變電站直流電源控制系統設計

卜鑫鏈 何曉杰

（國網江蘇省電力有限公司靖江市供電分公司）

0 引言

保護、控制和監測（PCM）系統的最關鍵部件是輔助直流控制電力系統，直流控制電源的故障可能導致故障檢測設備無法檢測故障，斷路器無法因故障跳閘，本地和遠程指示變得不可操作等［1-2］。在許多情況下，直流系統不是冗余的，這使得可靠性成為整體設計中極為重要的考慮因素。輔助直流控制電源系統由電池、電池充電器、配電系統、開關和保護裝置以及監控設備組成，需要對構成直流控制電力系統的部件進行適當的設計、尺寸確定和維護。有關固定電池系統設計的許多參考文獻只涉及特定的電池技術，這使得很難比較不同類型的電池對變電站應用的整體適用性。此外，大多數參考文獻沒有涉及變電站環境和占空比的特定要求，本文對變電站輔助直流控制電力系統設計中應考慮的事項進行了全面分析。

1 電池及PCM 系統設計

1.1 電池設計

在正常操作下，電池充電器提供直流電，在放電后恢復電池電壓，并保持浮動電壓，同時支持電池系統中的自放電損失。充電器還為輔助直流系統提供連續負載，而電池支持間歇性中速和瞬時高速負載，如跳閘線圈和直流電機。當電池充電器出現故障或失去交流電源時，電池必須支持連續負載以及在修復電池充電器或恢復交流電源之前可能出現的間歇性和瞬時負載。電池尺寸計算基于在電池充電器斷電或交流電源中斷期間連續、間歇和瞬時負載的最壞情況下負載分布［3-5］。

電池充電器的總斷電時間是一個關鍵因素，必須基于現實的操作標準。例如，在電池充電器發生故障時，如果確定電池大小的設計標準使用八小時的負載曲線，那么可用的備用設備、操作、監測和檢查實踐必須確保維護人員能夠在八小時內解決問題。在評估電池滿足設計標準的能力時，關鍵設備的最小和最大可接受工作電壓決定了電池尺寸和放電循環結束的“電壓窗口”。

現代斷路器的儲能操作機制也發生了變化。在過去，儲能機構通常使用氣動或液壓來存儲用于多次操作的足夠能量，這些機制由交流站服務電源充電。彈簧對斷路器機制越來越普遍，這些機構有一個大的閉合彈簧，用于閉合斷路器并給跳閘彈簧充電。因此，它們只能為單個跳閘-閉合跳閘序列存儲足夠的能量。如果為閉合彈簧充電的電機由直流系統供電，這可能會給設計標準中使用的最壞情況下的負載曲線增加顯著的高性能負載，減輕這種機制對電池尺寸影響的一種方法是在電池充電器斷電期間自動禁用自動重合閘，這種邏輯很容易在集成PCM系統中實現。

1.2 PCM 設計

保護系統包括檢測電力系統故障的裝置（保護繼電器）和中斷故障電流的裝置（斷路器和電路切換器）。在某些情況下，這兩種功能是結合在一起的。熔斷器和獨立電路重合閘就是這樣的例子。本文設計保護系統以處理這兩種功能中任一種發生故障的處理方式，通常可以分為以下兩種：使不同斷路器跳閘的重疊繼電器、雙冗余系統。

任何一種類型的系統都可以用于同一變電站的不同部分，然而，由于現代PCM設備的低成本以及通過利用這些設備的輔助功能消除了其他大多數設備，雙冗余PCM系統可以應用于系統的所有級別。雙系統架構實際上降低了許多任務的復雜性，例如協調和設計以消除單點故障，它還使用戶能夠在系統中設計許多連續的自檢功能，這些功能可以減少隱藏缺陷的可能性，并消除大多數定期維護和檢查。這些概念在行業中得到了很好的發展。在這里介紹它們的目的是在上下文中討論電路布局和如何消除單點故障，在許多情況下，進行設計的細節取決于所使用的架構。

1.3 電路布局

直流電路的布置對PCM系統的整體可靠性非常重要，需要仔細分析哪些PCM電路為保護電力系統中的其他PCM電路提供備份或冗余。應努力確保沒有單點故障，其中單個分支電路的損失將導致保護區域的保護和控制損失。

如圖1所示，在單獨的輔助直流系統饋線上布置冗余系統。如果雙輔助直流系統可用，相互冗余的PCM和斷路器系統將連接到單獨的電源，而不僅僅是單獨的饋線。如果PCM 系統不是基于雙PCM 設備，而是使用繼電保護設備使斷路器單獨跳閘，本文會將繼電器及其相關斷路器布置在單獨的輔助直流系統饋線上。如圖1所示，斷路器跳閘電路是PCM電路的公用電路，這種安排不適用于更復雜的保護方案，其中可能有一個及以上的斷路器與PCM系統保護區相關。

圖1 帶公用繼電器和斷路器電路的電路布置

最常見的直流電路路由安排是徑向系統或具有開關站路由的徑向系統。環形布置也是可以的，但在此不進行討論。如圖2所示，顯示了一個徑向系統的示例，徑向系統的常見改進電路，如圖3所示。在這種布置中，跳閘和閉合電路在斷路器的輔助電源隔離開關之后連接。這樣做的優點是，斷路器柜中的所有電壓源都可以在該位置隔離，其缺點在于，由于電路必須保持的額外距離，跳閘電路中的電壓降增加。

圖2 直流電路布線，徑向系統

圖3 直流電路布線，徑向系統改進布線

2 蓄電池室通風系統

電池系統所在的區域或外殼應具有足夠的換氣水平，以防止氫氣積聚到爆炸水平。最低爆炸水平為4%（按體積計）。通常應使用2%的設計值。運行期間的氫量根據使用中的電池技術和運行條件而變化，VLA電池在正常浮動和均衡操作期間會釋放出非常少的氣體，非重組N-C電池只在充電的最后階段釋放氫氣。

充電器故障會導致高電流通過充滿電的電池，這將導致VLA和N-C型電池中最差的氣體析出率。大多數充電器都有低電壓或無電壓輸出的故障模式。當對輔助直流控制電源系統進行充分監測時，可以在發生過量氣體積聚之前，對與故障相關的高電池電壓進行報警和處理，微處理器控制的SCR充電器通常包括高Vdc關閉功能，以消除這種危險。

一個例子將有助于說明電池通風的問題。根據制造商的規范，當在正常浮動電壓下運行時，60組電池、360 Ah、VLA電池每小時產生1755cm3的氣體。當在均衡電壓下操作時，這大約是5380cm3／h。讓我們假設這個電池位于一個365.8cm寬、731.5cm長、304.8cm高的控制大樓中，控制樓的總體積約為81.6m3。因此，均衡充電1h后，氫氣濃度將為0.0066%。為了將濃度保持在2%以下，需要每小時更換0.0066／2＝0.003次空氣。使用研究的標準，在我們的示例電池上，使用電流限制在110%的25A充電器，最壞的析氫情況將是：

在充滿充電器輸出電流的情況下一小時后，氫氣濃度將為0.5%。為了將濃度保持在2%以下，需要每小時0.5／2＝0.25次換氣。在上述計算中，從最大充電器輸出中減去連續負載13A，以獲得最大充電電流。房間的自然通風通常約為每小時2.5次換氣，因此不需要強制通風。此示例用于說明目的。每個電池安裝應單獨評估，超過安全要求的強制通風可能會增加暖通空調的運行成本，如果安裝了強制通風，在異常操作條件下（如高壓充電器故障），可以自動控制。

輔助直流控制電力系統的可靠性至關重要，系統故障可能導致無法檢測和清除故障，從而對電力系統設備、公共財產和電力系統本身造成災難性損害。

變電站應用的電池組的尺寸必須能夠在電池充電系統或其交流電源最大斷電期間提供可靠的輔助電源。負荷狀況的持續時間必須基于對運行標準的現實評估，如可用的備用設備、運行、監測和檢查。變電站應用的電池尺寸不僅考慮了連續負載，還考慮了斷路器跳閘所需的瞬時高電流負載。與舊變電站相比，基于微處理器的PCM設備與電源的廣泛使用增加了負載曲線中的連續負載部分。這可能意味著過去合適的電池尺寸可能不再適合給定的變電站應用。

變電站中使用的電池有四種常見類型，每種電池技術都有不同的特點。了解與變電站應用相關的故障模式對于正確評估可靠性以及維護和測試要求是必要的，電池的選擇應基于經濟性和可靠性標準。在評估備選方案時，年化成本法是一個合理的選擇，應監控輔助直流控制電力系統，在直流系統無法運行之前，檢測并糾正任何問題。智能電池充電器和內置在現代PCM設備中的直流監測功能可以提供無成本／低成本的方式來監測系統。

PCM系統輔助電源電路的布置對PCM系統的整體可靠性很重要，需要仔細分析哪些PCM電路為保護電源系統其他PCM電路提供備份或冗余。應努力確保沒有單點故障，其中單個直流分支電路的損失將導致保護區的保護和控制損失。

3 結束語

輔助直流控制電力系統的故障保護與交流電力系統的一樣重要。建議僅使用直流額定裝置進行短路保護。直流電流比交流電流更難中斷，電池的可用短路負載可以在購買時從制造商處獲得，或者，也可以使用經驗法則計算。

應評估電池安裝是否有足夠的通風，以防止氫氣濃度積聚到爆炸水平。大多數電池在正常工作條件下的氫速率通常遠低于需要強制通風的水平，在爆炸物濃度積聚之前，對直流系統進行監測可以允許在異常操作條件下采取糾正措施。然而，有一些標準規定，通風必須基于最壞情況下的氫氣釋放率，如果這些標準適用于安裝，也可能需要強制通風。