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(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

直流電源系統(tǒng)是保障發(fā)電、輸電和配電安全運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。直流電源系統(tǒng)是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行不可缺失的重要輔助系統(tǒng)，不僅需要在正常情況下為輔助設(shè)備提供電能，更在電網(wǎng)故障等異常情況下為重要輔助設(shè)備提供連續(xù)可靠的電能，以確保事故狀態(tài)下人身和設(shè)備的安全，并保障故障的快速恢復(fù)。

隨著電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)站用直流電源系統(tǒng)的供電可靠性和安全性提出了更高的要求，使得國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)對(duì)該系統(tǒng)的關(guān)注度逐漸提高。

下面根據(jù)四川省近10年來(lái)直流電源系統(tǒng)設(shè)備和運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，并結(jié)合在CIGRE WG B3.42工作過(guò)程中對(duì)國(guó)外直流電源系統(tǒng)應(yīng)用情況的了解，對(duì)該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。

1 站用直流電源系統(tǒng)得到廣泛關(guān)注

長(zhǎng)期以來(lái)直流電源系統(tǒng)因其電壓等級(jí)低、技術(shù)門(mén)檻較低等因素，其受到的關(guān)注度有限。不過(guò)，隨著電力技術(shù)與智能化技術(shù)的廣泛融合，電網(wǎng)的運(yùn)行、控制和調(diào)度的數(shù)字化、信息化、智能化等方面得到顯著的發(fā)展[1]，對(duì)站用直流電源系統(tǒng)的供電可靠性和安全性提出了更高的要求。一旦直流電源系統(tǒng)發(fā)生故障，非常容易造成主設(shè)備喪失控制與保護(hù)功能，特別是在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，無(wú)法快速切除故障甚至造成事故擴(kuò)大，延緩電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)間，使電力系統(tǒng)受到的危害和引起的損失也更大。全國(guó)近年來(lái)發(fā)生的事故也不斷地印證了這一點(diǎn)。這也使得國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)對(duì)直流電源系統(tǒng)的關(guān)注度逐漸提升。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)組織B3技術(shù)委員會(huì)組建了工作組(WG)B3.42(Reliability Analysis and Design Guidelines for LV AC/DC Auxiliary Systems)對(duì)發(fā)電廠、變電站以及換流站用的低壓交直流配電領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可靠性進(jìn)行研究。

美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)組織的Power and Energy Society/Substations(PE/SUB)成立了工作組WGD9-Substation Auxiliary System-Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations 來(lái)討論、研究變電站用低壓交直流配電領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，并組建標(biāo)準(zhǔn)編制項(xiàng)目 P1818-IEEE Draft Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations。該標(biāo)準(zhǔn)初稿已完成待正式發(fā)布。

2 國(guó)內(nèi)直流電源系統(tǒng)近10年來(lái)的應(yīng)用情況

近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)規(guī)模、電力技術(shù)快速發(fā)展，四川電網(wǎng)是其中的一個(gè)典型縮影。因此，下面以四川省直流電源系統(tǒng)的應(yīng)用狀況為例，在變電站數(shù)量不斷增多、維護(hù)人員數(shù)量又少、技術(shù)水平短時(shí)內(nèi)提升有限的情況下，來(lái)探討直流電源系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2.1 直流電源系統(tǒng)的快速持續(xù)增長(zhǎng)

近10年來(lái)，四川省110 kV及以上變電站數(shù)量以平均每年增長(zhǎng)63%的速度從2007年不足500座增長(zhǎng)為1000多座，相應(yīng)的蓄電池組數(shù)量也從約600組增加一倍多達(dá)到近1400組，如圖 1所示。

圖1 四川省近10年變電站和蓄電池?cái)?shù)量增長(zhǎng)曲線

隨著變電站規(guī)模的擴(kuò)大、數(shù)量的增多，如何確保直流電源系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行就成為一個(gè)重要問(wèn)題。如圖 2所示，變電站低壓直流電源系統(tǒng)近10年來(lái)，由基層運(yùn)檢單位上報(bào)的“一般”及以上缺陷數(shù)量也相應(yīng)增加?？捎^察到，“缺陷”的數(shù)量與蓄電池組數(shù)量從趨勢(shì)上呈一定的正相關(guān)性。

2009年、2010年隨著蓄電池?cái)?shù)量增加約50%，直流系統(tǒng)缺陷數(shù)量大幅增加，在隨后的2011—2016年直流配電系統(tǒng)缺陷數(shù)量得到較好的控制。從年度缺陷與蓄電池組數(shù)量之比，可看出2011—2016年直流系統(tǒng)缺陷率保持在較穩(wěn)定的水平。這與2010年以來(lái)管理和運(yùn)維水平的提升密不可分。

2.2 直流電源系統(tǒng)設(shè)備缺陷的分布情況

通過(guò)對(duì)四川省2007年至2016年的直流電源數(shù)據(jù)的分析，10年內(nèi)該省低壓直流電源系統(tǒng)發(fā)生的缺陷中約38.55%是充電裝置缺陷，其次有26.63%是由蓄電池引起，其余缺陷依次為系統(tǒng)發(fā)生的直流接地、絕緣監(jiān)測(cè)和巡檢等裝置、監(jiān)控裝置以及其他， 如圖 3所示。

圖2 直流電源系統(tǒng)年缺陷數(shù)量與蓄電池組數(shù)量的分析

圖3 近10年來(lái)直流電源系統(tǒng)中各設(shè)備的缺陷占比

根據(jù)調(diào)查，充電裝置的缺陷主要有充電模塊輸出電壓異常、無(wú)輸出電流、通信故障、冷卻風(fēng)機(jī)故障、充電裝置內(nèi)的交流繼電器故障、顯示器以及顯示燈故障等。

充電裝置缺陷約占缺陷總量的39%，是直流電源系統(tǒng)中最容易存在缺陷的設(shè)備之一。一方面是因?yàn)槌潆娧b置運(yùn)行年限較長(zhǎng)，設(shè)備老化再加上產(chǎn)品質(zhì)量潛在的薄弱點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行中最終引發(fā)缺陷；另一方面，運(yùn)維技術(shù)人員對(duì)充電裝置的日常維護(hù)手段有限，充電模塊組裝在直流屏(柜)中，在安裝后一般很少再定期檢查?，F(xiàn)在廣泛采用的高頻開(kāi)關(guān)電源型充電裝置，采用N+1或N+2模塊化設(shè)計(jì)方案，即按額定容量配置N個(gè)模塊后再備用1個(gè)或2個(gè)模塊[2]；模塊可即插即用，將故障的模塊在線插拔而不影響充電裝置的運(yùn)行。通過(guò)模塊化及冗余設(shè)計(jì)，充電模塊雖然呈現(xiàn)較高的故障率，但其整體的運(yùn)行可靠性是比較高的。

蓄電池缺陷約占缺陷總量的26.63%，僅次于充電裝置，但卻是決定直流電源系統(tǒng)可靠性的那只木桶“短板”。蓄電池組一般由單體蓄電池串聯(lián)組成，若某支單體蓄電池性能欠佳會(huì)影響到其余的單體電池，嚴(yán)重情況下如開(kāi)路，將導(dǎo)致整組蓄電池失效[3]。同時(shí)，蓄電池組中各只蓄電池需保持較好的一致性，因此即使發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的單體電池也不能像充電模塊一樣很方便地“帶電插拔”進(jìn)行更換，需要整組退出進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)，或在保證蓄電池組輸出電壓的基礎(chǔ)上將其剔除，否則整組蓄電池可能需要被更換。因此，如何有效地監(jiān)測(cè)蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)，對(duì)保證直流電源系統(tǒng)可靠運(yùn)行是非常重要的。

2.3 蓄電池實(shí)際運(yùn)行壽命的分析

現(xiàn)在電力系統(tǒng)主要采用的是閥控式鉛酸蓄電池，其浮充電預(yù)期壽命一般為8～10年，但工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，約70%的蓄電池達(dá)不到預(yù)計(jì)使用壽命。對(duì)四川省10年來(lái)退役蓄電池進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可觀察到約51%的退役蓄電池使用壽命不超過(guò)6年，絕大部分蓄電池使用壽命不超過(guò)8年，如圖 4和圖 5所示。

圖4 10年退役蓄電池中蓄電池使用壽命的分布

圖5 各年退役蓄電池中蓄電池使用壽命的分布

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可知，蓄電池實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期的浮充電壽命。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要是蓄電池質(zhì)量不過(guò)關(guān)。鉛酸蓄電池是一種復(fù)雜而精妙的電化學(xué)體系，在該體系中即使是存在一些雜質(zhì)，也會(huì)通過(guò)加快水分解反應(yīng)對(duì)蓄電池的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。一個(gè)有潛在缺陷的蓄電池，在運(yùn)行初期或中期就可能會(huì)出現(xiàn)干涸、硫化、極柱腐蝕、外殼鼓包以及容量嚴(yán)重降低等現(xiàn)象。

目前，在中國(guó)有許可證的蓄電池生產(chǎn)廠家有1000多家，生產(chǎn)廠家數(shù)量眾多，其質(zhì)量控制水平、生產(chǎn)工藝以及科技水平等各有高低，市場(chǎng)上的產(chǎn)品質(zhì)量也差別甚大。對(duì)短期內(nèi)出現(xiàn)異常的蓄電池解體分析，曾發(fā)現(xiàn)過(guò)個(gè)別生產(chǎn)廠家為了降低生產(chǎn)成本縮減工藝流程，采用劣質(zhì)原材料。而在采購(gòu)產(chǎn)品時(shí)，蓄電池質(zhì)量好壞不能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)立即得到判斷，通常需要在運(yùn)行1年或更久后才能體現(xiàn)出來(lái)，這也給了“帶病”蓄電池流入電力系統(tǒng)的“機(jī)會(huì)”。

從圖 5可知，在2009年、2013年和2014年均有10多組蓄電池在使用了2至4年就因容量不達(dá)標(biāo)而整組報(bào)廢，這種現(xiàn)象往往是因?yàn)椴少?gòu)的蓄電池存在家族性缺陷，導(dǎo)致在短短運(yùn)行兩三年后這批蓄電池就不能滿足運(yùn)行要求。

此外，對(duì)蓄電池的運(yùn)行維護(hù)不佳也是促使蓄電池壽命縮短的一個(gè)因素。以四川省為例，蓄電池組近10年數(shù)量增長(zhǎng)為2倍多，且蓄電池單體數(shù)量更是巨大，運(yùn)行維護(hù)工作量隨之顯著增加。在開(kāi)展外觀檢查、均衡充電、內(nèi)阻測(cè)試乃至容量核對(duì)性放電等維護(hù)項(xiàng)目時(shí)，運(yùn)維人員沒(méi)有按期進(jìn)行或沒(méi)有按規(guī)定程序嚴(yán)格開(kāi)展試驗(yàn)項(xiàng)目，造成“帶病”蓄電池未能及時(shí)篩選、落后蓄電池未能得到有效的活化處理等；缺陷報(bào)警后，由于運(yùn)維人員處理不及時(shí)，造成蓄電池長(zhǎng)期過(guò)充/欠充或長(zhǎng)期放電，蓄電池出現(xiàn)干涸、活性物質(zhì)脫落、極板硫化等現(xiàn)象而失效。

3 國(guó)內(nèi)外直流電源系統(tǒng)應(yīng)用狀況的主要差異

通過(guò)對(duì)德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、愛(ài)爾蘭、西班牙、波蘭以及沙特阿拉伯等國(guó)家直流電源系統(tǒng)的調(diào)研，國(guó)外與國(guó)內(nèi)直流電源系統(tǒng)的主要差異表現(xiàn)在直流電源系統(tǒng)的帶電監(jiān)測(cè)、檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、蓄電池的應(yīng)用以及維護(hù)等內(nèi)容。

3.1 帶電監(jiān)測(cè)、檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用

相比于國(guó)內(nèi)的蓄電池電壓和內(nèi)阻巡檢儀、絕緣監(jiān)測(cè)儀，國(guó)外的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的功能更簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度更低。

以直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測(cè)為例，母線絕緣監(jiān)測(cè)和支路絕緣監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)已是常規(guī)配置，而國(guó)外主要只配置母線絕緣監(jiān)測(cè)，支路絕緣監(jiān)測(cè)因價(jià)格等因素鮮有應(yīng)用[4-5]。因此，在出現(xiàn)母線絕緣故障報(bào)警時(shí)，仍有一些國(guó)家采用比較原始的拉回路法來(lái)定位故障點(diǎn)。

國(guó)外蓄電池內(nèi)阻測(cè)試主要采用的是離線式測(cè)試設(shè)備，作為判斷蓄電池狀態(tài)的補(bǔ)充手段。關(guān)于蓄電池內(nèi)阻的測(cè)試技術(shù)尤其在美國(guó)，研究較為深入，建立了內(nèi)阻測(cè)試模型以及計(jì)算公式[6-8]，相應(yīng)的檢測(cè)影響因素等方面都有較為詳盡的介紹。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于變電站的規(guī)模、信息化及自動(dòng)化程度等因素的影響，國(guó)外的站用直流電源主要有雙充雙蓄、單充單蓄這兩種類型[9]，而在國(guó)內(nèi)500 kV及以上變電站應(yīng)用的三充兩蓄[10]在國(guó)外鮮有實(shí)例。

與國(guó)內(nèi)普遍采用輻射供電網(wǎng)絡(luò)相比，國(guó)外的供電方式更為多樣化，可簡(jiǎn)單分類為輻射供電網(wǎng)絡(luò)和環(huán)網(wǎng)供電方式。英國(guó)、西班牙和沙特阿拉伯等國(guó)家兩種供電方式都存在，其中環(huán)網(wǎng)供電方式在各個(gè)國(guó)家又略有差異。愛(ài)爾蘭、德國(guó)等國(guó)家較為普遍地采用輻射供電方式。

3.3 蓄電池、配電屏柜等元器件的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)變電站已基本淘汰了鎘鎳堿性蓄電池和開(kāi)口式鉛酸蓄電池，采用的是閥控式鉛酸蓄電池。國(guó)外變電站使用的蓄電池種類就比較多，如：西班牙和沙特阿拉伯仍有變電站在使用鎘鎳堿性蓄電池；英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家除了有閥控式鉛酸蓄電池外，同時(shí)仍在使用開(kāi)口式鉛酸蓄電池。

相應(yīng)地，這也帶來(lái)了蓄電池在容量配置、壽命、安裝以及運(yùn)維等方面的差異。即使對(duì)于閥控式鉛酸蓄電池，容量配置、運(yùn)維檢測(cè)項(xiàng)目和周期各國(guó)也略有差異。比如，容量核對(duì)性充放電試驗(yàn)，其周期有1年、2年或者更長(zhǎng)時(shí)間；事故放電時(shí)間設(shè)計(jì)有2 h、6 h、8 h或者更長(zhǎng)的時(shí)間。

配電屏柜在澳大利亞可分為地面安裝類型和墻上安裝類型，充電機(jī)、蓄電池和配電可采用一體柜或者獨(dú)立柜。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合四川省直流電源系統(tǒng)近10年來(lái)應(yīng)用狀況的分析和國(guó)外應(yīng)用情況的比較，可知中國(guó)直流電源系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)尤其是絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平。此外，國(guó)內(nèi)的交直流一體化電源以及其他新技術(shù)的研究都領(lǐng)先于國(guó)外同行。

作為直流電源系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備——蓄電池，如何確保其安全、可靠地運(yùn)行到預(yù)期壽命，無(wú)論國(guó)內(nèi)外都還需要進(jìn)一步的提升。目前，國(guó)內(nèi)蓄電池的使用壽命一般為6～8年(國(guó)外不完全統(tǒng)計(jì)為8～10年)，雖然電池電壓巡檢儀、內(nèi)阻測(cè)試儀以及蓄電池活化儀等逐漸得到應(yīng)用，但容量核對(duì)性放電仍然是檢測(cè)蓄電池實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的最有效手段。在浮充電狀態(tài)下，有效、簡(jiǎn)便地甄別“帶病”蓄電池的方法仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)而值得研究的課題，其將對(duì)直流電源系統(tǒng)可靠性的提高具有重要意義。

在國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)規(guī)?？焖侔l(fā)展、電力技術(shù)與智能化以及信息化不斷融合的大背景下，如何經(jīng)濟(jì)、有效地進(jìn)一步提升直流電源系統(tǒng)的安全可靠性使其滿足電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的要求，仍然值得更多的關(guān)注和研究。

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