高壓配電系統直流電源改造

黃軍營，李文君

（河南廣播電視臺104 臺，河南鄭州 450000）

0 引言

某中波廣播發射臺高壓配電室的直流屏已運行近20 年，是某公司生產的第二代模數混合控制的軟開關直流電源產品，開關直流電源系統由兩只額定電流為10 A的高頻整流器并聯為一組的高頻整流裝置、一臺微機直流系統絕緣檢測裝置和一臺直流系統監控裝置等組成。2021 年的7月20 日，該廣播發射基地遭受特大洪水，設備被洪水浸泡數天，整流屏內多個裝置模塊、配電單元、蓄電池組失效，金屬零部件銹蝕嚴重，考慮到高頻開關電源整流模塊存在較大安全隱患，并且是20 年前的模數混合控制產品，能耗高，整流器匹配功率過小，因此，需更新改造一套運行穩定、可靠、節能的直流電源系統。

1 電氣改造方案

2021 年8 月開始著手準備開關直流電源系統的更新改造工作，通過調研當前直流電源領域的前沿技術，決定棄用原有的模數混合控制的直流電源系統，采用全數字化控制的軟開關直流電源系統，改造后的開關直流電源系統在高頻變換、直流監控模塊和蓄電池組智能管理等方面有極大的提升。此次高壓配電室開關直流電源系統技術改造后與原系統相比，有以下3 個方面的提升：①由原模擬和數字混合控制軟開關直流電源系統升級為全數字化控制的軟開關直流電源系統；②整流裝置部分匹配4 只高頻開關整流器，采用（3+1）冗余接線方式，使系統更加穩定、可靠；③增加智能蓄電池檢測裝置，能夠及時掌握電池狀態，避免了由于電源因素從而引發電力事故。

2 改造后的開關直流電源系統

改造后的高頻開關直流操作電源系統由交流配電單元、高頻整流裝置、蓄電池組、硅堆降壓裝置、絕緣實時監測模塊、蓄電池組巡檢模塊、兩路市電交流輸入監測單元和后臺微機監控裝置等功能模塊組成，系統構成原理接線如圖1 所示。

圖1 高頻開關直流操作電源系統構成原理

交流配電單元電路的交流輸入由低壓室兩路市電輸入，互為備用，自動投切。為保證任意時段接入的電源唯一，輸入部分采用電氣聯鎖控制電路，實現對兩路交流市電進線單元的監測和自動切換控制。整流器由4 只額定電流為10 A 的整流模塊并聯為一組，提供交流變直流輸出，即直流動力輸出電壓（合母電壓）。該輸岀電源既要根據蓄電池組的狀況對其均充和浮充，又要經硅鏈降壓后輸岀控制母線電壓（控母電壓）。

其中，硅鏈內部串接多個大功率硅整流二極管，利用二極管正向導通壓降恒定的特性，通過實時監測直流控母電壓，并與設定值比較，根據比較結果控制硅堆的投入數量，從而獲得合適的壓降，把電壓穩定在合適的范圍，同時還具有抗電流沖擊能力大、安全可靠的優點。

絕緣監測模塊用于實時監測控制母線和饋電各支路小母線的絕緣情況。通過RS485 接口與變電站自動化監控后臺進行通信。

開關直流操作電源系統供電輸岀部分可參考簡化圖2。當兩路交流市電輸入電源正常時，通過交流輸入單元給各4 個整流模塊供電。整流模塊將交流電變換為直流電，經保護裝置（熔斷器或斷路器）輸出。即提供控制輸出（控母電壓）和動力輸出（合母電壓）。一旦岀現兩路市電同時故障時，蓄電池組能夠自動投入、為直流負荷供電。

圖2 高頻開關直流操作電源系統供電原理

3 改造關鍵技術及優勢

本次技術改造涉及有：高頻整流模塊、智能蓄電池組實時檢測裝置、直流絕緣狀況監測裝置、直流系統監控等模塊。各部分的功能和技術優勢如下：

3.1 高頻開關整流器模塊

高頻整流器模塊實現了軟開關變換和數字控制。系統匹配4 只高頻整流模塊，采用（3+1）冗余接線方式。各模塊供電方式相互獨立，當某一個模塊出現故障時，其他模塊可以正常供電，即可以在不停電的情況下進行故障零件的更換。當蓄電池事故放電后，能對蓄電池自動進行充電。而且能夠根據蓄電池組的狀態轉換充電模式。

對比原舊系統模數混合控制并聯輸的2 只整流模塊，新系統電流電壓更穩定，可靠性更高，可大幅減少功率器件的開關損耗，提高轉換率，且多項技術指標優于國標值，其技術優勢有在于：

開關變換全面采用軟開關技術，電壓變化率dv/dt 和電流變化率di/dt 減小很多，具有自動穩壓、穩流調節功能。高頻整流模塊并聯均流電路原理如圖3 所示。

圖3 高頻整流模塊并聯均流電路原理

3.2 智能蓄電池組巡檢模塊

變電站直流屏中蓄電池組是非常重要的組成部分，如果變電站中一旦兩路交流市電同時岀現電源故障，就會導致電源不能正常供電，并且直流屏中的充電裝置也會馬上停止工作，這時候蓄電池就成為整個供電系統的電源[1]。

智能蓄電池組巡檢模塊有以下功能特點：

單節電池采用差分電路輸入和多級電子開關切換，無機械觸點，測量速度快，精度高。實時在線檢測，無需外接瞬時大電流放電負載，對直流系統無任何影響。采用分布式安裝，在靠近蓄電池組安裝巡檢模塊，以減少蓄電池采樣接線的長度，提高測量精度。具備溫度探頭接口，可對蓄電池環境溫度或單體電池的表面溫度進行實時檢測，并據此對蓄電池組進行溫度補償控制。具備RS485 通信接口，通過數據總線與監控裝置連接，提供單節蓄電池電壓和內阻數據的顯示，便于分析和判斷。蓄電池組巡檢原理如圖4 所示。

圖4 蓄電池組巡檢原理

3.3 直流絕緣狀況監測裝置和直流監控裝置

運行實踐證明，直流系統接地的危害不僅使繼電保護裝置誤動、拒動，甚至會造成直流控制的一次設備誤動、拒動，嚴重危及電力系統安全運行，絕緣監測裝置采用彩色液晶觸摸屏顯示，方便人機對話，具有交流竄入檢測，直流互竄檢測，母線絕緣檢測以及支路巡檢功能。

直流監控裝置是直流系統電源的控制和管理核心，具有“四遙”功能和模塊化結構設計思路，采用分散測量和控制、集中管理的集散模式。可對硅堆降壓裝置、整流器、蓄電池組、母線電壓及母線對地絕緣情況，實施全方位監視、測量和智能化控制。直流監控裝置的開關量由開關量采集模塊采集，模擬量由數字變送儀表檢測。功能特點如下：

具有“四遙”功能，分別是遙測（充電機電壓、母線電壓、輸出電流、電池電壓、充電電源等）、遙信（交流電源失電、直流電壓過高以及過低，絕緣不良、整流器模塊故障、電池電壓異常等）、遙控（模塊的啟/停，均浮充切換）、遙調（連續調節充電電壓、輸出限流、電池充電限流、蓄電池欠壓報警值、整流器過欠壓報警值等）[2]，并根據系統的設置數據進行報警處理和數據管理功能。

4 結束語

在高壓配電室直流屏系統的災后技術改造過程中，通過對比和分析國際、國內高頻開關直流電源方面的前沿技術，將原模數混合控制的直流電源系統升級為全數字化控制的軟開關直流電源系統，既安全，又環保，實現了系統的“綠色化”。技術改造后的高頻開關直流電源系統的整體性能得到了大的提升。系統運行更加穩定可靠，既安全又環保，大大提升了廣播信號安全播出的保障能力。