電力百科第 49 期：直流電源
1 變電站、發(fā)電廠直流電源系統(tǒng)概述
變電站、發(fā)電廠的直流電源系統(tǒng)作為控制保護(hù)、自動(dòng)化裝置、高壓斷路器分合閘機(jī)構(gòu)、通信、計(jì)量、事故照明等設(shè)備的重要電源，其性能與質(zhì)量直接關(guān)系直接關(guān)系到變電站，甚至電網(wǎng)的正常運(yùn)行。直流電源好比變電站的“心臟”，對(duì)變電站的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，電源的可靠穩(wěn)定是保護(hù)裝置、自動(dòng)化設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。特別是無(wú)人值班變電站、綜合自動(dòng)化變電站的廣泛采用，程序化變電站、數(shù)字化變電站的推廣應(yīng)用，智能電網(wǎng)、智能變電站的發(fā)展，變電站自動(dòng)化水平的不斷提高，電源系統(tǒng)的問(wèn)題日漸顯現(xiàn)，重要性越來(lái)越突出。
2 直流電源系統(tǒng)典型主接線(xiàn)
直流電源系統(tǒng)典型主接線(xiàn)見(jiàn)圖1
兩組蓄電池兩套充電裝置的直流電源系統(tǒng)應(yīng)采用兩段單母線(xiàn)接線(xiàn)，兩段直流母線(xiàn)之間應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)電器。每組蓄電池組和充電裝置應(yīng)分別接人不同母線(xiàn)。
在進(jìn)行切換操作時(shí)，蓄電池組不得脫離直流母線(xiàn)，在切換過(guò)程中允許兩組蓄電池短時(shí)并列運(yùn)行。直流電源系統(tǒng)應(yīng)采用不接地方式。
3 直流電源的組成
直流電源系統(tǒng)主要由以下單元組成:交流輸人，充電模塊，監(jiān)控單元(含饋線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元)，電壓監(jiān)測(cè)、絕緣監(jiān)察(含接地選線(xiàn))裝置，硅降壓回路(可選)，蓄電池管理單元(可選)，直流饋線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，蓄電池。詳見(jiàn)圖2
3.1 交流輸入單元
充電裝置交流輸入應(yīng)設(shè)兩個(gè)回路，兩路交流電源應(yīng)分別取自站用電不同段交流母線(xiàn)。當(dāng)充電裝置兩路交流輸入采用切換方式時(shí)，切換裝置應(yīng)穩(wěn)定可靠;當(dāng)充電裝置兩路交流輸入不采用切換方式時(shí)，每路交流輸入應(yīng)盡量均分充電模塊的數(shù)量。
3.2 充電模塊
高頻開(kāi)關(guān)電源充電模塊的主要功能是將交流電源變換為高品質(zhì)的直流電源。模塊由全波整流及濾波器、高頻變換及高頻變壓器、高頻整流濾波器等構(gòu)成。模塊內(nèi)部應(yīng)具有監(jiān)控功能，顯示輸出電壓/電流值，能不依賴(lài)監(jiān)控單元獨(dú)立工作;應(yīng)具有保護(hù)、報(bào)警功能;并可帶電插拔更換及具有軟啟動(dòng)功能。
3.3 監(jiān)控單元(含饋線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元)
監(jiān)控單元是高頻開(kāi)關(guān)電源及其成套裝置的監(jiān)控、測(cè)量、信號(hào)和管理系統(tǒng)的核心部分，應(yīng)根據(jù)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，綜合分析各種數(shù)據(jù)和信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施控制和管理。 饋線(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)能采集每回直流饋線(xiàn)回路的斷路器位置，并與監(jiān)控單元通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有直流饋線(xiàn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。
3.4 電壓監(jiān)測(cè)、絕緣監(jiān)察(含接地選線(xiàn))裝置
在線(xiàn)監(jiān)測(cè)直流電源系統(tǒng)對(duì)地絕緣狀況(包括直流母線(xiàn)和各個(gè)饋線(xiàn)回路絕緣狀況)，并自動(dòng)檢出故障回路。能監(jiān)測(cè)母線(xiàn)正對(duì)地、母線(xiàn)負(fù)對(duì)地電壓，能檢測(cè)出每個(gè)支路的正對(duì)地電阻和負(fù)對(duì)地電阻。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)直流電源系統(tǒng)的絕緣狀況，應(yīng)安裝絕緣監(jiān)察裝置。
3.5 硅降壓回路
為了實(shí)行有效的蓄電池充電和保證直流電源控制母線(xiàn)的電壓要求，設(shè)有硅降壓回路，其應(yīng)有防止硅元件開(kāi)路的措施。額定電流應(yīng)滿(mǎn)足所在回路最大持續(xù)負(fù)荷電流的要求，并應(yīng)有承受沖擊電流的短時(shí)過(guò)載和承受反向電壓的能力。
3.6 蓄電池管理單元
檢測(cè)蓄電池的基本運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)蓄電池組和每個(gè)單體的實(shí)時(shí)電壓、電流、環(huán)境溫度的采集和記錄，并實(shí)現(xiàn)蓄電池組端電壓過(guò)高、過(guò)低，單體蓄電池端電壓過(guò)高、過(guò)低，各單體蓄電池壓差過(guò)高，蓄電池環(huán)境溫度的過(guò)高、過(guò)低，蓄電池組充電電流過(guò)大，蓄電池組浮充電流過(guò)大等報(bào)警內(nèi)容。
3.7 直流饋線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)
直流電源供電回路分為環(huán)形供電方式和輻射供電方式。環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)干線(xiàn)或小母線(xiàn)的二回直流電源應(yīng)分別經(jīng)直流斷路器接人兩段直流母線(xiàn)，正常時(shí)為開(kāi)環(huán)運(yùn)行。環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)干線(xiàn)引接負(fù)荷支路應(yīng)設(shè)置直流斷路器。
直流電源系統(tǒng)支路直流熔斷器和直流斷路器級(jí)差配合原則:應(yīng)注意上下級(jí)之間的配合。當(dāng)直流斷路器與熔斷器配合時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)作特性的不同，對(duì)級(jí)差做適當(dāng)調(diào)整。直流斷路器下一級(jí)不宜再接熔斷器。上、下級(jí)均為直流斷路器的，額定電流宜按照4級(jí)及以上電流級(jí)差選擇配合。蓄電池出口為熔斷器，下級(jí)為直流斷路器的，宜按照2倍及以上額定電流選擇級(jí)差配合。變電站內(nèi)設(shè)置直流保護(hù)電器的級(jí)數(shù)不宜超過(guò)4級(jí)。
3.8 蓄電池
蓄電池是一種可多次重復(fù)使用的化學(xué)電源。它可將儲(chǔ)備的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┙o負(fù)荷，這一過(guò)程稱(chēng)為放電。當(dāng)參加反應(yīng)的物質(zhì)以電能的形式釋放完畢之后，可用充電器對(duì)其輸人直流電能，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，這一過(guò)程稱(chēng)為充電。
大中型變電站一般都采用將若干個(gè)蓄電池連接組成的蓄電池組作為直流操作電源，它是一種獨(dú)立式電源系統(tǒng)，與一次系統(tǒng)的運(yùn)行方式無(wú)關(guān)，在一次系統(tǒng)發(fā)生故障，甚至在變電站失去全部交流電的情況下，仍能在一定時(shí)間內(nèi)可靠工作，以保證直流負(fù)荷的正常工作，因此具有較高的供電可靠性和穩(wěn)定性。而且蓄電池電壓平穩(wěn)，容量較大，能夠適用任何復(fù)雜的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置，對(duì)于各種類(lèi)型的斷路器都可以用直流操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。
4 直流電源系統(tǒng)的新技術(shù)應(yīng)用
4.1 監(jiān)控裝置的高級(jí)功能應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)人值班變電站均沒(méi)有提出符合智能化電網(wǎng)的直流監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)定。應(yīng)進(jìn)一步完善直流系統(tǒng)智能化功能，使之具備直流電源實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、信號(hào)報(bào)警顯示系統(tǒng)、自動(dòng)診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)及維護(hù)系統(tǒng)等功能。
無(wú)人值班變電站直流監(jiān)控系統(tǒng)除應(yīng)符合一般規(guī)定外，還需要滿(mǎn)足以下高級(jí)功能應(yīng)用要求:統(tǒng)一數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種運(yùn)行狀態(tài);支持可視化運(yùn)行維護(hù);具有智能告警、信息綜合分析、自診斷及遠(yuǎn)程維護(hù)等功能。這些功能對(duì)準(zhǔn)確了解現(xiàn)場(chǎng)直流電源系統(tǒng)問(wèn)題及提升故障處理響應(yīng)速度，及時(shí)矯正運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)有重要意義，將是未來(lái)無(wú)人值班變電站直流監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。
4.2 絕緣檢測(cè)技術(shù)提升
絕緣檢測(cè)裝置需具有下列功能:
①每段母線(xiàn)配置一套絕緣檢測(cè)裝置，兩套裝置之間具有通信接口;
②每套裝置正常獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)兩段母線(xiàn)臨時(shí)并列時(shí)，經(jīng)過(guò)選定，一套裝置退出運(yùn)行，其所有被檢測(cè)回路自動(dòng)切換到另一套裝置;
③具有如下報(bào)警功能:交流竄人報(bào)警、直流互竄報(bào)警、絕緣降低報(bào)警、母線(xiàn)電壓異常報(bào)警、電池接地定位顯示、檢測(cè)二段母線(xiàn)環(huán)網(wǎng)功能、自檢功能。
絕緣檢測(cè)裝置檢測(cè)數(shù)據(jù)、信號(hào)，經(jīng)過(guò)整理分析，通過(guò)通信接口輸送到監(jiān)控裝置，重要報(bào)警信號(hào)用無(wú)源硬接點(diǎn)輸出。
新要求的交流竄人報(bào)警、直流互竄報(bào)警等環(huán)網(wǎng)檢測(cè)功能的加人將有效提升直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
4.3 蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)方監(jiān)控
蓄電池組是直流系統(tǒng)的獨(dú)立后備電源，是變電站的最后一道防線(xiàn)，對(duì)變電站的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。由于電池長(zhǎng)期處于備用狀態(tài)，因此電池的制造質(zhì)量和日常管理及維護(hù)是否到位決定著電池在關(guān)鍵時(shí)刻能否發(fā)揮作用。應(yīng)加強(qiáng)蓄電池日常專(zhuān)業(yè)化維護(hù)管理，加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的隱患。
蓄電池在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置可在線(xiàn)監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、電流、溫度和內(nèi)阻，并可對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行智能預(yù)測(cè)。通過(guò)測(cè)量蓄電池參數(shù)，發(fā)現(xiàn)蓄電池內(nèi)部問(wèn)題。也可實(shí)現(xiàn)蓄電池遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)方在線(xiàn)監(jiān)測(cè)蓄電池運(yùn)行狀況，及時(shí)判斷電池設(shè)備性能，提高運(yùn)行可靠性，減少工作量，提高設(shè)備維護(hù)質(zhì)量。
4.4 鋰離子蓄電池在直流電源系統(tǒng)的應(yīng)用
近年來(lái)，鋰離子蓄電池因其屬于無(wú)毒、無(wú)污染的新型環(huán)保電池，具有比能量大、壽命長(zhǎng)、自放電率小、工作溫度范圍寬、維護(hù)工作量小等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)已有試運(yùn)行。但由于其設(shè)計(jì)原型是用于頻繁充放電的啟動(dòng)型蓄電池，將其應(yīng)用為以浮充電方式運(yùn)行的直流電源，對(duì)蓄電池安全性、容量選擇計(jì)算以及現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)接線(xiàn)適用性、充放電運(yùn)行方式等方面的影響還需要做深人研究。需要繼續(xù)跟蹤研究銼電池安全穩(wěn)定運(yùn)行的方法和措施，對(duì)鋰電池的各種曲線(xiàn)、系數(shù)等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)和資料整理，確定其在電力工程的應(yīng)用范圍、運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)構(gòu)成以及設(shè)備選擇等相關(guān)技術(shù)要求。在經(jīng)過(guò)實(shí)際變電站工程的設(shè)計(jì)、計(jì)算、安裝、調(diào)試，驗(yàn)證研究成果后，逐漸推廣應(yīng)用。
4.5 交直流電源一體化設(shè)計(jì)
整個(gè)站用電源包括交流電源、直流電源、逆變電源、UPS電源、通信電源，采用一體化電源設(shè)計(jì)，就是對(duì)變電站的所有電源進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)為:
1)采用統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)，避免了各種電源通信不統(tǒng)一，重復(fù)檢測(cè)及電源間溝通困難的缺點(diǎn)，可根據(jù)負(fù)荷的需要優(yōu)化配置。
2)可集中引人故障預(yù)警(如蓄電池的在線(xiàn)監(jiān)測(cè))和設(shè)備自檢等功能，安全高效。
3)原各種電源間的跨屏電纜可大大減少。
4)一體化的防雷設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)成本降低，防雷性能更好。
5)不同電源間的開(kāi)關(guān)品牌、極差配合的問(wèn)題可一體化考慮。
6)整個(gè)變電站站用電源統(tǒng)一使用電池，避免電池的分散投資和維護(hù)，使變電站的電池成本更低，可靠性更高。
7)由于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，統(tǒng)一分析，使得整個(gè)電源系統(tǒng)的維護(hù)變得非常簡(jiǎn)潔、高效。 但目前一體化的通信以及過(guò)載和短路的配合還需要深人、系統(tǒng)的研究。
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