智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)在變電站直流系統(tǒng)改造中

摘要：分析了建站較早的變電站直流系統(tǒng)改造的必要性和改造后所取得的效果，介紹了智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的性能特點(diǎn)及其各部分的作用和在改造過程中的改進(jìn)情況。

關(guān)鍵詞：變電站；直流系統(tǒng)；改造；開關(guān)電源

1 直流系統(tǒng)改造的目的和必要性

變電站內(nèi)的繼電保護(hù)、自動裝置、信號裝置、事故照明和電氣設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作，一般采取直流電源，所以直流電源的輸出質(zhì)量及可靠性直接關(guān)系到變電站的安全運(yùn)行和平穩(wěn)供電。變電站的直流系統(tǒng)被人們稱為變電站的“心臟”，可見它在變電站中是多么的重要。中原油田的電力系統(tǒng)始建于上世紀(jì)70年代末，因受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，陸續(xù)建起的變電站直流系統(tǒng)設(shè)備有的為硅整流電容補(bǔ)償直流電源，有的為帶有鉛酸蓄電池的KGCA—50/98～360、KGCFA—75/200～360型硅整流直流電源，有的為BZGN—20/220型鎘鎳電池直流屏。部分投運(yùn)較早、運(yùn)行時間較長的變電站直流設(shè)備老化嚴(yán)重，給變電站的安全、可靠運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的威脅。如某110kV變電站就曾因直流系統(tǒng)故障，造成越級跳閘，導(dǎo)致全站失電的惡性事故。其它各站雖未發(fā)生大的事故，總因直流系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生問題，缺陷較多，有的缺陷無法處理，致使直流系統(tǒng)長期處于“帶病”運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致給用戶無法正常供電。

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，為提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，使電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動化，從而對電力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備—控制電源的要求也越來越高。而原來的直流設(shè)備均采取傳統(tǒng)的相控電源，效率低、紋波系數(shù)大，在電磁輻射、熱輻射、噪聲等方面都不盡人意。另外，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，采取1＋1備份方式，對二次電路越來越先進(jìn)的儀器儀表、控制、自動化設(shè)備很難滿足其技術(shù)要求。此外由于相控電源浮充電壓易波動，會出現(xiàn)蓄電池脈動充放電現(xiàn)象，對免維護(hù)蓄電池?fù)p害極大，影響電池壽命。加之其它設(shè)備改造和新設(shè)備的投入，原來的相控電源已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足中原油田電力系統(tǒng)的需要，急需進(jìn)行改造更換，才能保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和平穩(wěn)供電。而智能高頻開關(guān)電源由于其體積小，重量輕，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越，模塊化設(shè)計(jì)，N＋1熱備份方式，便于“四遙”等優(yōu)點(diǎn)，已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90年代以后，國外先進(jìn)工業(yè)國家新建或改造電廠和變電站已全部采用高頻開關(guān)電源，其蓄電池亦全部采用免維護(hù)蓄電池。為了實(shí)現(xiàn)中原油田電網(wǎng)設(shè)備達(dá)到同行業(yè)先進(jìn)水平的目標(biāo)，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況，直流系統(tǒng)設(shè)備改造采用目前先進(jìn)的智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)。

2 智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

為了保證智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的質(zhì)量，我們組織了多名技術(shù)人員對多個生產(chǎn)廠家進(jìn)行了考察，了解廠家的生產(chǎn)工藝、規(guī)模和實(shí)驗(yàn)測試手段等情況，經(jīng)過“貨比三家”后，技術(shù)改造決定使用GZDW—200/220型操作電源。它是專為電力系統(tǒng)研制開發(fā)的新型“四遙”高頻開關(guān)電源，采取高頻軟開關(guān)技術(shù)，模塊化設(shè)計(jì)，輸出標(biāo)稱電壓為220V，配有標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，易于與自動化系統(tǒng)對接，適用于各類變電站、發(fā)電廠和水電站使用。此設(shè)備有下列性能特點(diǎn)：

1）模塊化設(shè)計(jì)，N＋1熱備，可平滑擴(kuò)容。

2）監(jiān)控功能完善，高智能化，采取大屏幕液晶漢字顯示，聲光告警。

3）監(jiān)控系統(tǒng)配有標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，方便接入自動化系統(tǒng)，實(shí)施“四遙”及無人值守。

4）對蓄電池自動管理及自動維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)時監(jiān)測蓄電池組的端電壓，充、放電電流，自動控制均、浮充以及定期維護(hù)性均充。

5）具有電池溫度補(bǔ)償功能。

6）模塊可帶電插拔，更換安全方便。

7）降壓方式采取新型高頻軟開關(guān)無級雙向調(diào)壓，摒棄傳統(tǒng)硅堆降壓方式，輸出電壓精度高，動態(tài)響應(yīng)速度快。

8）采用最新軟開關(guān)電源技術(shù)，采用進(jìn)口器件。

3 智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的組成及各部分作用

智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)由交流配電，絕緣檢測，監(jiān)控模塊、整流模塊、調(diào)壓模塊，直流饋電等組成。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)工作原理框圖

交流配電 為系統(tǒng)提供三相交流電源，監(jiān)測三相電壓、電流及接觸器狀態(tài)；判斷交流輸入是否滿足系統(tǒng)要求，在交流輸入出現(xiàn)過壓、欠壓、不平衡時自動切斷有故障的一路，并切換到另一路供電，系統(tǒng)發(fā)出聲光告警。裝有每相通流量40kA、響應(yīng)速度為25μs的三相避雷器，能有效地防止雷擊對設(shè)備造成的損壞。

絕緣監(jiān)測 采用進(jìn)口非接觸式直流微電流傳感器，利用正負(fù)母線對地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流，來測量母線對地的接地電阻大小，從而判斷母線的接地故障。這一技術(shù)無須在母線上疊加任何信號，對直流母線供電不會有任何不良影響，徹底根除由直流母線對地電容所引起的誤判和漏判，對于微機(jī)接地監(jiān)測技術(shù)是一重要突破。

監(jiān)控模塊 是整個直流系統(tǒng)的控制、管理核心，其主要任務(wù)是對系統(tǒng)中各功能單元和蓄電池進(jìn)行長期自動監(jiān)測，獲取系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時進(jìn)行處理，并以此為依據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的全自動精確管理，從而提高電源系統(tǒng)的可靠性，保證其工作的連續(xù)性、安全性和可靠性。具有“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”四遙功能，配有標(biāo)準(zhǔn)RS?232接口，方便納入電站自動化系統(tǒng)。

整流模塊 為合閘母線、控制母線提供正常的負(fù)荷電流，本身具有LCD漢字顯示、操作鍵盤，模塊工作狀態(tài)和工作參數(shù)一目了然，可以帶電插拔，具有軟件較準(zhǔn)，自主均流、ZVS軟開關(guān)技術(shù)。

調(diào)壓模塊 無論合閘母線電壓如何變化，輸出電壓都被穩(wěn)定控制在220（1±0.5％）V，具有帶電拔插技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)和雙向調(diào)壓特性。

直流饋電 設(shè)有控制輸出、合閘輸出、電池輸入、閃光、事故照明、48V電源輸出等。控制母線有三種途徑供電，確保控制母線供電安全可靠。配有智能直流監(jiān)控單元，可測量母線電壓、電流及開關(guān)狀態(tài)等。

電池巡檢儀 對電池電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將信息及時反饋到監(jiān)控模塊。

蓄電池 全密閉、免維護(hù)、無污染、無腐蝕，任何方向可放置使用，使用溫度范圍寬（－40℃～60℃）；深放電至零伏，24h內(nèi)充電可恢復(fù)；可大電流放電，起動電流大，自放電率極低，具有安全防爆排氣系統(tǒng)，是理想的操作、控制不間斷電源。

4 直流系統(tǒng)設(shè)備改造中改進(jìn)的問題

1）改進(jìn)了新設(shè)備直流饋出線部分的不合理布置。為節(jié)省投資，我們利用原來直流系統(tǒng)的控制、信號及合閘電路的出線，但與新設(shè)備饋出線的位置及大小都不相適應(yīng)，為此，我們對新設(shè)備直流饋出線部分按現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行了改造，使安裝更加容易，布線更為合理，運(yùn)行更加可靠。

2）添加了蓄電池的放電電路。

3）結(jié)合中原油田電網(wǎng)實(shí)際，對設(shè)備出廠時參數(shù)設(shè)置的不適應(yīng)之處進(jìn)行了改變，保證設(shè)備運(yùn)行后更加可靠。

4）對閃光繼電器等電氣元件安裝位置進(jìn)行了調(diào)整。原元件安裝位置不盡合理，損壞后不便維護(hù)、更換，改造后的位置便于維護(hù)，省時省力。

5）對模塊監(jiān)控單元、直流監(jiān)控單元、交流監(jiān)控單元進(jìn)行了改進(jìn)，增加了防護(hù)蓋以防短路、灰塵進(jìn)入等。

5 智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)應(yīng)用情況

改造后的直流系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)過兩年來的運(yùn)行，技術(shù)指標(biāo)合理，各項(xiàng)參數(shù)顯示正確，操作方便、直觀，自動化程度高，維護(hù)工作量大幅度減少，設(shè)備保護(hù)功能齊全，能可靠動作。反映故障及時且準(zhǔn)確無誤，對電池能自動管理無須專人維護(hù)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，從未發(fā)生影響正常供電的現(xiàn)象。

改造后的直流系統(tǒng)與原來的直流系統(tǒng)相比較，性能穩(wěn)定，精度高，安全、可靠，保證了油田的油氣生產(chǎn)，居民生活及醫(yī)院、道路等的用電，降低了噪音，改善了值班人員的工作環(huán)境，確保了變電設(shè)備安全可靠運(yùn)行，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）原來的相控電源紋波系數(shù)大，其輸出含有的交流成份較大。尤其是趙村變電所最為明顯，交流成份含量更高，對二次設(shè)備影響最大，造成二次設(shè)備誤動、損壞、甚至有的設(shè)備無法正常工作。而改造后的智能高頻開關(guān)電源紋波系數(shù)很小，輸出特別穩(wěn)定。

2）原來的相控電源采用硅堆調(diào)壓，硅降壓響應(yīng)速度慢，反應(yīng)時間為幾十毫秒，輸入電壓突變時在輸出上會產(chǎn)生很大的沖擊，因沖擊不穩(wěn)定而易燒壞二次設(shè)備。而改造后的高頻開關(guān)電源采用無級調(diào)壓方式，響應(yīng)速度快，輸入電壓突變時，模塊在200μs內(nèi)調(diào)整完成，過沖小于5％。

3）原來的相控電源充電機(jī)、浮充機(jī)等噪音較大，且無降溫措施，有的變電站浮充機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。而改造后的智能高頻開關(guān)電源噪音小，模塊采用優(yōu)質(zhì)風(fēng)機(jī)降溫，保證了模塊元器件正常工作，使值班人員的工作環(huán)境大大改善。

4）原來用的是鉛酸電池或鎘鎳電池，既需要專門設(shè)置蓄電池工進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)，還需要配備維護(hù)電池用的有關(guān)容器、儀表、原料、蒸餾鍋、蒸餾水等。而改造后用的是美國“理士”免維護(hù)電池，平時不需要進(jìn)行一系列的維護(hù)工作，減少了人力物力。

5）原來的相控電源功率因數(shù)低，一般在0.7以下，效率在60％左右，而改造后的智能高頻開關(guān)電源功率因數(shù)達(dá)0.9以上，效率高達(dá)94％以上。

6）原來的相控電源經(jīng)常出現(xiàn)故障，有時因無法操作送電而造成原油生產(chǎn)損失，如1997年9月23日某110kV變電所因直流系統(tǒng)故障造成越級跳閘，全站失電，燒毀35kV線路3公里，其經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)400多萬元；近幾年直流系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障給油氣生產(chǎn)造成了很大的損失，同時也給居民用戶生活帶來不便、給工業(yè)用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而改造成智能高頻開關(guān)電源后，直流系統(tǒng)至今未發(fā)生任何事故，供電更加可靠。

7）改造后的智能高頻開關(guān)電源具有48V電源出口，為變電站的通訊網(wǎng)絡(luò)等提供了電源，不必另外購置專門的48V電源，減少了設(shè)備的投資和占用空間。

8）改造后的控制母線有下述三種途徑供電，確保了控制母線供電安全可靠，做到了萬無一失。

——在交流電正常時，控制母線可由整流模塊直接供電；

——在交流失電時，由降壓模塊供電；

——從電池90％電壓處通過二極管供電到控制母線。

6 結(jié)語

由于改造后的智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定，精度高，安全、可靠性更強(qiáng)，創(chuàng)新點(diǎn)多，收到了良好的效果，取得了明顯的社會和經(jīng)濟(jì)效益，為中原油田的油氣生產(chǎn)及其它負(fù)荷提供了可靠的電力保障。同時也為變電站實(shí)現(xiàn)自動化奠定了基礎(chǔ)。