摘要：通过事故实例，论述了直流系统纹波产生机理、现场检测及其对继电保护装置安全可靠运行的影响，并有针对性地提出了直流系统日常运行维护的有关措施。

关键词：直流系统；纹波；继电保护装置


直流系统是发电厂、变电所（站）的重要设备系统，在正常运行和事故情况下都必须保证不间断地供电，并满足电压质量和供电能力的要求。直流系统事故，特别是直流电源中断，必将对厂、所（站）主设备造成严重损坏，对电力系统造成极其严重的事故和巨大经济损失，而对于直流系统电压质量的一个重要指标，纹波含量对电力系统及其厂、所（站）主设备造成的危害，往往容易被忽略。

2006年10月1日，山东诸城市供电公司110kV解留站的工频相控式可控硅，直流蓄电池系统电压出现异常，35kV解石线301断路器时限速断保护跳闸。现场检查发现，合闸母线、控制母线电压波动剧烈，合闸母线电压最低降至168V，控制母线电压最高升至289V，自动稳压失灵。检查充电机交流输入电源正常，整流输出电源异常。通过调整直流系统屏上的手动调压旋钮发现，可以将合闸母线电压调上去，但是控制母线电压随之上升很大，远远超出设备电压承受能力。经检查分析，确定该套直流系统已无法继续运行。在更换新的直流系统前，决定利用运行多年的相控式可控硅电容储能直流系统临时代替供电。

临时代替供电的相控式可控硅电容储能直流系统投运后，直流电压输出稳定，手动调压可靠，利用备用断路器分合闸操作，一切正常。2006年10月27日，110kV解留站35kV解程线302断路器时限速断保护跳闸，解程线供电的程戈庄站备用电源自动投入装置动作，切换至备用线路供电。对解留站35kV解程线302断路器时限速断保护装置进行了检查和现场试验，一切正常，对35kV解程线、相关一次设备、二次回路进行检查试验，未发现问题；对解留站直流系统进行检查，控制母线、合闸母线电压正常，未发现异常情况。

1事故原因分析

110kV解留站为1985年建设投运的变电站，保护装置采用电磁式继电器组成，直流系统是相控式可控硅整流铅酸蓄电池系统。1997年实施保护装置反事故措施时，对变压器中、低压侧时限速断保护和35kV线路时限速断保护增加了部分静态继电器。

10月1日，35kV解石线301断路器时限速断保护动作，检查发现静态继电器电路板的信号，及输出部分有明显的短路烧毁痕迹，配合生产厂家专业人员分析认为，信号出口电路板在短路烧毁过程中，产生的电弧致使出口接点短路。直流系统电压的大范围波动最高至289V，是造成静态继电器电路板烧毁的主要原因。考虑全部静态继电器均承受了高电压的破坏，因此更换了该站全部静态继电器。

10月27日，当35kV解程线302断路器时限速断保护动作后，首先对静态继电器进行了检查试验，在未发现问题后，对一次设备进行了检查试验，依旧未发现问题。通过再次对事故进行分析，转变思路，将检查重点转为直流系统。

直流系统临时更换静态继电器（时限速断保护）后，是否存在二次接线错误；交直流二次回路绝缘性能是否良好。首先应再次测量直流系统电压，测量值为223V，稳定正常；检查保护装置二次接线，未发现错误；用500V摇表测量交直流二次回路绝缘，绝缘良好；在解程线电流互感器一次侧加电流进行整组试验，正确良好。至此，事故查找似乎走入了死胡同。

经过再次仔细分析二次保护装置动作情况，两次均为静态继电器组成的时限速断保护动作，第一次很明显，由于直流系统电压波动原因导致误动作，第二次虽然临时直流系统电压稳定，未发现异常，考虑到静态继电器抗干扰能力弱的实际情况，把重点放在直流系统的检查上，立即利用示波器对直流系统输出进行详细的检查。结果发现，该套临时直流系统的直流输出波形不够平滑，有明显的交变波形存在。并发现其交流含量有效值在直流电压223V时达到9.6V，进一步试验，逐步调高直流系统交流输入电压（模拟电力系统电压正常波动），发现其交流含量有效值在直流电压缓慢升高的情况下急速上升，当直流电压升高到230V时，交流电压有效值达到11.2V。即随着系统电压的升高，交流含量呈放大升高特性，初步判断为直流系统纹波含量超标，导致事故的发生。

为进一步证明判断的正确性，到其他变电站对直流系统进行测量比较，结果发现，其他变电站的直流波形平缓，交流含量均为零，这就进一步证明了解留站直流系统纹波严重超标，是造成静态继电器误动作的原因。

2事故中纹波产生的原因

由于直流稳压电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳压量中多少带有一些交流成分，这种叠加在直流稳压量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。
目前，诸城电力系统已广泛使用的直流系统大多为智能型高频开关电源，免维护阀控密封铅酸蓄电池系统，110kV解留站使用直流系统，为过去广泛采用的相控式可控硅整流铅酸蓄电池系统。对于智能型高频开关电源，现在技术已成熟，频率达到100～200kHz的交流电，技术上更容易整流和滤波，所以纹波含量极少。对于相控式可控硅整流直流系统，采用的是直接对工频交流电压进行整流。全波整流输出为100Hz脉动直流，此时直流脉动系数为0.67，纹波系数为47。当采用LC型滤波后，由于电感有抑制电流突变的作用，使滤波电容两端的电压不能达到阳极电压幅值。因此，LC型滤波输出直流电压纹波系数为0.47，约为0.59。当采用CLC型滤波后，纹波系数可以控制在0.015以下。采用可控硅整流后，只是提高了电压的可调控性，其纹波含量、滤波原理及滤波难度均未改变，所以纹波含量和固有缺陷也基本相当。

正是因为相控式可控硅整流系统，完全依靠其滤波回路来达到较低直流纹波系数的目的，当相控式可控硅整流系统滤波回路元件特性，由于老化等原因发生改变时，其滤波效果将大大降低，也就是其纹波系数大大变高的原因。

我国有关标准规定，用于电力系统的直流充电设备的稳流精度不大于±0.5～1，稳压精度不大于±0.1～0.5，直流母线纹波系数不大于0.2～0.51。而该事例中直流系统的纹波系数已超过4.3。

3事故处理措施及整改

事故原因查清后，当即对110kV解留站直流系统进行了改造更换。拆除原有相控式可控硅整流铅酸蓄电池系统，更换为智能型高频开关电源免维护阀控密封铅酸蓄电池系统。结合该站实际负荷情况，选用了GZD(W)-2（200Ah）微机监控高频开关直流电源系统。该系统的整流模块采用的是边缘谐振软开关技术，直流输出额定电压/电流为220V(110V)/10(20A)，并配备输出电压电流调节和限流功能。

新更换直流系统投运后，测得该站直流稳压精度为0.31％、直流稳流精度为0.49％、直流母线纹波系数为0.11％，完全符合国家有关规程要求。

新直流系统投运后，对该站直流系统进行24h监控测量半个月之久，未出现异常现象。新的直流系统已投运近5个月，该站未曾出现因直流电源而导致的继电保护装置动作、烧毁等严重危害电网安全运行的故障。

4直流系统的日常维护

4.1纹波对继电保护装置的影响

对于需要直流供电的电力系统中大量的二次设备，对纹波的敏感性是不一样的。对于电磁继电器，对纹波抵抗能力较强，较少的纹波含量，只是导致继电器线圈发热，损耗升高，随着纹波含量的增加，将导致继电器节点抖动、烧毁继电器线圈甚至误动作。对于以电子元器件、集成电路为主组成的静态继电器、微机保护则对纹波比较敏感。首先静态继电器、微机保护需要直流电源作为工作电源，以稳定工作的环境，不受直流电压中的纹波含量影响。其次，静态继电器、微机保护的大量元器件都是密集布置在印刷电路板上的。印刷电路板的密集布线和高度精密性决定了它的抗纹波干扰能力、耐压能力极弱。当直流电源中纹波含量超标时，一方面，不同频率的纹波交变电压含量极易导致电子元器件之间的干扰，导致继电器接点抖动。另一方面，纹波电压，极大地降低了电路板和电子元器件的耐压能力，大大增加了元器件的泄漏电流，随着纹波电压的升高，电子元器件及电路板布线之间极易形成交流短路、电子逻辑混乱，从而导致继电器误动作或烧毁。

4.2直流系统的日常维护和注意事项

直流系统选型应优先选用智能型高频开关电源，直流免维护蓄电池系统，该类设备对纹波控制得更好，不易受元器件老化的影响，也是直流系统发展趋势，更能满足电力系统的要求。

直流系统设备通风应良好，运行环境温度应保持在5～35℃，最好控制在20℃左右，安装地点应装设温度调节装置。

交接验收应严格按标准执行，在检查蓄电池容量时，需对蓄电池组进行三次充放电试验，放电终止电压根据制造厂的规定，2V蓄电池为1.8V。其中一只蓄电池放电到了终止电压，即应停止放电。在三次充放电循环之内，若达不到额定容量值的100，此蓄电池不合格。