直流電源可靠性應用研究

倪宏

摘要：科學技術的發展迅速，我國的電力行業的發展也有了改善。目前直流源產品種類繁多，有機械旋鈕操作、按鍵操作、人機交互操作等多種操作方式，有模擬控制直流電源，也有數字控制直流電源，但趨勢是由模擬逐漸數字化、智能化。數字控制電源是從八十年代開始逐漸發展起來的，這時電力電子理論開始建立，幾十年來數控電源逐漸發展。此后隨著高分辨率的數模和模數轉換器的出現，數字電源的準確度和穩定度才開始逐步提升，到現在為止，準確度高、穩定度高、紋波小的數字直流源已經廣泛應用于各種場合，智能直流電源行業也比較樂觀。

關鍵詞：直流電源;可靠性;應用研究

引言

電力系統中各種電壓等級的變電站及開閉所，其電氣一次和二次設備都需要有穩定且可靠的直流電源系統才能正常工作。直流電源系統的可靠性，直接關系到每個變電站和開閉所甚至電網系統的安全穩定性。另外，大部分中、低壓變電站及中小型發電機組，其直流電源系統都只配置了一組電池，可靠性較低;高壓變電站及大型機組配置了兩組或三組電池，但直流母線是分段運行的，規程上雖然有冗余設計的要求，但都只是手動切換，個別工程通過電磁式繼電器實現了自動切換，但切換過程中電源也有中斷，如果在切換過程中遇到系統故障，繼電保護裝置將拒動，將會發生系統故障擴大、設備燒毀和人員傷亡等嚴重事故。因此，提高直流電源系統的可靠性，意義非常重大。采用該新型冗余設計方法的直流電源系統，在國內多家大型化工企業運行多年，效果良好，為化工裝置的安全穩定運行提供了堅強的后盾。

1直流電源設備運行現狀分析

電力系統中由于直流屏以及蓄電池故障導致的事故時有發生，嚴重的會造成電網解列事故，主要有以下幾種情況。（1）直流電源充電機運行分析。根據規程，直流電源成套裝置技術指標需要達到標準要求，但大部分成套裝置都忽略了紋波系數、穩壓精度和穩流精度3個參數的的在線監測。隨著運行時間的增長以及外部環境的變化，充電機的參數會發生不同程度的偏移，造成蓄電池過早失效，嚴重的會造成保護誤動事故。（2）蓄電池運行分析。閥控鉛酸蓄電池已經得到了廣泛應用，其具有全密封、無須加水及調酸等特點。但在實際使用過程中，許多電池未能達到使用壽命，主要原因是浮充狀態下單體電池自放電一致性差。長期浮充狀態下，由于各個電池的自放電能力不同，有的電池過充造成電池失水、有的電池欠充造成電池容量不足。蓄電池一旦失效，不僅經濟上受到損失，還會影響直流系統的供電可靠性，甚至會導致整個電網的安全性降低。（3）直流電源監控、維護現狀分析。現有的直流電源檢測工作需要專業人員按照檢修周期，定期對蓄電池和充電機進行檢修。試驗分為：蓄電池放電時間、充電機參數測試試驗以及級差配合試驗。

2優化措施分析研究

2.1新型冗余型直流電源系統的實現

基于零時延自動切換供電原理，設計出了滿足實際工程需要的新型冗余型直流電源系統。本方案運行方式靈活，可以將母聯斷路器QFL1或QFL2斷開，作為兩套完全獨立的系統使用;也可合上母聯斷路器QFL1和QFL2，作為冗余型電源系統使用。當作為冗余型電源系統使用時，能夠實現兩套直流電源自動冗余且零時延切換。正常情況下只有其中一套提供電源，另一套熱備用，當其中任意一套故障失電時，另一套自動零時延自動投入正常供電。該系統除了實現冗余和零時延切換的功能外，還考慮到了其他一些工程上的問題：（1）母聯雙向保護功能。工程應用時，需要運行方式的靈活性，將母線分成了兩段，且設計了母聯斷路器來保護母線。由于直流斷路器有方向性，故設置了QFL1和QFL2兩個母聯斷路器。（2）蓄電池并聯環流問題。當兩組蓄電池并聯時，因為兩組蓄電池的電壓不同，形成非常大的環流，危險系數極高，因為有功率型二極管V1和V2的存在，形不成環流，保護了蓄電池。（3）功率型二極管選型。功率型二極管的選型，需要根據系統的容量并考慮適當的工程系數來選擇電流和反向重復峰值電壓值，還需要根據額定工作電流的大小來核算功率型二極管的發熱情況，決定是否需要加裝散熱器。（4）高頻電源模塊輸出設置。傳統模式下，左右兩側的高頻電源模塊輸出一般設置相同的電壓，但該冗余系統中，由于有功率型二極管結電壓的存在，輸出設置了1～2V的壓差。

2.2仿真直流系統竄入交流系統

直流回路分布廣、數量多，常常出現運行與基建施工、設備改造同時并存，由于工作不慎，極易造成交流電源串入直流回路。由于直流回路存在分布電容，可能出現交流電源經分布電容起動相應繼電器，導致多臺斷路器同時跳閘或合閘，造成極其嚴重的事故。為了防范交流電源串入直流系統，一方面從設計源頭、管理方面入手，減小事故發生的源頭;另一方面，原有的直流系統絕緣監測裝置，應逐步進行改造，使其具備交流竄直流故障的測記和報警功能，同時提高中間繼電器動作功率，反措要求功率大于5W。這樣將大大提高直流系統的安全穩定性。

2.3傳統冗余型直流電源系統的典型配置

由于傳統單套直流電源系統的可靠性相對較低，在一些重要負荷如一級負荷中，往往需要采用可靠性較高的直流電源系統，該系統模式較多，主要是在充電模塊和蓄電池兩方面做冗余配置，比如單充雙蓄、雙充單蓄、雙充雙蓄等，其中又以雙充雙蓄模式最為典型，雙充雙蓄模式相當于配置了兩套完整的直流電源系統，當其中任何一套系統出現故障時，能快速切換到另一套系統來恢復供電，可靠性明顯提高。但是，這幾種傳統冗余型直流電源系統，切換功能都是通過開關手動控制或電磁式繼電器自動或手動控制，這兩種切換方式，都存在系統供電中斷的情況，即使是繼電器自動切換，中斷時間也有30ms以上，手動方式切換時間一般為秒級或更長。在某種極端情況下，有些工程運行人員為了保證不間斷供電，再斷開故障側的蓄電池開關和充電模塊開關。在這種操作方式下，存在兩組蓄電池短時間并聯的情況，因為兩組蓄電池的電壓不同，形成非常大的環流，極易引起蓄電池過熱甚至爆炸的危險。當有重要負荷且對供電中斷時間有嚴格要求時，幾十毫秒都是無法滿足的，市場急需一種新型冗余型直流電源系統，能實現自動且零時延切換，確保系統安全、可靠和穩定供電。

3結語

隨著數字技術的不斷發展和應用，更多的直流源都向數字化、智能化發展，數字化、智能化的電源相比傳統旋鈕開關調節電源，減少了人為因素和機械因素的影響，使電源更加可靠、智能化、一致性。采用集成技術將特定功能模擬電路集成在一塊芯片上，使電路的抗干擾能力加強。現在數字電路和模擬電路的結合是直流電源的一種發展方向：微控制器通過DAC控制信號的輸出，模擬放大電路和功率輸出電路則負責輸出電流或電壓，微控制器再通過ADC獲取輸出量調節輸出，整個數字環節替代了人為操作的不確定性，使電源輸出更加簡單、準確。

參考文獻：

[1]王一龍.廠站直流電源系統智能監測技術方案優化研究[J].電力與能源，2018（06）.

（作者單位：許昌鯤鵬電力設計咨詢有限公司）