220V直流系統(tǒng)可靠性研究與探討

北京鐵路電氣化學校 梁東霞

1 直流220V系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

在鐵路、地鐵和供電局的變電所以及發(fā)電廠等重要的供配電場所，安全運行永遠位居第一，為保證安全運行，必須對實現(xiàn)發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的設備以及這些設備構成的系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)這個功能的就是二次系統(tǒng)。二次監(jiān)控系統(tǒng)需要有電源，也就是常說的操作電源。為什么大多數(shù)操作電源采用直流220V，首先由于二次系統(tǒng)的重要性決定大多數(shù)時間即使一次系統(tǒng)停運、二次系統(tǒng)也不能退出，而交流不能儲存，所以直流操作電源可保證二次系統(tǒng)的電源的可靠性。

其次二次設備中的繼電器、按鈕、指示燈、斷路器的分合閘線圈大多數(shù)按照220V的大小進行規(guī)范化生產(chǎn)，所以經(jīng)過實踐和市場的檢驗，現(xiàn)在操作電源為直流220V系統(tǒng)的應用越來越廣泛（在功率較大的操作中也可單獨選用交流220V操作電源）。220V直流系統(tǒng)本身雖然比交流可靠性方面有優(yōu)勢，但為了保證整個供電系統(tǒng)的安全可靠供電，保證操作電源不間斷，對如何提高220V直流系統(tǒng)可靠性的研究仍具有重要意義。

2 直流220V系統(tǒng)主要組成

直流220V系統(tǒng)主要由交流輸入、充電裝置、蓄電池、饋線、母線絕緣監(jiān)察裝置、調(diào)壓裝置等組成。

充電裝置可用的有直流發(fā)電機、整流器和高頻開關電源，隨著智能化水平的提高以及對直流供電質(zhì)量的要求提高，目前充電裝置大多采用高頻開關電源。蓄電池一般采用鉛酸免維護蓄電池，減少維護工作量，共18塊，每塊額定電壓12V，串聯(lián)使用。母線絕緣監(jiān)察一般采用傳統(tǒng)的絕緣監(jiān)察繼電器檢測正負母線電壓，當電壓過高或者過低時會發(fā)出聲光報警。調(diào)壓裝置簡稱降壓硅堆，經(jīng)常采用的方案是5節(jié)硅二極管，每節(jié)7V，串聯(lián)起來接在合閘母線和控制母線之間，原因是合閘母線負載操作時功率較大，合閘瞬間母線電壓會降低，為保證操作時電壓正常，空載時需要較高的電源電壓，而控制母線功率相對較小，通過降壓硅堆同時由一個電源滿足合閘母線和控制母線的需求。

饋線的數(shù)量由所在供電場所的負載多少決定，一般合閘和控制回路出線分開，并設置一定數(shù)量的備用出線開關。在直流220V系統(tǒng)中柜體一般由電源屏、蓄電池屏、饋線屏組成，監(jiān)控裝置可根據(jù)實際情況安裝在電源屏或者饋線屏上，而且根據(jù)容量大小蓄電池屏和饋線屏可分別設置一到兩面屏體。一般大型變電所屏體高度都是標準屏體2260×800×600mm。

3 提高直流220V系統(tǒng)可靠性能的硬件配置方案

為保證直流220V系統(tǒng)安全可靠地為二次系統(tǒng)提供電源，必須設置母線絕緣監(jiān)察功能，且一旦正、負母線220V電壓大小超出允許波動范圍（－10%～10%）時，必須報警并及時排查故障，此外一般還需要配置足夠容量的蓄電池，以滿足大功率合閘瞬間和交流輸入停電時負載的需求。這是最基本的功能需求。除了滿足基本需求和選用質(zhì)量過硬的電器產(chǎn)品外，還可通過以下硬件配置方案提高直流220V系統(tǒng)的可靠性（圖1）。

圖1 220V直流系統(tǒng)圖

3.1 雙路交流電源自動投入

在給充電模塊提供交流輸入這一環(huán)節(jié)中，設置雙路電源且雙路電源可采用接觸器自動投切，也就是通常所說的備用電源自動投入，當一路交流電失電時，另一路交流電自動投入，提高交流輸入的可靠性。

3.2 充電裝置采用高頻開關電源N+1冗余配置

在實際應用中應根據(jù)蓄電池的充電電流加最大經(jīng)常性負荷來確實N的數(shù)量，一般蓄電池充電都是按照10小時充電率計算。如200Ah的蓄電池充電電流是20A，再加上最大經(jīng)常性負荷一般為10A，則充電模塊需要3塊高頻開關電源模塊，每塊額定電流為10A，在此基礎上配置一塊冗余備份，總共需要3+1塊10A高頻開關電源模塊。一般一面標準的屏體寬度最多也就容納4塊10A開關電源模塊。這個配置可滿足大部分中小型變電所需求。

對于一面充電電源屏，N+1冗余配置系統(tǒng)中當一塊模塊故障退出運行時，不影響其他模塊正常工作給負載不間斷供電，且各模塊可以采用抽屜式、可以相互替換，并且具備通訊接口，故障后更換也更加方便。而采用直流發(fā)電機或者硅整流為直流電源，一旦電源設備故障，該充電電源屏將不能提供直流電源。顯然充電裝置采用高頻開關電源N+1冗余配置可大大提高供電可靠性。為進一步確保電源可靠性，一般可設置兩面相同的充電電源屏，每面充電電源屏都采用N+1冗余配置。

3.3 加強蓄電池屏的監(jiān)控和保護

現(xiàn)在大多數(shù)發(fā)電廠和變電站都采用鉛酸免維護蓄電池，大大減少維護成本。但加強對電池的監(jiān)控仍不可忽略。考慮經(jīng)濟性，傳統(tǒng)的電池屏只監(jiān)測總的電源電壓即220V輸出電壓的狀況，雖然經(jīng)濟節(jié)約，但如果某節(jié)電池出現(xiàn)了問題，無法快速精準排查故障。為此可以把每節(jié)電池的端電壓以及總電壓都進行監(jiān)控，隨著智能監(jiān)控裝置的出現(xiàn)，已能輕松實現(xiàn)蓄電池自動管理及保護，實時自動檢測蓄電池的端電壓、充電和放電電流，并對蓄電池的均和浮充電進行智能能控制，設有電池過欠壓和充電過流聲光告警。電池屏在開關和電池間設置快速報警熔斷器，一旦電流過大時熔斷器熔斷切斷電路，報警節(jié)點閉合發(fā)出報警信號。

3.4 加強饋線的的監(jiān)控

在220V直流系統(tǒng)中，最常見也最難處理的故障是接地故障，母線絕緣監(jiān)察只能發(fā)現(xiàn)正、負母線上的接地故障，在傳統(tǒng)的直流接地故障排查中靠人工排查有時需一兩天時間，顯然和供電可靠不間斷供電的要求相違背，這就需要借助技術手段來發(fā)現(xiàn)是哪條饋線故障，縮小停電范圍和檢修時間。可在每條直流饋線開關后的線路中串入直流傳感器來獲取故障信號。當系統(tǒng)中饋線各支路絕緣情況正常時，流過傳感器的電流大小相等、方向相反，其輸出信號為零，當支路有接地時直流傳感器有差流流過，傳感器的輸出不為零，因此通過檢測各支路傳感器的輸出信號，就可判斷直流系統(tǒng)接地支路。且隨著技術的進步，直流傳感器成本降低，和人工檢測故障消耗的人力成本相比更是一勞永逸。在直流系統(tǒng)中設置自動選線裝置能大大提高供電的可靠性。

3.5 進一步提高智能監(jiān)控水平

采用雙路交流電源自動投入、充電裝置采用高頻開關電源、加強蓄電池屏的監(jiān)控和保護和加強蓄電池屏的監(jiān)控和保護并不是各自獨立，應該統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，最早的可采用微機監(jiān)控，即把各個需要被監(jiān)控的量通過各屏體通訊裝置統(tǒng)一傳達給微機保護，可在一個監(jiān)控屏幕上看到所有需要被監(jiān)控的數(shù)據(jù)，并利用通訊的遙測、遙信、遙控、遙調(diào)功能實現(xiàn)遠程監(jiān)控。另外在直流系統(tǒng)中也可采用PLC來實現(xiàn)對直流系統(tǒng)的監(jiān)控，且采用在直流屏上安裝PLC對直流系統(tǒng)進行監(jiān)控成本比微機保護要低，既可實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)通訊，又可在直流屏上實現(xiàn)就地監(jiān)控和設置相應參數(shù)。

4 結語

220V直流監(jiān)控系統(tǒng)的應用廣泛而且安全要求較高，所以采用完善的措施保證直流系統(tǒng)能為發(fā)電廠和變電所提供可靠優(yōu)質(zhì)的操作電源十分重要，希望本文能促進直流系統(tǒng)設計和應用者思考和完善，并提供一些借鑒，以進一步優(yōu)化供電系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)設計方案，提高供電可靠性。隨著技術的發(fā)展，相信在直流屏都設計與安裝方面會有更加經(jīng)濟和智能化的方案，我國供電技術可靠性會越來越高。