智能高頻開關電源系統在變電站直流系統改造中的應用??

摘要：分析了建站較早的變電站直流系統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電源系統的性能特點及其各部分的作用和在改造過程中的改進情況。

關鍵詞：變電站；直流系統；改造；開關電源

1? 直流系統改造的目的和必要性

??? 變電站內的繼電保護、自動裝置、信號裝置、事故照明和電氣設備的遠距離操作，一般采取直流電源，所以直流電源的輸出質量及可靠性直接關系到變電站的安全運行和平穩供電。變電站的直流系統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始建于上世紀70年代末，因受當時技術條件的限制，陸續建起的變電站直流系統設備有的為硅整流電容補償直流電源，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。部分投運較早、運行時間較長的變電站直流設備老化嚴重，給變電站的安全、可靠運行帶來了嚴重的威脅。如某110kV變電站就曾因直流系統故障，造成越級跳閘，導致全站失電的惡性事故。其它各站雖未發生大的事故，總因直流系統經常發生問題，缺陷較多，有的缺陷無法處理，致使直流系統長期處于“帶病”運行狀態，導致給用戶無法正常供電。

??? 隨著電力工業的迅速發展，為提高電網的供電質量，使電網安全、經濟運行，并實現電力系統的自動化，從而對電力控制系統的關鍵設備—控制電源的要求也越來越高。而原來的直流設備均采取傳統的相控電源，效率低、紋波系數大，在電磁輻射、熱輻射、噪聲等方面都不盡人意。另外，監控系統不完善，采取1＋1備份方式，對二次電路越來越先進的儀器儀表、控制、自動化設備很難滿足其技術要求。此外由于相控電源浮充電壓易波動，會出現蓄電池脈動充放電現象，對免維護蓄電池損害極大，影響電池壽命。加之其它設備改造和新設備的投入，原來的相控電源已遠遠不能滿足中原油田電力系統的需要，急需進行改造更換，才能保證電氣設備的安全運行和平穩供電。而智能高頻開關電源由于其體積小，重量輕，技術指標優越，模塊化設計，N＋1熱備份方式，便于“四遙”等優點，已在諸多領域得到廣泛應用。上世紀90年代以后，國外先進工業國家新建或改造電廠和變電站已全部采用高頻開關電源，其蓄電池亦全部采用免維護蓄電池。為了實現中原油田電網設備達到同行業先進水平的目標，根據電網實際情況，直流系統設備改造采用目前先進的智能高頻開關電源系統。

2? 智能高頻開關電源系統的性能特點

??? 為了保證智能高頻開關電源系統的質量，我們組織了多名技術人員對多個生產廠家進行了考察，了解廠家的生產工藝、規模和實驗測試手段等情況，經過“貨比三家”后，技術改造決定使用GZDW—200/220型操作電源。它是專為電力系統研制開發的新型“四遙”高頻開關電源，采取高頻軟開關技術，模塊化設計，輸出標稱電壓為220V，配有標準RS-232接口，易于與自動化系統對接，適用于各類變電站、發電廠和水電站使用。此設備有下列性能特點：

??? 1）模塊化設計，N＋1熱備，可平滑擴容。

??? 2）監控功能完善，高智能化，采取大屏幕液晶漢字顯示，聲光告警。

??? 3）監控系統配有標準RS-232接口，方便接入自動化系統，實施“四遙”及無人值守。

??? 4）對蓄電池自動管理及自動維護保養，實時監測蓄電池組的端電壓，充、放電電流，自動控制均、浮充以及定期維護性均充。

??? 5）具有電池溫度補償功能。

??? 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無級雙向調壓，摒棄傳統硅堆降壓方式，輸出電壓精度高，動態響應速度快。

??? 8）采用最新軟開關電源技術，采用進口器件。

3? 智能高頻開關電源系統的組成及各部分作用

??? 智能高頻開關電源系統由交流配電，絕緣檢測，監控模塊、整流模塊、調壓模塊，直流饋電等組成。系統工作原理框圖如圖1所示。

圖1智能高頻開關電源系統工作原理框圖

??? 交流配電??? 為系統提供三相交流電源，監測三相電壓、電流及接觸器狀態；判斷交流輸入是否滿足系統要求，在交流輸入出現過壓、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，系統發出聲光告警。裝有每相通流量40kA、響應速度為25μs的三相避雷器，能有效地防止雷擊對設備造成的損壞。

??? 絕緣監測??? 采用進口非接觸式直流微電流傳感器，利用正負母線對地的接地電阻產生的漏電流，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，對于微機接地監測技術是一重要突破。

??? 監控模塊??? 是整個直流系統的控制、管理核心，其主要任務是對系統中各功能單元和蓄電池進行長期自動監測，獲取系統中的各種運行參數和狀態，根據測量數據及運行狀態實時進行處理，并以此為依據對系統進行控制，實現電源系統的全自動精確管理，從而提高電源系統的可靠性，保證其工作的連續性、安全性和可靠性。具有“遙測、遙信、遙控、遙調”四遙功能，配有標準RS?232接口，方便納入電站自動化系統。

??? 整流模塊??? 為合閘母線、控制母線提供正常的負荷電流，本身具有LCD漢字顯示、操作鍵盤，模塊工作狀態和工作參數一目了然，可以帶電插拔，具有軟件較準，自主均流、ZVS軟開關技術。

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

??? 直流饋電??? 設有控制輸出、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。配有智能直流監控單元，可測量母線電壓、電流及開關狀態等。

??? 電池巡檢儀??? 對電池電壓進行實時監測，將信息及時反饋到監控模塊。

??? 蓄電池??? 全密閉、免維護、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內充電可恢復；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，是理想的操作、控制不間斷電源。

4? 直流系統設備改造中改進的問題

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

??? 2）添加了蓄電池的放電電路。

??? 3）結合中原油田電網實際，對設備出廠時參數設置的不適應之處進行了改變，保證設備運行后更加可靠。

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

??? 5）對模塊監控單元、直流監控單元、交流監控單元進行了改進，增加了防護蓋以防短路、灰塵進入等。

5? 智能高頻開關電源系統應用情況

??? 改造后的直流系統設備經過兩年來的運行，技術指標合理，各項參數顯示正確，操作方便、直觀，自動化程度高，維護工作量大幅度減少，設備保護功能齊全，能可靠動作。反映故障及時且準確無誤，對電池能自動管理無須專人維護，設備運行穩定可靠，從未發生影響正常供電的現象。

??? 改造后的直流系統與原來的直流系統相比較，性能穩定，精度高，安全、可靠，保證了油田的油氣生產，居民生活及醫院、道路等的用電，降低了噪音，改善了值班人員的工作環境，確保了變電設備安全可靠運行，產生了明顯的經濟效益和社會效益，主要體現在以下幾個方面：

??? 1）原來的相控電源紋波系數大，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，對二次設備影響最大，造成二次設備誤動、損壞、甚至有的設備無法正常工作。而改造后的智能高頻開關電源紋波系數很小，輸出特別穩定。

??? 2）原來的相控電源采用硅堆調壓，硅降壓響應速度慢，反應時間為幾十毫秒，輸入電壓突變時在輸出上會產生很大的沖擊，因沖擊不穩定而易燒壞二次設備。而改造后的高頻開關電源采用無級調壓方式，響應速度快，輸入電壓突變時，模塊在200μs內調整完成，過沖小于5％。

??? 3）原來的相控電源充電機、浮充機等噪音較大，且無降溫措施，有的變電站浮充機發熱嚴重。而改造后的智能高頻開關電源噪音小，模塊采用優質風機降溫，保證了模塊元器件正常工作，使值班人員的工作環境大大改善。

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

??? 5）原來的相控電源功率因數低，一般在0.7以下，效率在60％左右，而改造后的智能高頻開關電源功率因數達0.9以上，效率高達94％以上。

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

??? 7）改造后的智能高頻開關電源具有48V電源出口，為變電站的通訊網絡等提供了電源，不必另外購置專門的48V電源，減少了設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? 結語

??? 由于改造后的智能高頻開關電源系統性能穩定，精度高，安全、可靠性更強，創新點多，收到了良好的效果，取得了明顯的社會和經濟效益，為中原油田的油氣生產及其它負荷提供了可靠的電力保障。同時也為變電站實現自動化奠定了基礎。