1、直流電源裝置工作原理及系統接地故障案例分析一、直流電源裝置工作原理1高頻開關電源工作原理MK50智能型高頻開關電源采用免維護鉛酸閥控蓄電池作為電源，具有壽命長、無污染、體積小等優點。采用高頻開關斬波直流變換器和先進的PWM脈寬調制技術，確保電力系統連續穩定供電。供電線路采用充電模塊與穩壓模塊并聯運行方式，輸入的交流主電源經三相橋整流、濾波后，一路經充電模塊對電池進行恒壓限流充電，另一路經穩壓模塊連接到直流母線上。電氣原理見圖1。 圖1 直流電源電氣原理框圖1QF 主電源輸入斷路器 3QF 電池充放電斷路器4QF 控制母線輸出斷路器 5QF 合閘母線輸出斷路器 1KM 主電源輸入接觸器

2、 3KM 進線接觸器4KM 維護旁路接觸器電池與合閘直流母線是永久連接的，在正常工作條件下，它從主電源上獲取電能進行充電。對于雙路電源進線系統，當主電源停電時，系統可自動切換到備用電源供電；當交流電源停電時，電池經穩壓模塊或硅堆向負荷供電。手動旁路開關可以將維修旁路與輸出負荷直接連接起來，勿需中斷對負荷的供電即可維修本直流電源。當主電源恢復正常供電后，系統自動恢復到初始狀態。2  監控系統簡介MK50智能型高頻開關電源，采用PLC作為直流電源的監控系統以及和用戶之間的通訊接口。監控系統提供了設備的操作、控制、參數測試、運行狀態和故障報警的所有信息，主要由智能操作顯示單元、微處理器控制

3、單元、模擬量轉換單元(A/D、D/A)、緊急斷電按鈕(SB)等部件組成。2.1  系統簡介智能操作顯示單元的觸摸式液晶顯示屏可進行系統操作，并能顯示所有與直流電源有關的信息，包括電氣參數顯示、直流電源工作狀態、故障存儲以及報警等。投入使用后，液晶顯示屏出現主屏幕信息，按“菜單”鍵即可進入菜單選擇屏幕。2.2系統的監控功能系統操作   在菜單選擇屏幕狀態下，按“操作”鍵進入系統操作屏幕，進行充電方式選擇及“系統啟動”和“系統停止”操作。根據所選擇的充電方式自動對充電電壓和控制母線輸出電壓進行設定。參數設定和參數顯示  在菜單選擇屏幕狀態下，按“參數”鍵進入

4、參數設定和參數顯示屏幕。主要參數有：充電電壓，充(放)電電流，輸出電壓，輸出電流。  故障存儲顯示及報警  在菜單選擇屏幕狀態下，按“故障查詢”鍵進入故障存儲顯示屏幕。按“查詢”鍵，便可查詢故障發生的內容及發生時間。  系統狀態  在菜單選擇屏幕下，按“系統狀態”鍵進入系統狀態屏幕，又細分為“控制母線”、“合閘母線”和“電源狀態”畫面，可分別監察電源工作狀態及各分路斷路器的分合狀態。3直流電源的運行狀態3.1  正常運行    采用交流電源供電時，整流器將交流電轉變成直流電，經過整流濾波后對電池組進行均衡充電或浮充

5、電的同時，兼對控制母線負荷供電。3.2  旁路電源投入運行    對直流電源進行檢修時，可以斷開與主電源的聯系而不中斷對系統供電，也不會影響負荷。維修旁路允許完全停止充電模塊和穩壓模塊的運行并實現電氣隔離，在進行設備內部的檢修時，不致對技術人員或維修人員造成任何危險。3.3  交流電源斷電時的運行    當交流電源斷電時，直流控制母線上的電壓是靠電池組放電來維持的，電池組經穩壓模塊對控制母線提供一個穩定的直流電壓，此時不會因交流電源斷電而影響負荷工作。此外，硅堆在任何非正常的情況下，均會不間斷地向控制母線供電。4&

6、#160; 主要技術參數及應用效果  輸入電壓：三相四線制，380V±20頻率：50Hz±10額定輸出電壓：24V、48V、110V、220V額定輸出電流：15300A穩壓精度：±0.5穩流精度：±0.5穩波電壓：0.5絕緣強度：交流2000V，1min控制技術：15KHz，(PWM)脈寬調制技術二、 直流系統接地故障案例分析1、直流接地概況變電所直流系統比較復雜，它需要供給動力、照明、控制、信號、繼電保護及自動裝置等系統，且還須通過電纜線路與屋外配電裝置的端子箱、操作機構箱連接，發生接地機會較多。直流系統發生一點接地時，由于沒有短路電流通過，

7、熔斷器不會熔斷，仍能繼續運行。但是這種故障必須及早發現并予以排除，否則當再發生另一點接地時，構成直流兩點接地將會造成信號裝置、保護裝置及斷路器的誤動作，同時可能使繼電器燒毀。Y2當系統中某一處發生單相接地時，絕緣監察裝置報警，有一極對地電壓很低甚至為零，另一極對地電壓升高甚至為全電壓。電壓降低的極發生接地。DLK1K2DL圖1輸電線路過流保護的直流操作回路一極發生接地的情況K1電流繼電器； K2中間繼電器； Y2眺閘線圈為了使直流系統絕緣保持在良好的情況下，要求：*每一個二次回路對地絕緣電阻不應小于1兆歐（在比較潮濕的地區允許降低到0.5兆歐）*當直流系統的任一極對地絕緣電阻對于220V系統：

8、 R地<1520k110V系統： R地<46k48V系統： R地<1.5k時，應發出燈光和音響信號。2、絕緣監察裝置YAYAYA11燈監視裝置 _ _ZJ 圖2 燈監視裝置原理接線圖 圖3 檢查直流系統絕緣時造成繼電器誤動作 優點：簡單、費用省缺點：（1）.直流回路絕緣接地時不能發出信號，只有檢查時才能發現。 （2）.不能反映直流回路絕緣電阻數值。 （3）.任一極絕緣不良，經較大電阻接地時，燈亮案較難區分。 （4）.若在中間繼電器ZJ前一點D接地，在按下按鈕后電流較大，使大部分繼電器誤動。1.2電壓表監視裝置VVR21R1V _ _ 圖4 電壓表監視裝置原理接線圖 圖5 電壓

9、表監視裝置的測量分析優點：（1）設備簡單，費用省。 （2）能測量每極對地的電壓值，經過換算可檢查對地絕緣電阻狀況。缺點：（1）絕緣低或接地時不能發出報警。（2）不能直接從電壓表上讀出絕緣電阻值。1.3直流電橋監測裝置 + _ IOXJJR1R21R+R-圖5 直流電橋監測裝置原理圖 本裝置是根據直流電橋的工作原理構成的（見圖其主要組成元件為電阻R1、R2和信號繼電器XJJ。電阻R1和R2數值相等（通常選用R1=R2=1000歐），并與直流系統正負極對地電阻R+與R-組成電橋的四個臂。繼電器XJJ則接于電橋的對角線上，相當于直流電橋中檢流計的位置。正常狀態下直流母線正負極的對地絕緣電阻R+與R-

10、相等，繼電器XJJ線圈中只有微小的不平衡電流流過，繼電器不動作。當某一極的絕緣電阻下降時，電橋失去平衡，繼電器的線圈中即有電流通過。當此電流足夠大時，繼電器XJJ動作，其常開觸點閉合，發出預告信號。1.4通用絕緣監視裝置+ （1） 用一只直流電壓表2V和一只轉換開關CK來切換，分別測出正極對地電壓或負極對地電壓值，如果直流系統絕緣良好且大于1兆歐，則在此兩次測量中電壓表2V的指針幾乎停在零點。如果負極絕緣降低，則在測量正極時就有電壓指示，負極若完全接地，電壓表就指示出直流母線工作電壓。_ 圖7絕緣監視部分電氣接線圖12ZK2ZKCK3R1RXJJ2R2R1R XJJ CKCK V圖6通用絕緣監

11、視及電壓測量裝置原理接線圖三、直流接地自動選線裝置1、概述發電廠和變電所直流系統比較復雜，而且通過電纜與配電裝置的端子箱、操動機構等相連接，發生接地機會較多。直流系統發生一點接地時，由于沒有短路電流流過，熔斷器不會熔斷，仍能繼續運行。但如果這種單點接地故障不及時消除，繼而發生兩點接地，就有可能引起保護拒動或誤動作跳閘。我廠三降壓站直流系統接地現象也時有發生，以前這幾個降壓站直流系統雖都裝有傳統的絕緣監察裝置，但當系統發生接地或絕緣電阻低于一定值時 ，只能發出燈光和音響信號。若要確定接地故障是哪一條回路，必須采用人工分段停電，逐個減小范圍的方法進行查找。這種方法不僅繁瑣費時，而且在停電過程中，會

12、增加保護誤動、開關拒動或信號失靈的危險，容易引發事故。近年來，國內有關院所已開發了一些直流絕緣監測裝置。由于這些裝置大多需依靠對直流系統注入一交信號，裝置通過電流傳感器采入故障信號。因而，這種裝置的檢測效果往往會受到系統中分布電容的影響。針對上述存在問題，我們專門成立了技術攻關小組，廣泛收集了國內外有關資料，對直流系統中各種接地情況進行了細致的分析，最后探尋了一種不需向被測系統注入任何信號的檢測方法，并采用計算機技術對故障信號進行控制和處理，完善地解決了直流系統絕緣監測問題。 本裝置只能在某一極絕緣下降到一定數值時自動發出信號，它由電阻1R、2R和一只內阻較高的繼電器XJJ構成，當不測量母線對

13、地電壓時，電氣接線圖如圖7所示。 1R和2R與正極對地絕緣電阻R3和負極對地電阻R4組成了電橋，XJJ相當于一個檢流計，如圖8所示。通常1R=2R=1千歐，正常時正、負極對地絕緣電阻都較大，可假設R3=R4，故XJJ線圈中沒有電流流過，當電流足夠大時，繼電器動作，自動發出信號。R21R1 + _ IOXJJR1R21XJJZJR4R33 圖8 絕緣監視部分的原理分析 圖9 絕緣監視部分使繼電器 誤動的可能性分析流過絕緣監視繼電器XJJ線圈的電流IO，用有源兩端定理，可解得（見圖8）： U（ R3 R1IO = R3+R4 R1+R2 R1R R3R4 R1+R2 R3+R42 檢測原理2.1

14、接地故障判別 本裝置采用圖1所示電路實現直流系統的絕緣監察。圖中R1、R2（R1=R2）與直流系統正負極對地絕緣電阻R+和R-組成電橋的四個臂。絕緣監視繼電器K與可調電阻器RP（用來整定絕緣電阻報警值）及中間繼電器J1常閉觸點串聯后接在電橋的對角線上，相當于直流電橋中檢流計位置。正常狀態下，直流母線正負極的對地絕緣電阻R+與R-都較大，可視為相等，絕緣監視繼電器K線圈中只有微小的不平衡電流流過，繼電器不動作。當某一極的絕緣電阻下降時，電橋失去平衡，此時，流過繼電器K線圈的電流IK，可用有源兩端網絡定理解得：R1R+R+R- R1+R2 U（ - ）R1R2R+R- IK= （2-1）+Rj+R

15、P+R1+R2R+R- 式中 U直流母線電壓； Rj繼電器線圈電阻； R+、R 直流正負極對地絕緣電阻； RP可調電阻器； R1、R2橋臂電阻。 當 R1=R2=R 時 ，則得： U（R+- R-） IK= (22) 2R+R-+(2Rj+2RP+R)(R+R-)從上式可見，直流系統絕緣正常時，R+=R-，IK=0，K不動作。當系統中任一極的絕緣下降到一定值（在220V直流系統中，絕緣電阻一般整定在1520k），且使IK達到絕緣監視繼電器K的動作電流時，繼電器動作，其常開接點K接通，此時圖1右邊電路中A點電位由高電平變為低電平。計算機測試到高速輸入口HSI.0為低電平時，裝置即判別系統發生接地

16、故障。PEKRPHSI.0AK+VcR+ J1 R- R1 R2 R1 圖1 0 絕緣監察電路由于裝置中設有一人工接地點，這樣當直流二次回路中任一中間繼電器ZJ一端發生接地時（如圖2中的B點），在絕緣監視繼電器K、中間繼電器ZJ及電源之間構成回路，回路中電流IK同時流過絕緣監視繼電器和中間繼電器。為防止中間繼電器誤動作，其IK的值應保證絕緣監視繼電器能可靠動作，而中間繼電器不動作。因此，絕緣監視繼電器應選用高靈敏度繼電器，其內阻要大于直流系統中任一中間繼電器的內阻，以確保裝置的可靠性。 R1 R2IKKJ1RPZJBIK 圖11 絕緣監察部分使繼電器誤動作可能性分析2.2 選線方法 前面我們已

17、經闡述了判別直流系統是否有接地故障存在的方法。但當系統發生接地故障后，如何確定是正極接地還是負極接地？在哪一回路發生接地？接地電阻為多大？這些問題尚未解決。 +ER2TI2I1_R2去裝置輸入端 I0負載NRx Ix P PE 圖12 故障信號獲取電路 我們設計了一種可控電子開關，開關的一端與外部接地線相連，另一端經電阻R2與電源相連接構成回路，如圖3所示。圖中左半部電子開關可在計算機控制下按一定頻率通斷直流電源E的正負端；右半部為直流系統中某一支路N，在該支路的供電線路上裝有電流傳感器模塊T。當直流系統正常時，支路中的負載電流I1=I2，而流過T中的合成電流為0（即I=0），電流傳感器無信號

18、輸出。當系統發生接地故障時（如圖3中N支路的正端通過Rx接地，并且Rx20k），則電子開關P動作，從電源正極 Rx 地 R2 負極形成電流通路，并在N支路的正極回路中產生一個疊加電流Ix。此時，電流傳感器T中的I0，其二次就會產生一電流信號I0，此電流信號經裝置采集后，根據故障電流的大小和方向，計算機就可算出接地電阻值和確定接地故障的性質（即為正極接地還是負極接地）。接地電阻可根據下式求出： UnI0R2 Rx = （23） nI0 式中 n傳感器模塊的電流比； I0傳感器的二次電流（由裝置采集）； U直流系統的電壓值； R2電子開關負載電阻。如在直流系統的每一支路中都裝上電流傳感器模塊，裝置

19、便可進行巡回檢測和完成故障線路的選線。2.3 系統控制本裝置是根據計算機高速輸入口HSI.0電平的高低來判別直流系統絕緣是否良好，并通過計算機的高速輸出口HSO.0、HSO.3以及相應的外圍電路完成接地故障檢測控制，如圖4所示。圖中J1為中間繼電器；TIL為光電耦合器；D1為保護二極管，限制TIL過電壓；R4為限流電阻；G為電子開關P的使能端。當直流系統出現接地故障時，計算機的高速輸入口HSI.0變為低電平。軟件控制計算機的高速輸出口HSO.0，延時輸出高電平，經光耦TIL驅動繼電器J1動作，其常閉接點打開（見圖1），以隔離絕緣監察電路對選線回路的影響。再由高速輸出口HSO.3延時輸出一高電平

20、，驅動電子開關P工作。裝置對直流系統進行巡回檢測后，顯示故障線路編號、接地電阻值并語音報警。若故障排除，HSO.3、HSO.0先后轉為“低”電平，J1繼電器釋放，電子開關P停止工作，裝置進入監測高速輸入口HSI.0狀態，或響應鍵盤操作。+12VD1J1 GR4HSO.0 R4 TIL HSO.3 電子開關P 圖13 故障信號監測控制簡圖3 裝置的特點和技術指標3.1 特點（1）數字顯示：發生接地時可顯示直流回路編號，接地電阻值。（2）時鐘功能：正常運行中，可顯示時間，做到一機多用。（3）判線速度快，無需人工干預。（4）語言報警：發生接地故障時，語音報出接地回路的極性及回路編號。（5）記憶功能：

21、可記憶故障線路及接地發生時間。（6）自檢功能：可自行檢查內部故障。（芯片級）（7）自恢復功能：抗干擾能力強。（8）STD標準總線結構：便于裝置升級和維修。（9）裝置不向被監測的直流系統施加任何信號，不會對被測系統有任何影響。（10）裝置的檢測速度和可靠性與被測系統的對地分布電容無關。3.2 技術指標（1）母線數：2段（2）出線數：32路（可擴）（3）系統數：14相同或不同電壓等級（4）接地指示時間5秒（5）電源：交流220±10%V4 硬件結構 裝置以單片機為核心，組成實時檢測系統?？紤]到功能的擴展與維修方便，采用標準工業控制總線STD BUS設計。裝置主要由五塊STD模板組成，系統

22、結構如圖5所示。STD BUS主控模板信號處理板語音報警板A/D模板打印機鍵盤顯示器 圖14 系統結構 4.1 主控板為提高裝置的實時性和抗干擾能力，選用8098單片機為主控部件，它是一種高性能的16位單片機，內部無累加器結構，而是采用寄存器寄存器結構，消除了累加器的瓶頸效應，操作速度和數據吞吐能力明顯提高；另外它具有高效率的指令系統，最長指令執行時間為9.5us，最短只需2us;8098內部還配有自恢復電路、高速輸入/輸出口、脈寬調制輸出以及10位A/D等，這對滿足設計的技術指標提供了先決條件。在主控板上設置了8K/16K程序存貯器，8K/16K/32K的數據存貯器，擴展了一片并行接口電路8

23、155和打印機電路，使該模塊具有鍵盤顯示接口及打印機接口。電路的結構框圖見圖6。88數據驅動8D0D7EPROMRAMA0A15組合邏輯地址驅動168155鍵盤顯示88098CPU控制驅動打印機電路8控制總線打印口 圖15 主控板結構框圖4.2 A/D模板A/D模板的主要功能是：將輸入的模擬量轉換成數字量，以適應計算機對輸入信號的要求。電路由模擬開關、采樣保持器、程控放大器、A/D轉換器及各寄存器、控制器、驅動、緩沖、光電隔離器等構成，其結構框圖如圖7所示。A/D轉換器采用12位AD574芯片，分辨率為1/4096，轉換時間為35us，非調整誤差±1LSB，輸入設定為雙極性，采用雙通

24、道差分輸入方式，其共模抑制比高，抗干擾能力強。由于應用了光電隔離技術，使數據總線、地址總線以及控制總線與受測現場的A/D轉換電路進行隔離，保證了STD總線系統能工作在平穩和安靜的環境中；電路中設有程控放大增益1256倍（可由軟件控制），不但調整方便，而且也提高了轉換精度。8 82 26 2A/D數據緩沖器采樣保持A/D數據驅動器8光電隔離器數據總線驅動器8D0D7程控放大2 28地址總線驅動器138采樣保持8程控增益寄存器A0A7光電隔離器2812位A/D62276光電隔離器A/D命令寄存器板及通道選擇器6 2模擬量多 路開關38512A/D轉換控制器控制總線驅動器控制信號圖7 A/D模板框圖

25、信號輸入4.3 信號處理板信號處理板由絕緣監察、故障信號獲取以及信號調理三部分組成。當系統發生接地或絕緣電阻低于規定值時，絕緣監察電路發送一個故障信號至8098單片機的高速輸入口HSI.0，由高速輸出口HSO.3控制信號獲取電路中的電子開關，使接地回路中傳感器二次產生一個故障信號，經信號調理后送A/D進行轉換。信號處理板結構組成見圖8。8098絕緣監察主控板HSI.0HSO.3故障信號獲取信號調理A/D圖16 信號處理電路組成框圖4.4 語音報警板為使儀器的人機對話更直觀，有利于值班人員對故障進行處理，設計了語音報警電路。它與數字顯示共同完成故障報警，并具有儀器自檢應答功能。報警電路由語音合成

26、器芯片UM5100、語音數據庫27512、緩沖鎖存器74LS273、音頻放大器LM324、LM386構成，其結構如圖9所示。先將所有故障語言信息及自檢應答語言信息通過UM5100寫入EPROM27512中（多片），建立語音數據庫（此工作只需做一次，結構圖中這部分框圖未標出）。裝置檢測到接地故障時，由主控板控制數據庫與語音合成器，將該故障的語音數據信息還原成模擬電壓信號，經放大后，由揚聲器輸出。UM510074LS27327512語音數據庫鎖存器語音合成器主控板音頻放大器 圖17 語音報警框圖4.5 鍵盤顯示板這是人機對話的主要部件，設置在儀器的面板上。設計時應充分考慮面板簡潔、自動化程度高、操

27、作方便。鍵盤顯示電路采用可編程鍵盤顯示管理芯片8279，硬件實現顯示掃描、鍵盤掃描和鍵盤去抖動。配合譯碼器、段選驅動器、位選驅動器、8段LED及小鍵盤組成6按鍵、6位LED模板（結構見圖10）。面板按鍵少（6只），設計中采用了復合鍵功能，能實現啟動、停止、輸出、自檢、重檢、故障記憶、打印、消音、顯示轉換、時間（年、月、日、時、分、秒）校正等十幾種功能。回饋鍵盤8279鍵盤顯示管理主控板掃描74LS138譯碼器位驅動 LED段驅動 9011×8 7407 圖18 鍵盤顯示電路變電站直流系統是十分重要的電源系統，它是一個獨立的系統，不受系統運行方式改變的影響，為控制回路、信號回路、繼電保

28、護、自動裝置及事故照明等提供可靠穩定的電源,它還為斷路器的分、合閘提供操作電源。 1. 直流接地的概念及產生的原因直流電源為帶極性的電源，即電源正極和電源負極。直流電源的“地”并不是實際接地，僅僅是個中性點的概念。如果直流電源系統正極或負極對地間的絕緣電阻值降低至某一整定值，這時我們稱直流系統有正接地故障或負接地故障。 直流系統由各種保護、控制設備、電纜、端子及箱體等構成，所接設備多、回路復雜，在長期運行過程中會由于環境的改變、氣候的變化、電纜以及接頭的老化，設備本身的問題等等，在絕緣老化破損、機械振動、灰塵沉淀、金屬生銹、潮濕、漏水等各種因素的作用下，不可避免的發生直流系統接地。從我們所遇到

29、的直流接地情況看，以端子箱、壓力表進水，電纜表皮破損，裸露金屬積有灰塵，在空氣潮濕時引起直流接地最為常見；備用電纜芯端面沒有包扎好而導致接地的現象也時有發生，另外，電纜在金屬處拐彎或穿過金屬物，由于振動、碰撞下產生絕緣磨損，也會發生直流接地。2. 直流接地的危害直流系統發生一點接地，不會對系統構成危害。但如果發展成兩點接地，就可能造成嚴重的后果。直流系統發生兩點接地故障，便可能構成接地短路，造成繼電保護、自動裝置誤動或拒動，或造成直流保險熔斷，使保護及自動裝置、控制回路失去電源。（1）直流正極接地，有使保護及自動裝置誤動的可能。因為一般跳合閘線圈、繼電器線圈正常與負極電源接通，若這些回路再發生一點接地，就可能引起誤動作。如圖1所示，由于K1，K2兩點接地，使出口跳閘繼電器接點J21接通，J1帶電，從而出口跳閘，而出現誤動。同理，兩點接地還可能造成誤合閘，誤報信號。（2）直流負極接地，有使保護自動裝置拒絕動作的可能。因為跳、合閘線圈、保護繼電器會在這些回路再有一點接地時，線圈被接地點短接而不能動作。同時，直流回路短路電流會使電源保險熔斷，并且可能燒壞繼電器接點，保險熔斷會失去保護及操作電源。如