直流電源裝置工作原理及接地故障分析.doc

1、直流電源裝置工作原理及系統(tǒng)接地故障案例分析一、直流電源裝置工作原理1高頻開關(guān)電源工作原理MK50智能型高頻開關(guān)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(yōu)點.采用高頻開關(guān)斬波直流變換器和先進的PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，確保電力系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定供電。供電線路采用充電模塊與穩(wěn)壓模塊并聯(lián)運行方式，輸入的交流主電源經(jīng)三相橋整流、濾波后,一路經(jīng)充電模塊對電池進行恒壓限流充電，另一路經(jīng)穩(wěn)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(tǒng)，當(dāng)主電源停電時，系統(tǒng)可自動切換到備用電源供電；當(dāng)交流電源停電時，電池經(jīng)穩(wěn)壓模塊或硅堆向負荷供電。手動旁路開關(guān)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(dāng)主電源恢復(fù)正常供電后，系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始狀態(tài)。2  監(jiān)控系統(tǒng)簡介MK50智能型高頻開關(guān)電源,采用PLC作為直流電源的監(jiān)控系統(tǒng)以及和用戶之間的通訊接口。監(jiān)控系統(tǒng)提供了設(shè)備的操作、控制、參數(shù)測試、運行狀態(tài)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(zhuǎn)換單元(A/D、D/A)、緊急斷電按鈕（SB）等部件組成。2.1  系統(tǒng)簡介智能操作顯示單元的觸摸式液晶顯示屏可進行系統(tǒng)操作，并能顯示所有與直流電源有關(guān)的信息，包括電氣參數(shù)顯示、直流電源工作狀態(tài)、故障存儲以及報警等。投入使用后，液晶顯示屏出現(xiàn)主屏幕信息，按“菜單”鍵即可進入菜單選擇屏幕。2。2系統(tǒng)的監(jiān)控功能2。2。1系統(tǒng)操作   在菜單選擇屏幕狀態(tài)下，按“操作”鍵進入系統(tǒng)操作屏幕，進行充電方式選擇及“系統(tǒng)啟動"和“系統(tǒng)停止”操作.根據(jù)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(shè)定。2.2。2參數(shù)設(shè)定和參數(shù)顯示  在菜單選

4、擇屏幕狀態(tài)下，按“參數(shù)”鍵進入?yún)?shù)設(shè)定和參數(shù)顯示屏幕。主要參數(shù)有：充電電壓，充（放)電電流，輸出電壓，輸出電流。2.2.3  故障存儲顯示及報警  在菜單選擇屏幕狀態(tài)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(fā)生的內(nèi)容及發(fā)生時間.2。2.4  系統(tǒng)狀態(tài)  在菜單選擇屏幕下，按“系統(tǒng)狀態(tài)”鍵進入系統(tǒng)狀態(tài)屏幕，又細分為“控制母線"、“合閘母線"和“電源狀態(tài)”畫面，可分別監(jiān)察電源工作狀態(tài)及各分路斷路器的分合狀態(tài).文檔為個人收集整理,來源于網(wǎng)絡(luò)本文為互聯(lián)網(wǎng)收集，請勿用作商業(yè)用途3直流電源的運行狀態(tài)3.1&#

5、160; 正常運行    采用交流電源供電時，整流器將交流電轉(zhuǎn)變成直流電,經(jīng)過整流濾波后對電池組進行均衡充電或浮充電的同時,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(lián)系而不中斷對系統(tǒng)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(wěn)壓模塊的運行并實現(xiàn)電氣隔離，在進行設(shè)備內(nèi)部的檢修時，不致對技術(shù)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(dāng)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(jīng)

6、穩(wěn)壓模塊對控制母線提供一個穩(wěn)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  主要技術(shù)參數(shù)及應(yīng)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(wěn)壓精度：±0。5穩(wěn)流精度：±0。5穩(wěn)波電壓:0.5絕緣強度：交流2000V，1min控制技術(shù)：15KHz,（PWM）脈寬調(diào)制技術(shù)二、 直流系統(tǒng)接地故障案例分析1、直流接地概況變電所直流系統(tǒng)比較復(fù)雜，它需要供給動力、照明、控制、信號、繼

7、電保護及自動裝置等系統(tǒng)，且還須通過電纜線路與屋外配電裝置的端子箱、操作機構(gòu)箱連接，發(fā)生接地機會較多.直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時，由于沒有短路電流通過,熔斷器不會熔斷,仍能繼續(xù)運行。但是這種故障必須及早發(fā)現(xiàn)并予以排除，否則當(dāng)再發(fā)生另一點接地時，構(gòu)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(dāng)系統(tǒng)中某一處發(fā)生單相接地時，絕緣監(jiān)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(fā)生接地。DLK1K2DL圖1輸電線路過流保護的直流操作回路一極發(fā)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(tǒng)絕緣保持在良好的

8、情況下，要求：*每一個二次回路對地絕緣電阻不應(yīng)小于1兆歐（在比較潮濕的地區(qū)允許降低到0。5兆歐)當(dāng)直流系統(tǒng)的任一極對地絕緣電阻對于220V系統(tǒng): R地<1520k110V系統(tǒng)： R地46k48V系統(tǒng): R地1.5k時，應(yīng)發(fā)出燈光和音響信號。2、絕緣監(jiān)察裝置YAYAYA11燈監(jiān)視裝置 _ _ZJ 圖2 燈監(jiān)視裝置原理接線圖 圖3 檢查直流系統(tǒng)絕緣時造成繼電器誤動作 優(yōu)點:簡單、費用省缺點：（1）。直流回路絕緣接地時不能發(fā)出信號,只有檢查時才能發(fā)現(xiàn)。 （2）。不能反映直流回路絕緣電阻數(shù)值. （3)。任一極絕緣不良，經(jīng)較大電阻接地時，燈亮案較難區(qū)分。 （4）.若在中間繼電器ZJ前一點D接地，在

9、按下按鈕后電流較大,使大部分繼電器誤動。1。2電壓表監(jiān)視裝置VVR21R1V _ _ 圖4 電壓表監(jiān)視裝置原理接線圖 圖5 電壓表監(jiān)視裝置的測量分析優(yōu)點:（1)設(shè)備簡單，費用省。 （2）能測量每極對地的電壓值，經(jīng)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(fā)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(jiān)測裝置 + _ IOXJJR1R21R+R-圖5 直流電橋監(jiān)測裝置原理圖 本裝置是根據(jù)直流電橋的工作原理構(gòu)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(shù)值相等（通常選用R1=R2=1000歐），并與直流系統(tǒng)正負極對地電阻R+與R-組

10、成電橋的四個臂。繼電器XJJ則接于電橋的對角線上,相當(dāng)于直流電橋中檢流計的位置。正常狀態(tài)下直流母線正負極的對地絕緣電阻R+與R-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(dāng)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(dāng)此電流足夠大時，繼電器XJJ動作,其常開觸點閉合，發(fā)出預(yù)告信號.1.4通用絕緣監(jiān)視裝置+ （1） 用一只直流電壓表2V和一只轉(zhuǎn)換開關(guān)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(tǒng)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

11、直流母線工作電壓._ 圖7絕緣監(jiān)視部分電氣接線圖12ZK2ZKCK3R1RXJJ2R2R1R XJJ CKCK V圖6通用絕緣監(jiān)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(fā)電廠和變電所直流系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且通過電纜與配電裝置的端子箱、操動機構(gòu)等相連接，發(fā)生接地機會較多.直流系統(tǒng)發(fā)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(xù)運行。但如果這種單點接地故障不及時消除，繼而發(fā)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(tǒng)接地現(xiàn)象也時有發(fā)生,以前這幾個降壓站直流系統(tǒng)雖都裝有傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)察裝置,但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地或絕緣電阻低于一定值時 ,只能發(fā)出燈光和音響

12、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，會增加保護誤動、開關(guān)拒動或信號失靈的危險，容易引發(fā)事故。近年來，國內(nèi)有關(guān)院所已開發(fā)了一些直流絕緣監(jiān)測裝置。由于這些裝置大多需依靠對直流系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)攻關(guān)小組，廣泛收集了國內(nèi)外有關(guān)資料,對直流系統(tǒng)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(tǒng)注入任何信號的檢測方法，并采用計算機技術(shù)對故障信號進行控制和處理，完善地解決了直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)

13、測問題. 本裝置只能在某一極絕緣下降到一定數(shù)值時自動發(fā)出信號，它由電阻1R、2R和一只內(nèi)阻較高的繼電器XJJ構(gòu)成，當(dāng)不測量母線對地電壓時,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(dāng)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(shè)R3=R4，故XJJ線圈中沒有電流流過，當(dāng)電流足夠大時，繼電器動作，自動發(fā)出信號.R21R1 + _ IOXJJR1R21XJJZJR4R33 圖8 絕緣監(jiān)視部分的原理分析 圖9 絕緣監(jiān)視部分使繼電器 誤動的可能性分析流過絕緣監(jiān)視繼電器XJJ線圈的電流IO，用有源兩端定理，可

14、解得（見圖8)： U（ R3 R1IO = R3+R4 R1+R2 R1R R3R4 R1+R2 R3+R42 檢測原理2.1 接地故障判別 本裝置采用圖1所示電路實現(xiàn)直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)察.圖中R1、R2（R1=R2）與直流系統(tǒng)正負極對地絕緣電阻R+和R-組成電橋的四個臂。絕緣監(jiān)視繼電器K與可調(diào)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(lián)后接在電橋的對角線上，相當(dāng)于直流電橋中檢流計位置.正常狀態(tài)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(jiān)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(dāng)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

15、圈的電流IK，可用有源兩端網(wǎng)絡(luò)定理解得：R1R+R+R- R1+R2 U（ - ）R1R2R+R- IK= (21)+Rj+RP+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(diào)電阻器； R1、R2-橋臂電阻。 當(dāng) 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(tǒng)絕緣正常時，R+=R-,IK=0，K不動作。當(dāng)系統(tǒng)中任一極的絕緣下降到一定值（在220V直流系統(tǒng)中，絕緣電阻一般整定在1520k），且使IK達到絕緣監(jiān)視繼電器K的動作電流時,繼電器動作,其常

16、開接點K接通，此時圖1右邊電路中A點電位由高電平變?yōu)榈碗娖?。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(tǒng)發(fā)生接地故障。PEKRPHSI.0AK+VcR+ J1 R- R1 R2 R1 圖1 0 絕緣監(jiān)察電路由于裝置中設(shè)有一人工接地點，這樣當(dāng)直流二次回路中任一中間繼電器ZJ一端發(fā)生接地時（如圖2中的B點),在絕緣監(jiān)視繼電器K、中間繼電器ZJ及電源之間構(gòu)成回路，回路中電流IK同時流過絕緣監(jiān)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(yīng)保證絕緣監(jiān)視繼電器能可靠動作,而中間繼電器不動作.因此，絕緣監(jiān)視繼電器應(yīng)選用高靈敏度繼電器，其內(nèi)阻要大于直流系統(tǒng)中任一中間繼電器的內(nèi)阻，以確

17、保裝置的可靠性. R1 R2IKKJ1RPZJBIK 圖11 絕緣監(jiān)察部分使繼電器誤動作可能性分析2。2 選線方法 前面我們已經(jīng)闡述了判別直流系統(tǒng)是否有接地故障存在的方法。但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)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(fā)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(shè)計了一種可控電子開關(guān)，開關(guān)的一端與外部接地線相連，另一端經(jīng)電阻R2與電源相連接構(gòu)成回路,如圖3所示。圖中左半部電子開關(guān)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(tǒng)中某一支路N，在該支路的供電線

18、路上裝有電流傳感器模塊T。當(dāng)直流系統(tǒng)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），電流傳感器無信號輸出。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)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(guān)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(chǎn)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(chǎn)生一電流信號I0，此電流信號經(jīng)裝置采集后,根據(jù)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(zhì)（即為正極接地還是負極接地）。接地電阻可根據(jù)下式求出: UnI0R2 Rx = (23） nI0 式中 n傳感器模塊的電流比； I0傳

19、感器的二次電流（由裝置采集); U直流系統(tǒng)的電壓值； R2電子開關(guān)負載電阻。如在直流系統(tǒng)的每一支路中都裝上電流傳感器模塊，裝置便可進行巡回檢測和完成故障線路的選線.2。3 系統(tǒng)控制本裝置是根據(jù)計算機高速輸入口HSI.0電平的高低來判別直流系統(tǒng)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(yīng)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(guān)P的使能端。當(dāng)直流系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時，計算機的高速輸入口HSI。0變?yōu)榈碗娖?。軟件控制計算機的高速輸出口HSO.0，延時輸出高電平，經(jīng)光耦T

20、IL驅(qū)動繼電器J1動作，其常閉接點打開（見圖1），以隔離絕緣監(jiān)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，驅(qū)動電子開關(guān)P工作。裝置對直流系統(tǒng)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(zhuǎn)為“低”電平，J1繼電器釋放，電子開關(guān)P停止工作,裝置進入監(jiān)測高速輸入口HSI.0狀態(tài)，或響應(yīng)鍵盤操作.+12VD1J1 GR4HSO。0 R4 TIL HSO.3 電子開關(guān)P 圖13 故障信號監(jiān)測控制簡圖3 裝置的特點和技術(shù)指標(biāo)3.1 特點（1)數(shù)字顯示：發(fā)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

21、到一機多用.（3）判線速度快，無需人工干預(yù).（4）語言報警：發(fā)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：可記憶故障線路及接地發(fā)生時間.（6)自檢功能：可自行檢查內(nèi)部故障。（芯片級）（7）自恢復(fù)功能：抗干擾能力強。（8)STD標(biāo)準總線結(jié)構(gòu)：便于裝置升級和維修。(9）裝置不向被監(jiān)測的直流系統(tǒng)施加任何信號，不會對被測系統(tǒng)有任何影響。（10)裝置的檢測速度和可靠性與被測系統(tǒng)的對地分布電容無關(guān)。3。2 技術(shù)指標(biāo)(1）母線數(shù)：2段（2）出線數(shù)：32路（可擴)(3）系統(tǒng)數(shù)：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±10V4 硬件結(jié)構(gòu) 裝置以單片機為核

22、心,組成實時檢測系統(tǒng)?？紤]到功能的擴展與維修方便,采用標(biāo)準工業(yè)控制總線STD BUS設(shè)計。裝置主要由五塊STD模板組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(nèi)部無累加器結(jié)構(gòu),而是采用寄存器-寄存器結(jié)構(gòu),消除了累加器的瓶頸效應(yīng)，操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力明顯提高；另外它具有高效率的指令系統(tǒng)，最長指令執(zhí)行時間為9。5us，最短只需2us；8098內(nèi)部還配有自恢復(fù)電路、高速輸入/輸出口、脈寬調(diào)制輸出以及10位A/D等，這對滿足設(shè)

23、計的技術(shù)指標(biāo)提供了先決條件。在主控板上設(shè)置了8K/16K程序存貯器，8K/16K/32K的數(shù)據(jù)存貯器，擴展了一片并行接口電路8155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(jié)構(gòu)框圖見圖6。88數(shù)據(jù)驅(qū)動8D0D7EPROMRAMA0A15組合邏輯地址驅(qū)動168155鍵盤顯示88098CPU控制驅(qū)動打印機電路8控制總線打印口 圖15 主控板結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成數(shù)字量,以適應(yīng)計算機對輸入信號的要求。電路由模擬開關(guān)、采樣保持器、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及各寄存器、控制器、驅(qū)動、緩沖、光電隔離器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。A/D轉(zhuǎn)換器

24、采用12位AD574芯片，分辨率為1/4096，轉(zhuǎn)換時間為35us，非調(diào)整誤差±1LSB，輸入設(shè)定為雙極性,采用雙通道差分輸入方式，其共模抑制比高，抗干擾能力強。由于應(yīng)用了光電隔離技術(shù),使數(shù)據(jù)總線、地址總線以及控制總線與受測現(xiàn)場的A/D轉(zhuǎn)換電路進行隔離，保證了STD總線系統(tǒng)能工作在平穩(wěn)和安靜的環(huán)境中;電路中設(shè)有程控放大增益1256倍（可由軟件控制），不但調(diào)整方便，而且也提高了轉(zhuǎn)換精度.8 82 26 2A/D數(shù)據(jù)緩沖器采樣保持A/D數(shù)據(jù)驅(qū)動器8光電隔離器數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器8D0D7程控放大2 28地址總線驅(qū)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(guān)38512A/D轉(zhuǎn)換控制器控制總線驅(qū)動器控制信號圖7 A/D模板框圖信號輸入4。3 信號處理板信號處理板由絕緣監(jiān)察、故障信號獲取以及信號