直流電源系統在國內外的應用狀況

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(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

直流電源系統是保障發電、輸電和配電安全運行的關鍵環節。直流電源系統是保障電力系統正常運行不可缺失的重要輔助系統，不僅需要在正常情況下為輔助設備提供電能，更在電網故障等異常情況下為重要輔助設備提供連續可靠的電能，以確保事故狀態下人身和設備的安全，并保障故障的快速恢復。

隨著電網技術的不斷發展，對站用直流電源系統的供電可靠性和安全性提出了更高的要求，使得國內外電力行業對該系統的關注度逐漸提高。

下面根據四川省近10年來直流電源系統設備和運行數據的統計和分析，并結合在CIGRE WG B3.42工作過程中對國外直流電源系統應用情況的了解，對該系統在國內外的應用現狀進行了介紹。

1 站用直流電源系統得到廣泛關注

長期以來直流電源系統因其電壓等級低、技術門檻較低等因素，其受到的關注度有限。不過，隨著電力技術與智能化技術的廣泛融合，電網的運行、控制和調度的數字化、信息化、智能化等方面得到顯著的發展[1]，對站用直流電源系統的供電可靠性和安全性提出了更高的要求。一旦直流電源系統發生故障，非常容易造成主設備喪失控制與保護功能，特別是在電網發生故障時，無法快速切除故障甚至造成事故擴大，延緩電網恢復時間，使電力系統受到的危害和引起的損失也更大。全國近年來發生的事故也不斷地印證了這一點。這也使得國內外電力行業對直流電源系統的關注度逐漸提升。

國際大電網會議(CIGRE)組織B3技術委員會組建了工作組(WG)B3.42(Reliability Analysis and Design Guidelines for LV AC/DC Auxiliary Systems)對發電廠、變電站以及換流站用的低壓交直流配電領域的系統設計和可靠性進行研究。

美國電氣與電子工程師協會(IEEE)組織的Power and Energy Society/Substations(PE/SUB)成立了工作組WGD9-Substation Auxiliary System-Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations 來討論、研究變電站用低壓交直流配電領域相關的技術問題，并組建標準編制項目 P1818-IEEE Draft Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations。該標準初稿已完成待正式發布。

2 國內直流電源系統近10年來的應用情況

近10年來，國內電網規模、電力技術快速發展，四川電網是其中的一個典型縮影。因此，下面以四川省直流電源系統的應用狀況為例，在變電站數量不斷增多、維護人員數量又少、技術水平短時內提升有限的情況下，來探討直流電源系統運行狀況。

2.1 直流電源系統的快速持續增長

近10年來，四川省110 kV及以上變電站數量以平均每年增長63%的速度從2007年不足500座增長為1000多座，相應的蓄電池組數量也從約600組增加一倍多達到近1400組，如圖 1所示。

圖1 四川省近10年變電站和蓄電池數量增長曲線

隨著變電站規模的擴大、數量的增多，如何確保直流電源系統的安全可靠運行就成為一個重要問題。如圖 2所示，變電站低壓直流電源系統近10年來，由基層運檢單位上報的“一般”及以上缺陷數量也相應增加。可觀察到，“缺陷”的數量與蓄電池組數量從趨勢上呈一定的正相關性。

2009年、2010年隨著蓄電池數量增加約50%，直流系統缺陷數量大幅增加，在隨后的2011—2016年直流配電系統缺陷數量得到較好的控制。從年度缺陷與蓄電池組數量之比，可看出2011—2016年直流系統缺陷率保持在較穩定的水平。這與2010年以來管理和運維水平的提升密不可分。

2.2 直流電源系統設備缺陷的分布情況

通過對四川省2007年至2016年的直流電源數據的分析，10年內該省低壓直流電源系統發生的缺陷中約38.55%是充電裝置缺陷，其次有26.63%是由蓄電池引起，其余缺陷依次為系統發生的直流接地、絕緣監測和巡檢等裝置、監控裝置以及其他， 如圖 3所示。

圖2 直流電源系統年缺陷數量與蓄電池組數量的分析

圖3 近10年來直流電源系統中各設備的缺陷占比

根據調查，充電裝置的缺陷主要有充電模塊輸出電壓異常、無輸出電流、通信故障、冷卻風機故障、充電裝置內的交流繼電器故障、顯示器以及顯示燈故障等。

充電裝置缺陷約占缺陷總量的39%，是直流電源系統中最容易存在缺陷的設備之一。一方面是因為充電裝置運行年限較長，設備老化再加上產品質量潛在的薄弱點，在長期運行中最終引發缺陷；另一方面，運維技術人員對充電裝置的日常維護手段有限，充電模塊組裝在直流屏(柜)中，在安裝后一般很少再定期檢查。現在廣泛采用的高頻開關電源型充電裝置，采用N+1或N+2模塊化設計方案，即按額定容量配置N個模塊后再備用1個或2個模塊[2]；模塊可即插即用，將故障的模塊在線插拔而不影響充電裝置的運行。通過模塊化及冗余設計，充電模塊雖然呈現較高的故障率，但其整體的運行可靠性是比較高的。

蓄電池缺陷約占缺陷總量的26.63%，僅次于充電裝置，但卻是決定直流電源系統可靠性的那只木桶“短板”。蓄電池組一般由單體蓄電池串聯組成，若某支單體蓄電池性能欠佳會影響到其余的單體電池，嚴重情況下如開路，將導致整組蓄電池失效[3]。同時，蓄電池組中各只蓄電池需保持較好的一致性，因此即使發現有問題的單體電池也不能像充電模塊一樣很方便地“帶電插拔”進行更換，需要整組退出進行有針對性的維護，或在保證蓄電池組輸出電壓的基礎上將其剔除，否則整組蓄電池可能需要被更換。因此，如何有效地監測蓄電池的運行狀態并進行適當的維護，對保證直流電源系統可靠運行是非常重要的。

2.3 蓄電池實際運行壽命的分析

現在電力系統主要采用的是閥控式鉛酸蓄電池，其浮充電預期壽命一般為8～10年，但工程應用中發現，約70%的蓄電池達不到預計使用壽命。對四川省10年來退役蓄電池進行統計，可觀察到約51%的退役蓄電池使用壽命不超過6年，絕大部分蓄電池使用壽命不超過8年，如圖 4和圖 5所示。

圖4 10年退役蓄電池中蓄電池使用壽命的分布

圖5 各年退役蓄電池中蓄電池使用壽命的分布

從統計數據分析可知，蓄電池實際使用壽命遠達不到預期的浮充電壽命。導致該現象的原因主要是蓄電池質量不過關。鉛酸蓄電池是一種復雜而精妙的電化學體系，在該體系中即使是存在一些雜質，也會通過加快水分解反應對蓄電池的電化學反應產生強烈影響。一個有潛在缺陷的蓄電池，在運行初期或中期就可能會出現干涸、硫化、極柱腐蝕、外殼鼓包以及容量嚴重降低等現象。

目前，在中國有許可證的蓄電池生產廠家有1000多家，生產廠家數量眾多，其質量控制水平、生產工藝以及科技水平等各有高低，市場上的產品質量也差別甚大。對短期內出現異常的蓄電池解體分析，曾發現過個別生產廠家為了降低生產成本縮減工藝流程，采用劣質原材料。而在采購產品時，蓄電池質量好壞不能通過現場試驗立即得到判斷，通常需要在運行1年或更久后才能體現出來，這也給了“帶病”蓄電池流入電力系統的“機會”。

從圖 5可知，在2009年、2013年和2014年均有10多組蓄電池在使用了2至4年就因容量不達標而整組報廢，這種現象往往是因為采購的蓄電池存在家族性缺陷，導致在短短運行兩三年后這批蓄電池就不能滿足運行要求。

此外，對蓄電池的運行維護不佳也是促使蓄電池壽命縮短的一個因素。以四川省為例，蓄電池組近10年數量增長為2倍多，且蓄電池單體數量更是巨大，運行維護工作量隨之顯著增加。在開展外觀檢查、均衡充電、內阻測試乃至容量核對性放電等維護項目時，運維人員沒有按期進行或沒有按規定程序嚴格開展試驗項目，造成“帶病”蓄電池未能及時篩選、落后蓄電池未能得到有效的活化處理等；缺陷報警后，由于運維人員處理不及時，造成蓄電池長期過充/欠充或長期放電，蓄電池出現干涸、活性物質脫落、極板硫化等現象而失效。

3 國內外直流電源系統應用狀況的主要差異

通過對德國、英國、澳大利亞、愛爾蘭、西班牙、波蘭以及沙特阿拉伯等國家直流電源系統的調研，國外與國內直流電源系統的主要差異表現在直流電源系統的帶電監測、檢測設備的應用、系統網絡結構、蓄電池的應用以及維護等內容。

3.1 帶電監測、檢測設備的應用

相比于國內的蓄電池電壓和內阻巡檢儀、絕緣監測儀，國外的在線監測設備的功能更簡單，自動化程度更低。

以直流電源系統的絕緣監測為例，母線絕緣監測和支路絕緣監測在國內已是常規配置，而國外主要只配置母線絕緣監測，支路絕緣監測因價格等因素鮮有應用[4-5]。因此，在出現母線絕緣故障報警時，仍有一些國家采用比較原始的拉回路法來定位故障點。

國外蓄電池內阻測試主要采用的是離線式測試設備，作為判斷蓄電池狀態的補充手段。關于蓄電池內阻的測試技術尤其在美國，研究較為深入，建立了內阻測試模型以及計算公式[6-8]，相應的檢測影響因素等方面都有較為詳盡的介紹。

3.2 系統網絡結構

由于變電站的規模、信息化及自動化程度等因素的影響，國外的站用直流電源主要有雙充雙蓄、單充單蓄這兩種類型[9]，而在國內500 kV及以上變電站應用的三充兩蓄[10]在國外鮮有實例。

與國內普遍采用輻射供電網絡相比，國外的供電方式更為多樣化，可簡單分類為輻射供電網絡和環網供電方式。英國、西班牙和沙特阿拉伯等國家兩種供電方式都存在，其中環網供電方式在各個國家又略有差異。愛爾蘭、德國等國家較為普遍地采用輻射供電方式。

3.3 蓄電池、配電屏柜等元器件的應用

目前國內變電站已基本淘汰了鎘鎳堿性蓄電池和開口式鉛酸蓄電池，采用的是閥控式鉛酸蓄電池。國外變電站使用的蓄電池種類就比較多，如：西班牙和沙特阿拉伯仍有變電站在使用鎘鎳堿性蓄電池；英國、德國等國家除了有閥控式鉛酸蓄電池外，同時仍在使用開口式鉛酸蓄電池。

相應地，這也帶來了蓄電池在容量配置、壽命、安裝以及運維等方面的差異。即使對于閥控式鉛酸蓄電池，容量配置、運維檢測項目和周期各國也略有差異。比如，容量核對性充放電試驗，其周期有1年、2年或者更長時間；事故放電時間設計有2 h、6 h、8 h或者更長的時間。

配電屏柜在澳大利亞可分為地面安裝類型和墻上安裝類型，充電機、蓄電池和配電可采用一體柜或者獨立柜。

4 結 語

結合四川省直流電源系統近10年來應用狀況的分析和國外應用情況的比較，可知中國直流電源系統的在線監測技術尤其是絕緣監測技術，在國際上處于領先水平。此外，國內的交直流一體化電源以及其他新技術的研究都領先于國外同行。

作為直流電源系統中最為核心的設備——蓄電池，如何確保其安全、可靠地運行到預期壽命，無論國內外都還需要進一步的提升。目前，國內蓄電池的使用壽命一般為6～8年(國外不完全統計為8～10年)，雖然電池電壓巡檢儀、內阻測試儀以及蓄電池活化儀等逐漸得到應用，但容量核對性放電仍然是檢測蓄電池實際運行狀態的最有效手段。在浮充電狀態下，有效、簡便地甄別“帶病”蓄電池的方法仍然是一項具有挑戰而值得研究的課題，其將對直流電源系統可靠性的提高具有重要意義。

在國內電力系統規模快速發展、電力技術與智能化以及信息化不斷融合的大背景下，如何經濟、有效地進一步提升直流電源系統的安全可靠性使其滿足電力系統不斷發展的要求，仍然值得更多的關注和研究。

[1] 劉振亞，特高壓交直流電網[M]. 北京：中國電力出版社，2013.

[2] 電力工程直流電源系統設計技術規程：DL/T 5044-2014[S]，2014.

[3] Detchko Pavlov.Lead-acid Batteries: Science and Technology [M].Elsevvier，2014.

[4] IEEE Guide for Selection and Use of Battery Monitoring Equipment in Stationary Applications:IEEE Std 1491TM-2012[S],2012.

[5] Secondary Cells and Batteries-Monitoring of Lead Acid Stationary Batteries-User Guide:IEC TR 62060-2001[S],2001.

[6] Glenn Alber. Predicting Battery Performance Using Internal Cell Resistance[R].Albercorp.，1995.

[7] Energizer Holding, Inc.Technical Bulletin：Battery Internal Resistance[R].2005.

[8] C&D Technologies, Inc.Technical Bulletin：Impedance

and Conductance Testing[R].2012.

[9] Michael J.Thompson, David Wilson.Auxiliary DC Con-

trol Power System Design for Substations[C].Conference for Protective Relay Enginears,2007:522-533.

[10] 白忠敏，劉百震，於崇干.電力工程直流系統設計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2009.