220V直流系统可靠性研究与探讨

北京铁路电气化学校 梁东霞

1 直流220V系统应用现状

在铁路、地铁和供电局的变电所以及发电厂等重要的供配电场所，安全运行永远位居第一，为保证安全运行，必须对实现发电、输电、变电、配电和用电的设备以及这些设备构成的系统进行实时监控，实现这个功能的就是二次系统。二次监控系统需要有电源，也就是常说的操作电源。为什么大多数操作电源采用直流220V，首先由于二次系统的重要性决定大多数时间即使一次系统停运、二次系统也不能退出，而交流不能储存，所以直流操作电源可保证二次系统的电源的可靠性。

其次二次设备中的继电器、按钮、指示灯、断路器的分合闸线圈大多数按照220V的大小进行规范化生产，所以经过实践和市场的检验，现在操作电源为直流220V系统的应用越来越广泛（在功率较大的操作中也可单独选用交流220V操作电源）。220V直流系统本身虽然比交流可靠性方面有优势，但为了保证整个供电系统的安全可靠供电，保证操作电源不间断，对如何提高220V直流系统可靠性的研究仍具有重要意义。

2 直流220V系统主要组成

直流220V系统主要由交流输入、充电装置、蓄电池、馈线、母线绝缘监察装置、调压装置等组成。

充电装置可用的有直流发电机、整流器和高频开关电源，随着智能化水平的提高以及对直流供电质量的要求提高，目前充电装置大多采用高频开关电源。蓄电池一般采用铅酸免维护蓄电池，减少维护工作量，共18块，每块额定电压12V，串联使用。母线绝缘监察一般采用传统的绝缘监察继电器检测正负母线电压，当电压过高或者过低时会发出声光报警。调压装置简称降压硅堆，经常采用的方案是5节硅二极管，每节7V，串联起来接在合闸母线和控制母线之间，原因是合闸母线负载操作时功率较大，合闸瞬间母线电压会降低，为保证操作时电压正常，空载时需要较高的电源电压，而控制母线功率相对较小，通过降压硅堆同时由一个电源满足合闸母线和控制母线的需求。

馈线的数量由所在供电场所的负载多少决定，一般合闸和控制回路出线分开，并设置一定数量的备用出线开关。在直流220V系统中柜体一般由电源屏、蓄电池屏、馈线屏组成，监控装置可根据实际情况安装在电源屏或者馈线屏上，而且根据容量大小蓄电池屏和馈线屏可分别设置一到两面屏体。一般大型变电所屏体高度都是标准屏体2260×800×600mm。

3 提高直流220V系统可靠性能的硬件配置方案

为保证直流220V系统安全可靠地为二次系统提供电源，必须设置母线绝缘监察功能，且一旦正、负母线220V电压大小超出允许波动范围（－10%～10%）时，必须报警并及时排查故障，此外一般还需要配置足够容量的蓄电池，以满足大功率合闸瞬间和交流输入停电时负载的需求。这是最基本的功能需求。除了满足基本需求和选用质量过硬的电器产品外，还可通过以下硬件配置方案提高直流220V系统的可靠性（图1）。

图1 220V直流系统图

3.1 双路交流电源自动投入

在给充电模块提供交流输入这一环节中，设置双路电源且双路电源可采用接触器自动投切，也就是通常所说的备用电源自动投入，当一路交流电失电时，另一路交流电自动投入，提高交流输入的可靠性。

3.2 充电装置采用高频开关电源N+1冗余配置

在实际应用中应根据蓄电池的充电电流加最大经常性负荷来确实N的数量，一般蓄电池充电都是按照10小时充电率计算。如200Ah的蓄电池充电电流是20A，再加上最大经常性负荷一般为10A，则充电模块需要3块高频开关电源模块，每块额定电流为10A，在此基础上配置一块冗余备份，总共需要3+1块10A高频开关电源模块。一般一面标准的屏体宽度最多也就容纳4块10A开关电源模块。这个配置可满足大部分中小型变电所需求。

对于一面充电电源屏，N+1冗余配置系统中当一块模块故障退出运行时，不影响其他模块正常工作给负载不间断供电，且各模块可以采用抽屉式、可以相互替换，并且具备通讯接口，故障后更换也更加方便。而采用直流发电机或者硅整流为直流电源，一旦电源设备故障，该充电电源屏将不能提供直流电源。显然充电装置采用高频开关电源N+1冗余配置可大大提高供电可靠性。为进一步确保电源可靠性，一般可设置两面相同的充电电源屏，每面充电电源屏都采用N+1冗余配置。

3.3 加强蓄电池屏的监控和保护

现在大多数发电厂和变电站都采用铅酸免维护蓄电池，大大减少维护成本。但加强对电池的监控仍不可忽略。考虑经济性，传统的电池屏只监测总的电源电压即220V输出电压的状况，虽然经济节约，但如果某节电池出现了问题，无法快速精准排查故障。为此可以把每节电池的端电压以及总电压都进行监控，随着智能监控装置的出现，已能轻松实现蓄电池自动管理及保护，实时自动检测蓄电池的端电压、充电和放电电流，并对蓄电池的均和浮充电进行智能能控制，设有电池过欠压和充电过流声光告警。电池屏在开关和电池间设置快速报警熔断器，一旦电流过大时熔断器熔断切断电路，报警节点闭合发出报警信号。

3.4 加强馈线的的监控

在220V直流系统中，最常见也最难处理的故障是接地故障，母线绝缘监察只能发现正、负母线上的接地故障，在传统的直流接地故障排查中靠人工排查有时需一两天时间，显然和供电可靠不间断供电的要求相违背，这就需要借助技术手段来发现是哪条馈线故障，缩小停电范围和检修时间。可在每条直流馈线开关后的线路中串入直流传感器来获取故障信号。当系统中馈线各支路绝缘情况正常时，流过传感器的电流大小相等、方向相反，其输出信号为零，当支路有接地时直流传感器有差流流过，传感器的输出不为零，因此通过检测各支路传感器的输出信号，就可判断直流系统接地支路。且随着技术的进步，直流传感器成本降低，和人工检测故障消耗的人力成本相比更是一劳永逸。在直流系统中设置自动选线装置能大大提高供电的可靠性。

3.5 进一步提高智能监控水平

采用双路交流电源自动投入、充电装置采用高频开关电源、加强蓄电池屏的监控和保护和加强蓄电池屏的监控和保护并不是各自独立，应该统一协调管理，最早的可采用微机监控，即把各个需要被监控的量通过各屏体通讯装置统一传达给微机保护，可在一个监控屏幕上看到所有需要被监控的数据，并利用通讯的遥测、遥信、遥控、遥调功能实现远程监控。另外在直流系统中也可采用PLC来实现对直流系统的监控，且采用在直流屏上安装PLC对直流系统进行监控成本比微机保护要低，既可实现与上位机的数据通讯，又可在直流屏上实现就地监控和设置相应参数。

4 结语

220V直流监控系统的应用广泛而且安全要求较高，所以采用完善的措施保证直流系统能为发电厂和变电所提供可靠优质的操作电源十分重要，希望本文能促进直流系统设计和应用者思考和完善，并提供一些借鉴，以进一步优化供电系统中的直流系统设计方案，提高供电可靠性。随着技术的发展，相信在直流屏都设计与安装方面会有更加经济和智能化的方案，我国供电技术可靠性会越来越高。