直流電源可靠性應(yīng)用研究

倪宏

摘要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅速，我國(guó)的電力行業(yè)的發(fā)展也有了改善。目前直流源產(chǎn)品種類繁多，有機(jī)械旋鈕操作、按鍵操作、人機(jī)交互操作等多種操作方式，有模擬控制直流電源，也有數(shù)字控制直流電源，但趨勢(shì)是由模擬逐漸數(shù)字化、智能化。數(shù)字控制電源是從八十年代開始逐漸發(fā)展起來的，這時(shí)電力電子理論開始建立，幾十年來數(shù)控電源逐漸發(fā)展。此后隨著高分辨率的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)，數(shù)字電源的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度才開始逐步提升，到現(xiàn)在為止，準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度高、紋波小的數(shù)字直流源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，智能直流電源行業(yè)也比較樂觀。

關(guān)鍵詞：直流電源;可靠性;應(yīng)用研究

引言

電力系統(tǒng)中各種電壓等級(jí)的變電站及開閉所，其電氣一次和二次設(shè)備都需要有穩(wěn)定且可靠的直流電源系統(tǒng)才能正常工作。直流電源系統(tǒng)的可靠性，直接關(guān)系到每個(gè)變電站和開閉所甚至電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。另外，大部分中、低壓變電站及中小型發(fā)電機(jī)組，其直流電源系統(tǒng)都只配置了一組電池，可靠性較低;高壓變電站及大型機(jī)組配置了兩組或三組電池，但直流母線是分段運(yùn)行的，規(guī)程上雖然有冗余設(shè)計(jì)的要求，但都只是手動(dòng)切換，個(gè)別工程通過電磁式繼電器實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(tǒng)故障，繼電保護(hù)裝置將拒動(dòng)，將會(huì)發(fā)生系統(tǒng)故障擴(kuò)大、設(shè)備燒毀和人員傷亡等嚴(yán)重事故。因此，提高直流電源系統(tǒng)的可靠性，意義非常重大。采用該新型冗余設(shè)計(jì)方法的直流電源系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)多家大型化工企業(yè)運(yùn)行多年，效果良好，為化工裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。

1直流電源設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀分析

電力系統(tǒng)中由于直流屏以及蓄電池故障導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的會(huì)造成電網(wǎng)解列事故，主要有以下幾種情況。（1）直流電源充電機(jī)運(yùn)行分析。根據(jù)規(guī)程，直流電源成套裝置技術(shù)指標(biāo)需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，但大部分成套裝置都忽略了紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度和穩(wěn)流精度3個(gè)參數(shù)的的在線監(jiān)測(cè)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)以及外部環(huán)境的變化，充電機(jī)的參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的偏移，造成蓄電池過早失效，嚴(yán)重的會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)事故。（2）蓄電池運(yùn)行分析。閥控鉛酸蓄電池已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，其具有全密封、無須加水及調(diào)酸等特點(diǎn)。但在實(shí)際使用過程中，許多電池未能達(dá)到使用壽命，主要原因是浮充狀態(tài)下單體電池自放電一致性差。長(zhǎng)期浮充狀態(tài)下，由于各個(gè)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(jīng)濟(jì)上受到損失，還會(huì)影響直流系統(tǒng)的供電可靠性，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的安全性降低。（3）直流電源監(jiān)控、維護(hù)現(xiàn)狀分析?，F(xiàn)有的直流電源檢測(cè)工作需要專業(yè)人員按照檢修周期，定期對(duì)蓄電池和充電機(jī)進(jìn)行檢修。試驗(yàn)分為：蓄電池放電時(shí)間、充電機(jī)參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)以及級(jí)差配合試驗(yàn)。

2優(yōu)化措施分析研究

2.1新型冗余型直流電源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于零時(shí)延自動(dòng)切換供電原理，設(shè)計(jì)出了滿足實(shí)際工程需要的新型冗余型直流電源系統(tǒng)。本方案運(yùn)行方式靈活，可以將母聯(lián)斷路器QFL1或QFL2斷開，作為兩套完全獨(dú)立的系統(tǒng)使用;也可合上母聯(lián)斷路器QFL1和QFL2，作為冗余型電源系統(tǒng)使用。當(dāng)作為冗余型電源系統(tǒng)使用時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩套直流電源自動(dòng)冗余且零時(shí)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(dāng)其中任意一套故障失電時(shí)，另一套自動(dòng)零時(shí)延自動(dòng)投入正常供電。該系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)冗余和零時(shí)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(lián)雙向保護(hù)功能。工程應(yīng)用時(shí)，需要運(yùn)行方式的靈活性，將母線分成了兩段，且設(shè)計(jì)了母聯(lián)斷路器來保護(hù)母線。由于直流斷路器有方向性，故設(shè)置了QFL1和QFL2兩個(gè)母聯(lián)斷路器。（2）蓄電池并聯(lián)環(huán)流問題。當(dāng)兩組蓄電池并聯(lián)時(shí)，因?yàn)閮山M蓄電池的電壓不同，形成非常大的環(huán)流，危險(xiǎn)系數(shù)極高，因?yàn)橛泄β市投O管V1和V2的存在，形不成環(huán)流，保護(hù)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(jù)系統(tǒng)的容量并考慮適當(dāng)?shù)墓こ滔禂?shù)來選擇電流和反向重復(fù)峰值電壓值，還需要根據(jù)額定工作電流的大小來核算功率型二極管的發(fā)熱情況，決定是否需要加裝散熱器。（4）高頻電源模塊輸出設(shè)置。傳統(tǒng)模式下，左右兩側(cè)的高頻電源模塊輸出一般設(shè)置相同的電壓，但該冗余系統(tǒng)中，由于有功率型二極管結(jié)電壓的存在，輸出設(shè)置了1～2V的壓差。

2.2仿真直流系統(tǒng)竄入交流系統(tǒng)

直流回路分布廣、數(shù)量多，常常出現(xiàn)運(yùn)行與基建施工、設(shè)備改造同時(shí)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(xiàn)交流電源經(jīng)分布電容起動(dòng)相應(yīng)繼電器，導(dǎo)致多臺(tái)斷路器同時(shí)跳閘或合閘，造成極其嚴(yán)重的事故。為了防范交流電源串入直流系統(tǒng)，一方面從設(shè)計(jì)源頭、管理方面入手，減小事故發(fā)生的源頭;另一方面，原有的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測(cè)裝置，應(yīng)逐步進(jìn)行改造，使其具備交流竄直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能，同時(shí)提高中間繼電器動(dòng)作功率，反措要求功率大于5W。這樣將大大提高直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

2.3傳統(tǒng)冗余型直流電源系統(tǒng)的典型配置

由于傳統(tǒng)單套直流電源系統(tǒng)的可靠性相對(duì)較低，在一些重要負(fù)荷如一級(jí)負(fù)荷中，往往需要采用可靠性較高的直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(dāng)于配置了兩套完整的直流電源系統(tǒng)，當(dāng)其中任何一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能快速切換到另一套系統(tǒng)來恢復(fù)供電，可靠性明顯提高。但是，這幾種傳統(tǒng)冗余型直流電源系統(tǒng)，切換功能都是通過開關(guān)手動(dòng)控制或電磁式繼電器自動(dòng)或手動(dòng)控制，這兩種切換方式，都存在系統(tǒng)供電中斷的情況，即使是繼電器自動(dòng)切換，中斷時(shí)間也有30ms以上，手動(dòng)方式切換時(shí)間一般為秒級(jí)或更長(zhǎng)。在某種極端情況下，有些工程運(yùn)行人員為了保證不間斷供電，再斷開故障側(cè)的蓄電池開關(guān)和充電模塊開關(guān)。在這種操作方式下，存在兩組蓄電池短時(shí)間并聯(lián)的情況，因?yàn)閮山M蓄電池的電壓不同，形成非常大的環(huán)流，極易引起蓄電池過熱甚至爆炸的危險(xiǎn)。當(dāng)有重要負(fù)荷且對(duì)供電中斷時(shí)間有嚴(yán)格要求時(shí)，幾十毫秒都是無法滿足的，市場(chǎng)急需一種新型冗余型直流電源系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)且零時(shí)延切換，確保系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定供電。

3結(jié)語(yǔ)

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，更多的直流源都向數(shù)字化、智能化發(fā)展，數(shù)字化、智能化的電源相比傳統(tǒng)旋鈕開關(guān)調(diào)節(jié)電源，減少了人為因素和機(jī)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(shù)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(qiáng)?，F(xiàn)在數(shù)字電路和模擬電路的結(jié)合是直流電源的一種發(fā)展方向：微控制器通過DAC控制信號(hào)的輸出，模擬放大電路和功率輸出電路則負(fù)責(zé)輸出電流或電壓，微控制器再通過ADC獲取輸出量調(diào)節(jié)輸出，整個(gè)數(shù)字環(huán)節(jié)替代了人為操作的不確定性，使電源輸出更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]王一龍.廠站直流電源系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)方案優(yōu)化研究[J].電力與能源，2018（06）.

（作者單位：許昌鯤鵬電力設(shè)計(jì)咨詢有限公司）