變電站直流電源是變電站非常重要的一種二次設(shè)備，它的主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)、開(kāi)關(guān)合分及控制提供直流操作電源，它在變電站中是一個(gè)獨(dú)立的電源，不受交流的影響，在全站失電的情況下，仍能控制信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置等的電源及事故處理工作。它的作用是:正常時(shí)為變電站內(nèi)的斷路器提供合閘直流電源;出現(xiàn)故障時(shí)，在變電站供電中斷(全電失壓)的情況下，為繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器分合閘、通信等提供直流電源。因此，其性能和質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備安全。 近幾年來(lái)，無(wú)人值班變電站的建設(shè)在迅速發(fā)展和普及，與之相配套的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)備選擇原則也逐漸成熟。在變電站實(shí)行無(wú)人值班后，要求直流電源的自動(dòng)化程度更高，功能更完善。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直流電源制造技術(shù)也取得了飛速發(fā)展，整流系統(tǒng)由過(guò)去的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制，使直流電源具有智能化，能夠和變電站綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)連接，具有“三遙”(即遙信、遙測(cè)、遙控)功能甚至“四遙”(即遙信、遙測(cè)、遙控、遙調(diào))功能。近年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源在變電站也獲得了廣泛應(yīng)用。

變電站直流電源系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: 一、蓄電池

變電站的直流電源系統(tǒng)是一個(gè)不間斷的直流電源，要求配置蓄電池系統(tǒng)。其功能主要是在交流電源斷電時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地提供二次回路所需要的直流供電。蓄電池可作為傳動(dòng)、保護(hù)、控制、通信等裝置的獨(dú)立直流電源，穩(wěn)定、可靠、安全的保護(hù)操作電源是保證電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在直流電源系統(tǒng)中，蓄電池在正常狀態(tài)下處于浮充電狀態(tài)，直流負(fù)荷由交流部分提供，只有在交流失電的情況下，蓄電池才被投人系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)直流的供應(yīng)，因此蓄電池在平時(shí)的維護(hù)尤其重要。在維護(hù)中，浮充電電壓和電流應(yīng)該隨蓄電池的狀態(tài)變化而變化，盡力讓蓄電池工作在最佳狀態(tài)。在沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，直流電源系統(tǒng)完全按照人為的設(shè)定值機(jī)械地運(yùn)行，也就無(wú)法合理地維護(hù)好蓄電池。電池技術(shù)近年來(lái)有了很大發(fā)展，以前變電站主要應(yīng)用防酸隔爆鉛酸蓄電池，自20世紀(jì)80年代以來(lái)推廣使用了福鎳堿性蓄電池?，F(xiàn)在則廣泛應(yīng)用閥控式密封鉛酸蓄電池。

防酸隔爆鉛酸蓄電池具有容量大、壽命長(zhǎng)、易浮充電等特點(diǎn)，既適合長(zhǎng)時(shí)間小電流放電使用，又適合大電流瞬時(shí)放電使用，性能可靠，維護(hù)方便。但它由于有酸霧排出和少量氫釋放，需要有專用的具有通風(fēng)條件的蓄電池室，不可與成套直流電源柜一起安裝，現(xiàn)在一般都不選用這種蓄電池。

鎘鎳堿性蓄電池有開(kāi)口板式和開(kāi)口燒結(jié)式兩大類，其主要特點(diǎn)是電池內(nèi)阻低、牢固、溫度特性好、運(yùn)行維護(hù)方便、壽命長(zhǎng)、放電倍率高，但該類蓄電池有爬堿和漏液現(xiàn)象，且維護(hù)比較麻煩，目前也很少使用。

閥控式密封鉛酸蓄電池是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型蓄電池。該類蓄電池多采用鉛鈣板柵合金極板、超細(xì)玻璃纖維做隔板和貧電液結(jié)構(gòu)。也有采用管式正極板，專用隔板膠體電解液的富電液結(jié)構(gòu)的，其基本原理都是氣體在極板間轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了再化合反應(yīng)，同時(shí)利用減壓閥保持電池內(nèi)部有一定壓力。這類蓄電池具有防酸式鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，而且基本上屬于免維護(hù)即免除補(bǔ)加水維護(hù)，同時(shí)由于沒(méi)有酸霧和氫體排出，可以與成套直流電源柜一起安裝在主控室，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各類變電站中，為無(wú)人值班變電站的蓄電池。 變電站蓄電池容量的選擇:

選擇蓄電池容量首先要進(jìn)行直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)。直流負(fù)荷按性質(zhì)可分為:經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷、沖擊負(fù)荷。經(jīng)常負(fù)荷主要包括變電站內(nèi)的保護(hù)、控制、自動(dòng)化和通信設(shè)備等。事故負(fù)荷是指變電站在全站停電后，必須由直流電源供電的負(fù)荷。在變電站內(nèi)主要是指事故照明、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、通信備用電源等負(fù)荷。沖擊負(fù)荷是指極短的時(shí)間內(nèi)施加的很大的負(fù)荷電流。在35-220 kV變電站中這類負(fù)荷主要是指電磁操作機(jī)構(gòu)的斷路器分合閘電流。

關(guān)于蓄電池放電時(shí)間，《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T5044-2004)第5.2.2條規(guī)定: 有人值班變電所，全所交流電源事故停電時(shí)間按lh計(jì)算;無(wú)人值班變電所，全所交流電源事故停電時(shí)間按2h計(jì)算。對(duì)無(wú)人值班變電所，主要是考慮到事故停電后增加維修人員前往變電所的路途時(shí)間1 h，但對(duì)事故照明負(fù)荷可按lh計(jì)算，因?yàn)槭鹿收彰骺刹捎镁S修人員到達(dá)后手動(dòng)方式。

蓄電池容量選擇的計(jì)算方法有電壓控制法與階梯負(fù)荷法。為保證事故放電初期、放電末期蓄電池仍能保持一定的電壓水平，并能再次承受沖擊負(fù)荷，蓄電池容量還應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)膶捰喽?。根?jù)計(jì)算，220kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220V,蓄電池選擇兩組，蓄電池容量一般為150-200 Ah; 110kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220 V，蓄電池選擇一組，蓄電池容量一般為110150 Ah; 35 kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220V,蓄電池選擇一組，蓄電池容量為一般為50-100Ah。

《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T5044-2004)第4.3.2條規(guī)定:

220-500 k V變電所應(yīng)裝設(shè)不少于2組蓄電池。110 kV及以下變電所宜裝設(shè)1組蓄電池，對(duì)于重要的110kV變電所也可裝設(shè)2組蓄電池。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，也是按此方案配置。

在以往的變電站中，10 kV斷路器多采用電磁操作機(jī)構(gòu)，其額定合閘電流較大，為90-245A，所以事故放電末期承受沖擊負(fù)荷時(shí)，確保直流母線電壓在允許值范圍內(nèi)，是選擇蓄電池容量的決定性因素。近年來(lái)，越來(lái)越多的10 kV斷路器采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，其合閘電流很小，則蓄電池的容量由全站的經(jīng)常負(fù)荷和事故負(fù)荷決定，這樣可大大減少蓄電池容量。以1個(gè)具有2臺(tái)150-180MVA主變壓器、8回220 kV線路、10回110 kV線路、10回10kV線路和2組電容器的220kV變電站為例，當(dāng)變電站10 kV斷路器采用彈簧操作機(jī)構(gòu)時(shí)，其額定合閘電流為3.2A，分閘電流為0.5A，允許的最 低工作電壓為87.5%額定電壓，選擇220V額定電壓、104只蓄電池和400 Ah容量的直流電源系統(tǒng)即可滿足要求。 二、高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊

以前我國(guó)電力系統(tǒng)所使用的直流分合閘電源大部分采用可控硅整流充電裝置，但這種相控電源在紋波、效率、體積等方面不盡如人意，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，主從各分，用戶使用不便，達(dá)不到電力系統(tǒng)新的要求。另外，由于充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)紋波系數(shù)較大、浮充電壓波動(dòng)或偏低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充電放電，對(duì)電池不利。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、德國(guó)等西方國(guó)家新建電廠和變電站已全部采用開(kāi)關(guān)電源，高頻開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高、輸出紋波小、模塊疊加、N+l熱備份設(shè)計(jì)及便于計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)，迎合了現(xiàn)代電源的潮流。近年來(lái)、國(guó)內(nèi)用的電源已逐步由開(kāi)關(guān)電源取代相控電源。 高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊的主要功能:一是交流整流，即將交流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電源;二是穩(wěn)壓整流，即適時(shí)地給蓄電池充電，以確保蓄電池處于隨時(shí)可供電的狀態(tài)。

高頻開(kāi)關(guān)電源整流模塊的特點(diǎn):

(1) 可控硅整流充電裝置紋波、高次諧波干擾較大，效率較低，體積龐大，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，難以滿足綜合自動(dòng)化及無(wú)人值班變電站的要求。另外，由于閥控式密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻較小，可控硅整流充電設(shè)備與蓄電池并聯(lián)運(yùn)行使用時(shí)紋波系數(shù)較大，引起蓄電池脈動(dòng)充放電，從而加快了蓄電池老化的過(guò)程，影響蓄電池的使用壽命，因此這種傳統(tǒng)的可控硅整流充電裝置已逐步被高頻開(kāi)關(guān)電源取代。高頻開(kāi)關(guān)電源模塊具有穩(wěn)壓穩(wěn)流、精度高、體積小、重量輕、效率高、輸出紋波及諧波失真小的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已被廣泛使用。

(2) 可控硅整流直流電源系統(tǒng)的充電裝置的連線方式采用主從備份方式，當(dāng)一臺(tái)充電、浮充電裝置發(fā)生故障時(shí)，一般通過(guò)手動(dòng)方式將備用充電/浮充電裝置投人使用，這種備用方式的可靠性差、運(yùn)行和維護(hù)工作量大、充電柜數(shù)量多、占地面積大。高頻開(kāi)關(guān)電源充電裝置采用模塊化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。備份方式為N+1熱備份，即包括備份模塊在內(nèi)的所有電源模塊同時(shí)工作，當(dāng)系統(tǒng)中某一電源模塊故障時(shí)，該模塊自動(dòng)退出工作而其他模塊仍保證系統(tǒng)正常工作，這種備份方式的優(yōu)點(diǎn)在于可靠性高、系統(tǒng)占地面積小、配置靈活、擴(kuò)容方便、運(yùn)行與維護(hù)工作量小。 三、微機(jī)監(jiān)控單元

微機(jī)監(jiān)控單元是直流電源系統(tǒng)的控制核心，其主要負(fù)責(zé)監(jiān)控交流及電池狀態(tài)等眾多的物理量，并且控制充電模塊部分智能地對(duì)電池進(jìn)行充電，監(jiān)控器性能的優(yōu)劣往往決定直流電源系統(tǒng)性能的好壞。 電力系統(tǒng)內(nèi)的直流電源集中控制系統(tǒng)由監(jiān)控調(diào)度中心主站及安裝在各個(gè)變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)上的電源監(jiān)控單元組成。監(jiān)控調(diào)度中心可通過(guò)MODEM及電話網(wǎng)(或綜合自動(dòng)化系統(tǒng))，經(jīng)變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控單元對(duì)直流電源系統(tǒng)進(jìn)行遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)。維護(hù)人員可在監(jiān)控調(diào)度中心監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)變電站直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)告警，則可以直接訪問(wèn)該系統(tǒng)的監(jiān)控單元，獲取必要的詳細(xì)信息，實(shí)施一些應(yīng)急操作，然后根據(jù)需要做好準(zhǔn)備，再赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，提高工作效率。監(jiān)控單元是智能型直流電源系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)直流電源系統(tǒng)各組成部分的集中管理，通過(guò)串行的RS232/RS485接口，與變電站內(nèi)的綜合包動(dòng)化系統(tǒng)或地區(qū)調(diào)度聯(lián)系。

四、絕緣監(jiān)測(cè)裝置和自動(dòng)調(diào)壓模塊

絕緣監(jiān)測(cè)裝置:變電站直流電源系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，當(dāng)直流電源系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)會(huì)引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)或拒動(dòng)以及直流電動(dòng)機(jī)的異常甚至損壞。直流操作電源需要配置絕緣監(jiān)察裝置，監(jiān)測(cè)直流電源系統(tǒng)的接地故障與絕緣水平。過(guò)去，往往使用絕緣監(jiān)測(cè)繼電器來(lái)完成對(duì)直流母線絕緣狀況的在線監(jiān)測(cè)，這種繼電器具有體積小、安裝方便的特點(diǎn)，但只能反映整個(gè)直流電源系統(tǒng)的絕緣水平，不能確定具體的故障回路，需要逐個(gè)拉開(kāi)回路來(lái)確定接地故障點(diǎn)，查找故障十分困難?，F(xiàn)在變電站內(nèi)使用的微機(jī)直流電源系統(tǒng)接地巡檢儀，除可監(jiān)視母線電壓與絕緣外，還可對(duì)各直流接地支路進(jìn)行判斷，直流電源系統(tǒng)的接地信息可通過(guò)串行口傳送至本地監(jiān)控或后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。正常情況下，系統(tǒng)各支路對(duì)地絕緣電阻相近且較高，大于允許絕緣電阻值，裝置報(bào)警回路不動(dòng)作，僅進(jìn)行常規(guī)工作，如正、負(fù)母線電壓，正、負(fù)母線絕緣電阻的巡回檢測(cè)、顯示。在支路或母線接地時(shí)或絕緣電阻降低超過(guò)允許值時(shí)，裝置報(bào)警并顯示相應(yīng)回路絕緣電阻值，查找接地故障非常方便。

自動(dòng)調(diào)壓模塊:電力操作電源的額定輸出電壓一般選擇為110V或220V，如果考慮蓄電池均充電運(yùn)行的需要，輸出電壓最高則可達(dá)到額定輸出電壓的145%, 220V系統(tǒng)，最高輸出電壓可達(dá)到330V。因?yàn)樾铍姵氐亩穗妷鹤兓秶艽螅栽陔娏ο到y(tǒng)中，除了合閘等沖擊性負(fù)載直接接在蓄電池的輸出端(合閘母線)之外，控制類負(fù)載都通過(guò)調(diào)壓裝置間接與蓄電池相連接(調(diào)壓裝置的輸出母線被稱為控制母線)，以獲得比較穩(wěn)定的工作電壓。