直流电源可靠性应用研究

倪宏

摘要：科学技术的发展迅速，我国的电力行业的发展也有了改善。目前直流源产品种类繁多，有机械旋钮操作、按键操作、人机交互操作等多种操作方式，有模拟控制直流电源，也有数字控制直流电源，但趋势是由模拟逐渐数字化、智能化。数字控制电源是从八十年代开始逐渐发展起来的，这时电力电子理论开始建立，几十年来数控电源逐渐发展。此后随着高分辨率的数模和模数转换器的出现，数字电源的准确度和稳定度才开始逐步提升，到现在为止，准确度高、稳定度高、纹波小的数字直流源已经广泛应用于各种场合，智能直流电源行业也比较乐观。

关键词：直流电源;可靠性;应用研究

引言

电力系统中各种电压等级的变电站及开闭所，其电气一次和二次设备都需要有稳定且可靠的直流电源系统才能正常工作。直流电源系统的可靠性，直接关系到每个变电站和开闭所甚至电网系统的安全稳定性。另外，大部分中、低压变电站及中小型发电机组，其直流电源系统都只配置了一组电池，可靠性较低;高压变电站及大型机组配置了两组或三组电池，但直流母线是分段运行的，规程上虽然有冗余设计的要求，但都只是手动切换，个别工程通过电磁式继电器实现了自动切换，但切换过程中电源也有中断，如果在切换过程中遇到系统故障，继电保护装置将拒动，将会发生系统故障扩大、设备烧毁和人员伤亡等严重事故。因此，提高直流电源系统的可靠性，意义非常重大。采用该新型冗余设计方法的直流电源系统，在国内多家大型化工企业运行多年，效果良好，为化工装置的安全稳定运行提供了坚强的后盾。

1直流电源设备运行现状分析

电力系统中由于直流屏以及蓄电池故障导致的事故时有发生，严重的会造成电网解列事故，主要有以下几种情况。（1）直流电源充电机运行分析。根据规程，直流电源成套装置技术指标需要达到标准要求，但大部分成套装置都忽略了纹波系数、稳压精度和稳流精度3个参数的的在线监测。随着运行时间的增长以及外部环境的变化，充电机的参数会发生不同程度的偏移，造成蓄电池过早失效，严重的会造成保护误动事故。（2）蓄电池运行分析。阀控铅酸蓄电池已经得到了广泛应用，其具有全密封、无须加水及调酸等特点。但在实际使用过程中，许多电池未能达到使用寿命，主要原因是浮充状态下单体电池自放电一致性差。长期浮充状态下，由于各个电池的自放电能力不同，有的电池过充造成电池失水、有的电池欠充造成电池容量不足。蓄电池一旦失效，不仅经济上受到损失，还会影响直流系统的供电可靠性，甚至会导致整个电网的安全性降低。（3）直流电源监控、维护现状分析。现有的直流电源检测工作需要专业人员按照检修周期，定期对蓄电池和充电机进行检修。试验分为：蓄电池放电时间、充电机参数测试试验以及级差配合试验。

2优化措施分析研究

2.1新型冗余型直流电源系统的实现

基于零时延自动切换供电原理，设计出了满足实际工程需要的新型冗余型直流电源系统。本方案运行方式灵活，可以将母联断路器QFL1或QFL2断开，作为两套完全独立的系统使用;也可合上母联断路器QFL1和QFL2，作为冗余型电源系统使用。当作为冗余型电源系统使用时，能够实现两套直流电源自动冗余且零时延切换。正常情况下只有其中一套提供电源，另一套热备用，当其中任意一套故障失电时，另一套自动零时延自动投入正常供电。该系统除了实现冗余和零时延切换的功能外，还考虑到了其他一些工程上的问题：（1）母联双向保护功能。工程应用时，需要运行方式的灵活性，将母线分成了两段，且设计了母联断路器来保护母线。由于直流断路器有方向性，故设置了QFL1和QFL2两个母联断路器。（2）蓄电池并联环流问题。当两组蓄电池并联时，因为两组蓄电池的电压不同，形成非常大的环流，危险系数极高，因为有功率型二极管V1和V2的存在，形不成环流，保护了蓄电池。（3）功率型二极管选型。功率型二极管的选型，需要根据系统的容量并考虑适当的工程系数来选择电流和反向重复峰值电压值，还需要根据额定工作电流的大小来核算功率型二极管的发热情况，决定是否需要加装散热器。（4）高频电源模块输出设置。传统模式下，左右两侧的高频电源模块输出一般设置相同的电压，但该冗余系统中，由于有功率型二极管结电压的存在，输出设置了1～2V的压差。

2.2仿真直流系统窜入交流系统

直流回路分布广、数量多，常常出现运行与基建施工、设备改造同时并存，由于工作不慎，极易造成交流电源串入直流回路。由于直流回路存在分布电容，可能出现交流电源经分布电容起动相应继电器，导致多台断路器同时跳闸或合闸，造成极其严重的事故。为了防范交流电源串入直流系统，一方面从设计源头、管理方面入手，减小事故发生的源头;另一方面，原有的直流系统绝缘监测装置，应逐步进行改造，使其具备交流窜直流故障的测记和报警功能，同时提高中间继电器动作功率，反措要求功率大于5W。这样将大大提高直流系统的安全稳定性。

2.3传统冗余型直流电源系统的典型配置

由于传统单套直流电源系统的可靠性相对较低，在一些重要负荷如一级负荷中，往往需要采用可靠性较高的直流电源系统，该系统模式较多，主要是在充电模块和蓄电池两方面做冗余配置，比如单充双蓄、双充单蓄、双充双蓄等，其中又以双充双蓄模式最为典型，双充双蓄模式相当于配置了两套完整的直流电源系统，当其中任何一套系统出现故障时，能快速切换到另一套系统来恢复供电，可靠性明显提高。但是，这几种传统冗余型直流电源系统，切换功能都是通过开关手动控制或电磁式继电器自动或手动控制，这两种切换方式，都存在系统供电中断的情况，即使是继电器自动切换，中断时间也有30ms以上，手动方式切换时间一般为秒级或更长。在某种极端情况下，有些工程运行人员为了保证不间断供电，再断开故障侧的蓄电池开关和充电模块开关。在这种操作方式下，存在两组蓄电池短时间并联的情况，因为两组蓄电池的电压不同，形成非常大的环流，极易引起蓄电池过热甚至爆炸的危险。当有重要负荷且对供电中断时间有严格要求时，几十毫秒都是无法满足的，市场急需一种新型冗余型直流电源系统，能实现自动且零时延切换，确保系统安全、可靠和稳定供电。

3结语

随着数字技术的不断发展和应用，更多的直流源都向数字化、智能化发展，数字化、智能化的电源相比传统旋钮开关调节电源，减少了人为因素和机械因素的影响，使电源更加可靠、智能化、一致性。采用集成技术将特定功能模拟电路集成在一块芯片上，使电路的抗干扰能力加强。现在数字电路和模拟电路的结合是直流电源的一种发展方向：微控制器通过DAC控制信号的输出，模拟放大电路和功率输出电路则负责输出电流或电压，微控制器再通过ADC獲取输出量调节输出，整个数字环节替代了人为操作的不确定性，使电源输出更加简单、准确。

参考文献：

[1]王一龙.厂站直流电源系统智能监测技术方案优化研究[J].电力与能源，2018（06）.

（作者单位：许昌鲲鹏电力设计咨询有限公司）