变电站直流电源控制系统设计

卜鑫链 何晓杰

（国网江苏省电力有限公司靖江市供电分公司）

0 引言

保护、控制和监测（PCM）系统的最关键部件是辅助直流控制电力系统，直流控制电源的故障可能导致故障检测设备无法检测故障，断路器无法因故障跳闸，本地和远程指示变得不可操作等［1-2］。在许多情况下，直流系统不是冗余的，这使得可靠性成为整体设计中极为重要的考虑因素。辅助直流控制电源系统由电池、电池充电器、配电系统、开关和保护装置以及监控设备组成，需要对构成直流控制电力系统的部件进行适当的设计、尺寸确定和维护。有关固定电池系统设计的许多参考文献只涉及特定的电池技术，这使得很难比较不同类型的电池对变电站应用的整体适用性。此外，大多数参考文献没有涉及变电站环境和占空比的特定要求，本文对变电站辅助直流控制电力系统设计中应考虑的事项进行了全面分析。

1 电池及PCM 系统设计

1.1 电池设计

在正常操作下，电池充电器提供直流电，在放电后恢复电池电压，并保持浮动电压，同时支持电池系统中的自放电损失。充电器还为辅助直流系统提供连续负载，而电池支持间歇性中速和瞬时高速负载，如跳闸线圈和直流电机。当电池充电器出现故障或失去交流电源时，电池必须支持连续负载以及在修复电池充电器或恢复交流电源之前可能出现的间歇性和瞬时负载。电池尺寸计算基于在电池充电器断电或交流电源中断期间连续、间歇和瞬时负载的最坏情况下负载分布［3-5］。

电池充电器的总断电时间是一个关键因素，必须基于现实的操作标准。例如，在电池充电器发生故障时，如果确定电池大小的设计标准使用八小时的负载曲线，那么可用的备用设备、操作、监测和检查实践必须确保维护人员能够在八小时内解决问题。在评估电池满足设计标准的能力时，关键设备的最小和最大可接受工作电压决定了电池尺寸和放电循环结束的“电压窗口”。

现代断路器的储能操作机制也发生了变化。在过去，储能机构通常使用气动或液压来存储用于多次操作的足够能量，这些机制由交流站服务电源充电。弹簧对断路器机制越来越普遍，这些机构有一个大的闭合弹簧，用于闭合断路器并给跳闸弹簧充电。因此，它们只能为单个跳闸-闭合跳闸序列存储足够的能量。如果为闭合弹簧充电的电机由直流系统供电，这可能会给设计标准中使用的最坏情况下的负载曲线增加显著的高性能负载，减轻这种机制对电池尺寸影响的一种方法是在电池充电器断电期间自动禁用自动重合闸，这种逻辑很容易在集成PCM系统中实现。

1.2 PCM 设计

保护系统包括检测电力系统故障的装置（保护继电器）和中断故障电流的装置（断路器和电路切换器）。在某些情况下，这两种功能是结合在一起的。熔断器和独立电路重合闸就是这样的例子。本文设计保护系统以处理这两种功能中任一种发生故障的处理方式，通常可以分为以下两种：使不同断路器跳闸的重叠继电器、双冗余系统。

任何一种类型的系统都可以用于同一变电站的不同部分，然而，由于现代PCM设备的低成本以及通过利用这些设备的辅助功能消除了其他大多数设备，双冗余PCM系统可以应用于系统的所有级别。双系统架构实际上降低了许多任务的复杂性，例如协调和设计以消除单点故障，它还使用户能够在系统中设计许多连续的自检功能，这些功能可以减少隐藏缺陷的可能性，并消除大多数定期维护和检查。这些概念在行业中得到了很好的发展。在这里介绍它们的目的是在上下文中讨论电路布局和如何消除单点故障，在许多情况下，进行设计的细节取决于所使用的架构。

1.3 电路布局

直流电路的布置对PCM系统的整体可靠性非常重要，需要仔细分析哪些PCM电路为保护电力系统中的其他PCM电路提供备份或冗余。应努力确保没有单点故障，其中单个分支电路的损失将导致保护区域的保护和控制损失。

如图1所示，在单独的辅助直流系统馈线上布置冗余系统。如果双辅助直流系统可用，相互冗余的PCM和断路器系统将连接到单独的电源，而不仅仅是单独的馈线。如果PCM 系统不是基于双PCM 设备，而是使用继电保护设备使断路器单独跳闸，本文会将继电器及其相关断路器布置在单独的辅助直流系统馈线上。如图1所示，断路器跳闸电路是PCM电路的公用电路，这种安排不适用于更复杂的保护方案，其中可能有一个及以上的断路器与PCM系统保护区相关。

图1 带公用继电器和断路器电路的电路布置

最常见的直流电路路由安排是径向系统或具有开关站路由的径向系统。环形布置也是可以的，但在此不进行讨论。如图2所示，显示了一个径向系统的示例，径向系统的常见改进电路，如图3所示。在这种布置中，跳闸和闭合电路在断路器的辅助电源隔离开关之后连接。这样做的优点是，断路器柜中的所有电压源都可以在该位置隔离，其缺点在于，由于电路必须保持的额外距离，跳闸电路中的电压降增加。

图2 直流电路布线，径向系统

图3 直流电路布线，径向系统改进布线

2 蓄电池室通风系统

电池系统所在的区域或外壳应具有足够的换气水平，以防止氢气积聚到爆炸水平。最低爆炸水平为4%（按体积计）。通常应使用2%的设计值。运行期间的氢量根据使用中的电池技术和运行条件而变化，VLA电池在正常浮动和均衡操作期间会释放出非常少的气体，非重组N-C电池只在充电的最后阶段释放氢气。

充电器故障会导致高电流通过充满电的电池，这将导致VLA和N-C型电池中最差的气体析出率。大多数充电器都有低电压或无电压输出的故障模式。当对辅助直流控制电源系统进行充分监测时，可以在发生过量气体积聚之前，对与故障相关的高电池电压进行报警和处理，微处理器控制的SCR充电器通常包括高Vdc关闭功能，以消除这种危险。

一个例子将有助于说明电池通风的问题。根据制造商的规范，当在正常浮动电压下运行时，60组电池、360 Ah、VLA电池每小时产生1755cm3的气体。当在均衡电压下操作时，这大约是5380cm3／h。让我们假设这个电池位于一个365.8cm宽、731.5cm长、304.8cm高的控制大楼中，控制楼的总体积约为81.6m3。因此，均衡充电1h后，氢气浓度将为0.0066%。为了将浓度保持在2%以下，需要每小时更换0.0066／2＝0.003次空气。使用研究的标准，在我们的示例电池上，使用电流限制在110%的25A充电器，最坏的析氢情况将是：

在充满充电器输出电流的情况下一小时后，氢气浓度将为0.5%。为了将浓度保持在2%以下，需要每小时0.5／2＝0.25次换气。在上述计算中，从最大充电器输出中减去连续负载13A，以获得最大充电电流。房间的自然通风通常约为每小时2.5次换气，因此不需要强制通风。此示例用于说明目的。每个电池安装应单独评估，超过安全要求的强制通风可能会增加暖通空调的运行成本，如果安装了强制通风，在异常操作条件下（如高压充电器故障），可以自动控制。

辅助直流控制电力系统的可靠性至关重要，系统故障可能导致无法检测和清除故障，从而对电力系统设备、公共财产和电力系统本身造成灾难性损害。

变电站应用的电池组的尺寸必须能够在电池充电系统或其交流电源最大断电期间提供可靠的辅助电源。负荷状况的持续时间必须基于对运行标准的现实评估，如可用的备用设备、运行、监测和检查。变电站应用的电池尺寸不仅考虑了连续负载，还考虑了断路器跳闸所需的瞬时高电流负载。与旧变电站相比，基于微处理器的PCM设备与电源的广泛使用增加了负载曲线中的连续负载部分。这可能意味着过去合适的电池尺寸可能不再适合给定的变电站应用。

变电站中使用的电池有四种常见类型，每种电池技术都有不同的特点。了解与变电站应用相关的故障模式对于正确评估可靠性以及维护和测试要求是必要的，电池的选择应基于经济性和可靠性标准。在评估备选方案时，年化成本法是一个合理的选择，应监控辅助直流控制电力系统，在直流系统无法运行之前，检测并纠正任何问题。智能电池充电器和内置在现代PCM设备中的直流监测功能可以提供无成本／低成本的方式来监测系统。

PCM系统辅助电源电路的布置对PCM系统的整体可靠性很重要，需要仔细分析哪些PCM电路为保护电源系统其他PCM电路提供备份或冗余。应努力确保没有单点故障，其中单个直流分支电路的损失将导致保护区的保护和控制损失。

3 结束语

辅助直流控制电力系统的故障保护与交流电力系统的一样重要。建议仅使用直流额定装置进行短路保护。直流电流比交流电流更难中断，电池的可用短路负载可以在购买时从制造商处获得，或者，也可以使用经验法则计算。

应评估电池安装是否有足够的通风，以防止氢气浓度积聚到爆炸水平。大多数电池在正常工作条件下的氢速率通常远低于需要强制通风的水平，在爆炸物浓度积聚之前，对直流系统进行监测可以允许在异常操作条件下采取纠正措施。然而，有一些标准规定，通风必须基于最坏情况下的氢气释放率，如果这些标准适用于安装，也可能需要强制通风。