

一、设计任务和要求

1.电力工业是国民经济的基础产业，不断向社会提供清洁高效的能源。

2.随着电网的不断不断和发和，变电站作为电网的枢纽，起/承上启下的关键作用。用变电站中

间，DC系统是变电站非常重要的二次设备。为继电保护、高压断路器的分合闸、控制电源、交流

不间断电源等提供可靠的电源，

3.变电站DC系统是影响电力系统安全稳定运行的薄的环节。提高DC系统的安全性利可靠性，防

患于未然是非常重要的。

二、已完成的硬件或软件实验

没有

三、待移交的设计文件和实物（包括设计文件、程序清单或磁盘、实验装置或产品等。）

毕业设计论文，毕业设计图纸

四、讲师提供的设计材料。

设计原材料，毕业设计函

五、要求学生收集的技术资料（注明收集资料的技术领域）

1.变电站DC系统现状分析

2.变电站现有DC系统模式

｛变电站环境条件等

六、设计进度表

第一部分是掌握课题，收集整理课题的相关资料（1周）

第二部分变电站DC系统现状概述（2周）

第三部分分析当前变电站DC系统存在的问题（1周）

第四部分分析DC体系的改进（2周）

第五部分:毕业论文文件的编写与整理（2周）

审查或回复（1周）

承诺

一、这个设计是我独立完成的；

二、这个设计没有抄袭；

三、如有虚假，一经查出，请答辩委员会取消我的答辩（评审）

资格。

承诺（待填写）:

年H

目录

1摘要5

2变电站直流系统现状的概述5

2.1直流电源综述5

2.2现行部分变电站直流系统介绍6

2.2.1硅整流电容储能直流系统装置6

2.2.2蓄电池组式直流系统6

3现行变电站直流系统存在问题与原因7

3.1主要问题7

3.1.1变电站直流系统设备比较旧。7

3.1.2蓄电池与其容量7

3.1.3直流系统接线方式7

3.1.4熔断器、空气开关问题8

3.1.5直流系统接地8

4变电站直流系统的改进9

4.1改进目标9

4.2改进措施9

4.2.1设备管理原则9

4.2.2改进接线方式10

4.2.3熔断器加强配合10

4.2.4直流检察方法改进10

4.3对新直流系统的认识与应用11

4.3.1GZDW-M30/220系统的特点12

4.3.2GZDW-M30/220系统部主要元件与功能的介绍12

5总结16

5.1结论16

致17

参考文献18

摘要

电力是国民经济的基础产业，不断向社会提供清洁高效的能源。电力工业的安全经

济运行对于向社会提供稳定优质的电力供应，提高电力工业企业的经济效益具有十分重

要的作用。改革发展以来，随着我国经济的不断发展，国民经济对电力的需求逐步加强。

为了迎合其发展，我国电网规模口益扩大，电压等级也不断提高，逐渐出现了500kV\

750kV等高电压。随着电网的不断完善和发展，变电站作为电网的枢纽，起着承上启卜.的

关键作用，而变电站中间的DC系统是变电站非常重要的二次设备。其主要任务是为继电

保护、高压断路器的分合闸、控制电源和交流不间断电源提供可靠的电源。因此，其正

常运行与否，往往涉及到继电保护和开关能否正确切除故障，保护一次电力设备，避免

重大电网事故，尽快恢复供电，降低电能损耗。同时，它也是变电站的公共系统。与其

他控制保护装置不同，出现问题只能影响一个区间或一个回路，它的问题会影响全站甚

至全网的正常运行。在发电、供电生产设备故障的情况下，DC系统问题，尤其是DC保护

电源中断、保护设有停运，往往会导致灾难性后果，使土设备消失、拒动，造成设备严

重损坏、电力系统大面积停电等。，并造成巨大的经济损失。严重时可能导致电网崩溃。

目前，变电站DC系统是影响电力系统安全稳定运行的薄弱环节。提高DC系统的安全性

和可靠性，防患于未然是非常重要的。

2变电站DC系统现状概述

2.1电源概述

变电站的保护、控制和信号系统统称为二次设备，负责变电站所有供电设备的控制、

保护、测量、事故判断和相应的信号。一般来说，二次设备采用DC供电。通常，交流电

被整流成DC作为二次设备的电源。此外，大多数变电站选择蓄电池作为DC供电的备用

能源。交流电源由两路组成，一般采用三相四线制作为主备用方式。工作电源为主电源

回路，备用电源为备用电源回路，两个电源一般设有相互切换装置。通常，系统的主电

路由两部分组成。一是电源模块为控制总线提供220V的标准DC电压，二是充电模块给

电池均匀充电，浮充。电压调节器布置在充电模块、电池组和控制总线之间。当电源模

块出现故障时，充电器和电池组通过电压调节器向总线供电。当交流电源出现故障时，

也池组通过调压器向控制母线供电，从而保证控制母线随时不间断供电。DC供电的可靠

性直接影响供配电系统的安全运行，其功能影响系统的良性运行和电池的使用寿命。因

比，变电站的DC电源需要持续监控，电池的状态也需要持续监控，以保证不合格的电池

能够及时充电或更换，DC电源能够不间断。目前，发电厂、变电站和许多厂矿的DC系统

是控制系统、信号系统、继电保护和自动化装置的工作电源，其可靠性非常重要。另外,

在变电站的DC监控系统中，对通信的要求很高。如果出现故障，如何以最快的速度通知

上位机和维护人员，如何方便工作人员随时随地检查和监视变电站的运行情况，并将所

有数据及时准确地传输到上位机，是变电站监控装置必须重视的功能。现在的变电站通

信是基于RS232、RS422/485,逐渐向光纤发展。变电站系统中的DC电源山蓄电池、充电

设备、DC屏等设备组成。其作用是:正常情况下，为变电站断路器提供开关DC电源；停

电时，为电厂继电保护和自动装置、断路器跳闸和合闸、载波通信、DC电机驱动的辅机

提供工作DC电源。以前电力系统每个变电站都有人值守，可以定期检查DC设备的运行

状态，以便发现和处理异常现象，保证变电站的安全稳定运行。随着电力系统自动化、

计算机控制和电力电子技术的发展，以及实际现场运行维护的需要，对DC供电设备的要

求也相应提高。

2.2部分现有变电站引入DC系统

2.2.1硅整流电容储能DC系统装置

其工作原理是:在正常情况卜，整流器用于将变电站中的低压交流电转换成DC电源,

供DC母线使用。整流装置有两组，均采用三相桥式整流接线。第一组整流器容量大，为

断路器提供闭合电源，而第二组整流器仅向控制和信号电路供电。两组整流装置由电阻

器和单向元件分开。当逆止元件阻止断路器合闸或合闸母线故障时，整流装置.向合闸母

线供电，保证了控制和信号供电的可靠性。当控制和信号总线侧短路时，电阻器用于限

制流经检查元件的电流。

主要运行方式是:变电站故障时，变电站电源消失。为了使继电保护装置正确动作，

在DC系统装置上附加了多个电容器组，电容器组在正常情况下是充满电的，可以在站用

电消失时对继电保护装置和断路器跳闸回路放电，使断路器可靠跳闸。但由于电容储能

中电容的容量只有几千微法，而且是短期的，事故开的可靠性差，所以只承担短期的开

关电源，事故发生后不能供给应急照明。

2.2.2电池DC系统

相当数量的电池串联组成电池组供电，采用充放电运行方式。工作原理：整流器还将

站用变压器的交流电压转换成DC电力，提供给DC母线和各馈线。

主要运行方式:正常运行时，电池会定期充放电，即定期给电池组充电。电量充足后,

充电装置将断开，电池组将为DC负载供电。电池组提供三种类型的DC负载：1.信号灯、

位置继电器、长期带电的继电器等常规负载；2.短期负荷。如断路器电磁操作机构的脱

扣和合闸线圈。3事故荷载。比如应急照明。然而，在电池组的任何工作条件下，交流电

源都可能发生故障。为了保证DC系统供电的可靠性，电池组放电时应留有一定的余量。

通常应在放电至额定容量的60~70%时进行充电。电池组虽然具有供电的优点，但事故不

受电网电压的影响，供电可靠性高，特别是在应急照明的情况下，还可以作为应急照明

的可靠电源。但也存在投资大、寿命短、运营成本高、维护工作量大、可靠性低、DC系

统绝缘差、大电流开关合闸导致充电机频繁跳闸等一系列缺陷。在防护要求越来越精准

的今天，这类设备已经逐渐退出舞台。

3变电站DC系统存在的问题及原因

3.1主要问题

3.1.1变电站DC系统设备相对陈旧。

一些变电站设备仍属于£0年代，无法保证发电厂和变电站的安全运行和事故处理。

DC系统管理、运行、维护和维修专业人员缺乏高度责任感，专业技术水平有待提高。由

于设备落后，设计不合理，运行过程中会出现各种问题，如：保险丝越级熔断；硅开路击

穿；蓄电池过充和欠充；总线电压过高；蓄电池容量不足；充电器参数不能满足运行要

求等等。现场恶劣的环境也会影响电池的容量，从而影响其使用寿命。

3.1.2电池及其容量

变电站一次设备电磁开关过多，合闸电流过大，对蓄电池容量和放电率要求较高。

电池的容量随着放电率的增加而降低。为了节约建设成本，降低工程造价，减少占地面

积，目前电力系统中许多变电站的DC系统中仍大量使用单组电池。即使是双电池的变电

站，虽然接线一般是双环电源（一个备用），但由于故障停电时，仍然需要值班人员手动

切换。在电网发生事故的情况下，值班人员很难在短时间内切换DC电源，特别是对于无

人值班的变电站，这成为一项不可能完成的任务，而这往往是致命的。因此，当变电站

事故发牛.时，会导致DC系统故障。一旦电池引线的保险丝失步熔断，保护装置或断路器

因失去DC工作电源而拒动，不能及时切断故障，造成事故扩大，造成大面积停电。

DC系统的连接方式

DC系统接线方式存在缺陷，不能满足蓄电池允电、母线电压控制等运行要求。

3.1.4保险丝和空气开关问题

由于保险丝和空气开关问题，变电站中的DC保险丝不同步，控制母线失去电压。目

前国内很多变电站DC系统的熔断器配置不合理，级数过多。当DC电路发生短路故障时,

很容易跳级熔断。如变压器二次控制DC供电回路从蓄电池开始，高压断路器操作回路设

有四级熔断器:第一级，蓄电池的引线熔断器RD1（在蓄电池与DC母线之间，典型额定电

流数据：300a）；第二级是控制电力电缆出线保险RD2（DC母线各支路出线保险，额定电

流典型数据：60A）,笫三级是变压器总控保险RD3（额定电流典型数据：10A）。四级；变压

器控制熔断器RD4每侧的断路器（额定电流的典型数据:6A）；显然，三级和四级之间很难

合作。保护装置电源类似。此外，保护装置电源模块本身装有保险丝，导致保险丝数量

更多。不同变电站略有不同，有的变电站熔断器等级甚至超过6级。以下是由引信引起

的事故的一些例子：

（1）部分电厂、供电局等。由控制熔断器超驰引起，造成保护电源、跳闸和合闸电源

失电，扩大了事故，造成10kV开关室完全烧毁等巨大损失。

（2）某UOkV变电站因“退卡失败”造成信号回路短路，中央信号屏熔断器未熔断

（15A）,低周屏和自投屏部分继电器烧毁，主控信号熔断器（30A）未熔断，跳至硅桩保护。

（3）某220kV变电站，主控灯、信号指示灯异常，发出“高频保护断电”、“保护断

电”等信号。经检查，DC母线电压为220V,蓄电池出口保险丝进线为220V,出线为

197V.DC母线交流分量为57V,示波器显示DC母线为锯齿波形。分析认为，由于保险丝

与保险丝座金属的接触面被氧化，接触电阻增大，相当于开路，而电池相当于容性负载,

改变了整流器的输出波形。

在变电站的设计、施工或设备选型过程中，经常会生到很多厂家的产品。在选择保

险丝的时候，各个厂家比较隆意，保险丝的种类和型号也很多。有的采用自动开关代替

DC熔断器，使得变电站内各级熔断器的熔断特性差别很大，难以配合。由于熔断器是串

联的，任何一级的问题都会导致断路器和保护装置因失去DC电源而拒动，从而影响电网

和设备的安全运行。为了解决越级熔断器熔断的问题，国有研究部门研制了DC系统三段

式电流保护装置，原理上可以用可控DC熔断器代替传统熔断器来实现。但不适合在实际

工程中推广。主要问题是:这样做的结果是，原本简单的问题变得更加复杂，DC的整体可

靠性更难保证。

DC系统接地

DC系统的绝缘水平降低。例如，DC接地是一种常见故隙，其中两点接地和交流/DC

混合电路对电力系统的安全运行危害很大。发电厂和变电站的DC系统中的一些电路通过

电缆与室外配电装置的接线盒和操作机构相连，因此有很多接地的机会。当DC系统在一

点接地时，因为没有短路电沆流过，保险丝不会熔断，可以继续运行。但这种接地故障

一定要及早发现，否则当另一点接地时，一些重要的电路就可能发生故障。2000年，省

电力公司邓家塘HOkV变电站发生一起因DC系统接地故障导致断路器操作机构损坏的事

故。电网中各种类型、各种规模的发电厂、变电站事故很多，如DC系统接地故障引起的

误停机、误开关跳闸等，可能造成巨大的经济损失。还有接地网问题引起的变电站应急

照明电路故障，降低了DC系统的绝缘性能。在正常运行期间，如果发生DC接地，在检

查负载馈线、充电器和电池后，无法找到接地点。只能判断母线单极接地，但不能切断。

DC系统不允许单极接地长时间运行，如果同极其他点发生接地，可能造成信号装置误动

4变电站DC系统的改进

4.1改进目标

以上问题和原因表明，要保证DC系统的安全可靠运行，首先必须有一个合理可靠的DC

系统接线方式。其中，主要包括DC总线的连接、供电设备的配置和馈电网络的组成。那

么，提高变电站DC系统安全运行的主要目标是：

⑴通过大修和技术改造，改善DC系统的连接方式。在供电可靠的前提下，接线方式尽

最简单，设备尽量简化。

⑵加强DC系统中熔断器和空气开关的差动配合。提高DC系统的绝缘水平和可靠性。

⑶改造DC设备，满足继电保护和自动装置运行的要求。

⑷防止一次回路产生电磁干次电压，低压交流电通过二次回路与DC系统连接，避免晶

体管、集成电路、微机保护元件损坏，逻辑状态破坏，造成保护误动作。

⑸避免交流干扰引起的DC母线电压波动，破坏继电保护逻辑状态和电池损坏等。

4.2改进措施

设备管理的原则

（1）设备管理责任落实到人，建立DC系统管理网络。

⑵加大考核力度，提高操作人员的责任心。进行大充放电工作，延长电池寿命。

⑶结合实际情况，举办技术讲座，开展现场培训。

4.2.2改进接线方式。

⑴在可靠供电的前提下，接线尽量简单，设备尽量简单。变电所内的二次电缆必须排列

整齐,交流电力电缆在电缆夹层的最下层.避免重叠c

⑵对于500kV变电站，通过3个整流器和2个蓄电池与220kV重要变电站连接。UOkV

变电站采用单母线分段接线，其工作量尽可能小，为无人值班变电站提供了条件。明确

变电站低压380V/220V厂用电系统的接地系统。推荐采用三相五线制TN-S接线，中性线

N在工作处，明PE在保护处。UOkV变电站改造为2+1DC系统（2台充电器，1组蓄电

池），重要的220kV变电站改造为3+2DC系统（3台充电器，2组蓄电池）。

⑶取消尾电池，使用硅链和硅堆自动调压，使电源总线和控制总线分开连接，并有备用

通道。该方法解决了所有蓄电池处于在线浮充模式，但硅链和硅堆电路短路导致控制母

线失电或电压波动，造成晶体管保护、集成电路保护、微机保护逻辑状态变化、死机等

继电保护装置误动、失控、退出的问题，故增加备用通道，保持其通信正常。晶体管保

护、集成电路保护和微机保护的交流和DC引线在进入屏幕前要通过抗干扰电容器。

⑷在无电磁机构的变电站中，可以集成电源控制母线，但电池容量必须足够。在硅链和

桂反应器降压电路中增加一个备用通道。使用DC继电器和接触器切换备用通道（缺点是

有时间歇，电压波动大于5V,用晶闸管切换备用通道（缺陷是电压变化大于5Vo使用稳

压斩波器VMOS场效应管、IGBT模块等。作为备用通道（buck电路比较理想，但缺点是布

线复杂，对灯管和模块可靠性要求高）。

4.2.3加强熔断器的配合。

DC熔断器、继电保护和自动装置的配置:运行中必须考虑熔断器或空气开关与保护和

自动装置的配合。对于220kV或UOkV以上的重要变电站，当一套保护动作，多套断路

器跳闸时，应采用专用熔断器供电。每组断路器的控制应有专门的保险丝。不允许将保

护与断路器的控制回路相熔，也不允许将几组断路器的控制回路相熔。对于线路、变压

器、装有双主保护、一套主保护和一套后备保护等的母线的特殊熔断器配置。应实施相

关的应对措施。因此，只有当保护负荷侧的熔断器配置合理时，才能根据级差配置DC系

统的各控制馈出。

4.2.4DC检验方法的改进

目前绝缘监测试验装置仅采用平衡电桥技术原理，与现场实际情况有一定差距。它不能

对DC接地搜索做出及时准确的判断，这将使装置的功能难以完全满足现场的实际需要。

我们可以采用以下方法：（1）平衡电桥和不平衡电桥相结合，可以有效检测。（2）通过将桥

分别改为两段母线，DC系统I、II段母线是否并列运行不会影响本装置的检测和系统对

地绝缘电阻，自动满足DC系统运行方式变化的要求。这样，在同一时间，两条母线只有

一段有平衡电阻，采集的数据是按照桥的哪一段投入使用来记录的。这样，无论系统的

两条母线是否并列运行，都不会影响对绝缘的监视，也不会降低DC系统的接地电阻，从

而自动满足DC系统运行方式变化的要求。正负极同时接地或继续发展正负极，接地电阻

不受正负极接地电阻是否相同或接近的影响。（3）高灵敏度（精度可达0.1mA）的DC传感器

结合不平衡电桥，可检测多条支路同时接地或同时平衡接地，并可直接显示接地泄漏电

流值。不需要信号注入。通过多次实验，提高了DC传感器的抗过载能力，过载恢复后可

立即恢复其检测性能。当系统绝缘良好时，每月进行一次零点扫描，以消除传感器的零

点误差。（4）在设备中设置固定的检查模式。报警支路的泄漏电流由传感器高速检测和监

测，直接显示在装置的液晶屏匕通过匹配报警支路的支路保险丝，有助于找到具体的

接地支路，尤其是多路多点接地。（5）对于支路电流的采集，由于信号小且易受环境的影

响，我们采用采集母线对地电压的方法。因为电压是一个比较强的信号量，检测不容易

受外界影响，如果母线电压计算出的阻抗正常，支路就不会报警。我们在软件中阻塞支

路报警的输出，但同时计算支路的信号电压值与零值之间的误差。如果误差过大，则给

出分支检测元件故隙的报警信息并显示在屏幕上，以便随时间消除。

4.3新DC体系的理解和应用

新型DC系统GZD'V-M30/220由高频智能开关电源模块组成，是一种速度快、可靠性

高的人机界面设备，具有资源管理、任务调度、异常处理等功能。在安全优先的服务状

态下。适用于通断开关、二次回路中的仪器仪表、继电保护和故隙照明等场合。

系统运行方式:系统采用两路交流输入，其中一路通过交流切换控制面板选择，另一

路电源输入作为备用电源。输入电压通过交流配电单元向各充电模块供电。充电模块将

输入的单相交流电转换成直流电，经隔离二极管隔离后输出，一方面给电池充电，另一

方面给合闸负载供电。此外，合闸总线还通过降压硅链装置与控制模块形成备份系统，

为控制总线提供电源。系统的监控部分管理和控制系统。信号经采集单元分散采集处理

后，由监控模块统一管理，并在显示屏上提供人机界面，还可以连接到远程监控系统。

该系统还配有微机绝缘监测器，以监测母线分支的绝缘情况。整个电路见图47。

合闸

充电模块

分路合闸输出

降

1路压

充电模块I-耕硅

鞋

交流输入

控制

控制输出

充电模块分路

口路

I绝缘监察

—一充电模块

绝缘模块开关量采集单元

至远端监拄

图4-1：直流操作电源的基本组成形焦

GZDW-M30/220系统的特点

1、充电模块可以热插拔，平均维护时间大大减少。

2、合闸母线、控制母线和信号母线可由充电模块单独直接供电，并可由降压装置热

备。

3、可靠的防雷和电气绝缘措施，可选的绝缘监测装置可以实时监测系统的绝缘情况,

确保系统和人员的安全。

4、该模块具有平滑调节输出电压和电流、补偿电池充电温度的功能。

5、能自动管理和保护电池，自动实时监测电池端电压和充放电电流，智能控制电池

浮充。它配有电池过压和充电过流的声光报警器八

6、分散式多级监控系统，实现监控系统的简单性和可靠性。

7、模块化结构，屏幕组装简单，配置灵活。

8、全套部件可以提供全方位的解决方案。

4.3.2GZDW-M30/220系统部主要组成及功能介绍

1DC系统的连接方式

新DC屏采用GZDW32单电池单母线带降压装置的连接方式。参见图4-2o

川叫叱WU

MH1--I1II——

图4-2：直注系统主原理接线图

2交流输入模式

交流自动切换单元主要实现两路交流输入电压的采样，输出交流电压的采样信号,

实现系统中两路交流电源输入的自动切换。第一电路是主电路，第二电路是辅助电路。

第一回路异常时（包括交流、失压、过压、欠压、欠压等。），它会自动切换到第二路交

流电。一旦交流回路电源恢复正常，将自动切换到交流第一回路。为了防止两路交流电

同时接入模块的输入端，设置了机械联锁机构，实行电流电气互联。参见图4-3。

1#交流输入2#交流输入

图4-3:交流谕入回路原理图

3.充电模块

主要功能是实现交流/DC交换。此外，还有系统控制和报警等功能。并具有自动/手

动控制功能。在自动工作模式下，充电模块接收来自监控模块的指令。正常情况下，所

有关闭模块都应工作在自动状态，以实现监控模块对电池的智能管理。在手动模式下，

模块面板上的电位计调节模块的输出电压。电压调节范围可以在输出电压的下限（通常为

198V/99V）和上限（通常为286V/143V）之间。为了使用监控模块识别每个充电模块，每个

模块都应该有一个地址，地址范围为16-31。此外，充电模块面板上还有电源指示灯、,呆

护指示灯、故障指示灯和电压/电流显示表头。这些信号表示随时监控充电模块的运行状

态。

4.接地巡逻装置

PMFS-IDC系统接地检测装置用于监测DC系统母线的接地电压和系统的绝缘。其主

要功能是实时检测母线电压值和正负母线对地电压值。当正负母线对地电压差过大时，

会自动进入接地电阻检测程序。具有手动检测各支路地漏电流和绝缘电阻的功能，方便

工作人员实际排除故障。并具有自检功能，能检测总线端口和CAN通信等故障，具有RS-

485串行接口，实现与上位监控单元的数据通信。

5.监控单元的功能

监控单元对电力运行系统中的充电模块、电池电导率巡检仪、DC系统接地巡检仪等

下级设备的数据进行采集、处理和显示。还可以根据