王斌曉

0 引言

鐵路電力操作電源目前大多采用直流電源，為電力工程控制、保護(hù)、信號(hào)、操作等提供電源，以及為直流事故照明負(fù)荷等提供應(yīng)急電源，已在鐵路配電所、牽引變電所中廣泛應(yīng)用。直流電源是電力系統(tǒng)控制、保護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，是確保鐵路行車安全的關(guān)鍵技術(shù)裝備。

直流電源由直流電源屏提供。直流電源屏由交流雙路輸入配電單元、充電機(jī)模塊、降壓硅鏈、合閘電源母線、操作電源母線、直流饋電單元、配電監(jiān)控單元、監(jiān)控單元及絕緣監(jiān)測(cè)單元組成。直流屏配套設(shè)置電池屏，并安裝有鉛酸鹽蓄電池組及電池巡檢裝置。

在直流電源屏內(nèi)，交流輸入電源通過(guò)雙電源開關(guān)（ATS）和充電機(jī)向屏內(nèi)合閘母線提供直流電壓，同時(shí)向連接在合閘母線上的蓄電池組充電。通過(guò)硅鏈等調(diào)壓裝置將合閘母線電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)降壓后提供給屏內(nèi)的控制母線，屏內(nèi)的合閘母線和控制母線向站內(nèi)電力系統(tǒng)提供合/分閘直流電源和控制、應(yīng)急照明用直流電源。

合閘母線及控制母線一般使用DC 110 V或DC 220 V電壓（為了便于討論，本文將母線電壓或輸出電壓規(guī)定為DC 110 V），而單節(jié)鉛酸鹽蓄電池標(biāo)稱電壓為12 V，一般在直流屏中將多個(gè)鉛酸鹽蓄電池串聯(lián)后通過(guò)隔離開關(guān)及熔斷器連接到合閘母線上，并為保證蓄電池安全設(shè)置有電池巡檢儀。

為規(guī)范直流電源屏的設(shè)計(jì)、使用和維護(hù)，國(guó)家鐵路局，國(guó)家能源局頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1，2]。隨著電子電力能源交換及其控制技術(shù)、新型器件的成熟應(yīng)用，直流電源屏產(chǎn)品已取得技術(shù)突破。

1 直流屏產(chǎn)品現(xiàn)狀

在鐵路電力領(lǐng)域，按照不同的規(guī)模，直流系統(tǒng)配置規(guī)模為：普通開閉所、分區(qū)所、自耦變壓器所配置1組蓄電池、1套充電裝置；普通牽引變電所和重要開閉所配置2組蓄電池、2套充電裝置；樞紐牽引變電所配置2組蓄電池、3套充電裝置，如圖1所示。

在多年的使用過(guò)程中，直流電源系統(tǒng)暴露出一些問(wèn)題亟需得到解決。這些問(wèn)題主要包括：

（1）直流電源系統(tǒng)作為重要基礎(chǔ)電力設(shè)施，是電力系統(tǒng)重大故障時(shí)的最后屏障，要求具有極高的可靠性。然而合閘母線上的蓄電池組為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，任何一節(jié)電池故障離線，都將導(dǎo)致整組蓄電池容量丟失。對(duì)于配置兩組蓄電池的直流電力系統(tǒng)，任意一節(jié)蓄電池故障時(shí)后備容量丟失一半；對(duì)于配置1組蓄電池的直流電力系統(tǒng)，任意一節(jié)蓄電池故障時(shí)后備容量全部丟失。在電池容量丟失時(shí)出現(xiàn)交流失電事故，將導(dǎo)致停電事故恢復(fù)延誤，極可能造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。

圖1 樞紐牽引變電所直流系統(tǒng)

（2）通常情況下，蓄電池組處于滿電且不放電的狀態(tài)，直流負(fù)荷電流由充電機(jī)提供。在這種狀態(tài)下，目前尚不具備可實(shí)時(shí)而準(zhǔn)確地識(shí)別出蓄電池容量是否出現(xiàn)丟失的有效方法，而僅可通過(guò)定期放電試驗(yàn)和核容試驗(yàn)檢查蓄電池放電能力和實(shí)際容量，其時(shí)效性較差。

（3）串聯(lián)的蓄電池組中任何一節(jié)電池出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法進(jìn)行在線維護(hù)，必須對(duì)直流屏內(nèi)直流母線進(jìn)行倒閘作業(yè)以退出故障蓄電池組，該維護(hù)工作受到天窗時(shí)間的限制，這種故障電池的維護(hù)限制加大了停電事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）蓄電池串聯(lián)使用的構(gòu)架要求電池特性必須一致，即所有電池必須同品牌、同型號(hào)、相同使用時(shí)間，當(dāng)整組蓄電池中任何一節(jié)故障，必須將整組電池進(jìn)行更換。

（5）隨著使用時(shí)間的增加，串聯(lián)的蓄電池組特性由其中最差的一節(jié)蓄電池特性決定，即整組蓄電池的可用放電容量由剩余容量最小的那一節(jié)蓄電池決定。這是典型的木桶原理，串聯(lián)的蓄電池越多，風(fēng)險(xiǎn)越大。

（6）受蓄電池內(nèi)阻影響，在電流負(fù)載突然增大時(shí)，蓄電池端口電壓將出現(xiàn)較大的瞬間跌落，跌落的大小受蓄電池端口實(shí)時(shí)電壓水平、內(nèi)阻、剩余電量、瞬時(shí)放電電流大小、電流上升速率等因素的影響，而這些參數(shù)并非在蓄電池的整個(gè)使用壽命內(nèi)維持不變，雖然直流屏內(nèi)設(shè)置了硅鏈等自動(dòng)調(diào)壓裝置以調(diào)節(jié)控制母線電壓，但其動(dòng)作時(shí)間總是遲于電流突變出現(xiàn)時(shí)間，只能維持控制母線穩(wěn)態(tài)電壓水平，并不適合于對(duì)瞬態(tài)電壓水平的控制。因此，在斷路器合閘沖擊電流出現(xiàn)瞬間，直流母線電壓極可能跌落到允許值以下（新電池可以維持，但由于內(nèi)阻的變化，并不能保證舊電池也可以維持）。為了盡可能克服上述情況的出現(xiàn)，在直流屏內(nèi)分別設(shè)置合閘母線和控制母線。合閘母線實(shí)際電壓遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電壓，用于向沖擊性負(fù)載供電（即斷路器的合閘/分閘線圈）；控制母線的電壓略高于標(biāo)稱電壓，向開關(guān)控制器供電。即直流屏的出口電壓與標(biāo)稱電壓是不一致的，并且出口電壓還受到充電機(jī)恒充電壓和浮充電壓的影響，恒充電壓高于浮充電壓。

出現(xiàn)上述問(wèn)題的直接原因是由蓄電池組串聯(lián)結(jié)構(gòu)造成的，在20世紀(jì)中期，這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)與當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平相匹配。隨著電力電子能源變換及控制技術(shù)的進(jìn)步及新型電力電子器件的更新?lián)Q代，目前可以采用并聯(lián)構(gòu)架的直流系統(tǒng)取代蓄電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)，解決上述問(wèn)題，使得直流系統(tǒng)的可靠性得到極大提高，運(yùn)維成本大幅降低。

2 并聯(lián)型直流電源屏構(gòu)架

所謂并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，其核心是使用三端口DC-DC變流器連接DC 12 V電池單體和DC 110 V直流母線，實(shí)現(xiàn)直流電壓的隔離變換。交流電源輸入作為外部供電電源，通過(guò)三端口DC-DC變流器向直流母線提供工作電源，同時(shí)向蓄電池提供充電電源；DC 12 V電池通過(guò)三端口DC-DC變流器向DC 110 V直流母線提供事故后備電源。多個(gè)三端口DC-DC變流器的直流輸出側(cè)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線的冗余供電支持。

并聯(lián)型直流電源主要組成包括交流輸入側(cè)的雙電源開關(guān)（ATS）及其控制器、三端口DC-DC變流器、蓄電池、直流母線、饋出開關(guān)、I/O控制和監(jiān)測(cè)單元、絕緣監(jiān)視單元、AD采樣電源、監(jiān)控主機(jī)，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 并聯(lián)型直流電源屏構(gòu)架

將圖2所示的直流電源系統(tǒng)與圖1所示的直流系統(tǒng)比較，主要差異在于圖2所示的并聯(lián)型直流系統(tǒng)中蓄電池不再相互串聯(lián)以達(dá)到提升直流電壓的目的。在并聯(lián)型直流電源中，每節(jié)蓄電池與三端口DC-DC變流器配對(duì)使用，組成一個(gè)供電單元，三端口變流器的交流側(cè)與輸入交流電源連接；三端口變流器的直流輸出側(cè)與DC 110 V母線連接。多個(gè)供電單元在交流側(cè)和直流側(cè)分別并聯(lián)，以達(dá)到增加系統(tǒng)總輸出功率（或電流）的目的。兩種電源系統(tǒng)在系統(tǒng)組成上的具體差異見表1。

表1 并聯(lián)型與串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)的配置差異

3 并聯(lián)型直流電源屏關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)對(duì)構(gòu)架和組成的對(duì)比明顯可以看出，在并聯(lián)型直流電源屏中，三端口DC-DC變流器是一種全新的設(shè)備，為直流電源系統(tǒng)中的核心設(shè)備，并聯(lián)型直流電源屏系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)圍繞三端口DC-DC變流器展開。

3.1 三端口DC-DC變流器主電路

三端口DC-DC變流器需要實(shí)現(xiàn)從交流輸入到DC 110 V的變換；從交流輸入到DC 12 V的變換；從DC 12 V到DC 110 V的變換。圖3展示了可以實(shí)現(xiàn)這些變換的4種典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？紤]到DC 110 V不可與交流系統(tǒng)或蓄電池共地，主電路應(yīng)實(shí)現(xiàn)3個(gè)端口之間的電氣隔離。

圖3 三端口變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3中I型拓?fù)湓O(shè)置了2個(gè)AC/DC電路，為實(shí)現(xiàn)隔離目的，每個(gè)AC/DC電路還需設(shè)置1套DC-DC隔離電路?？紤]輸入功率因數(shù)盡可能高，輸入諧波電流盡可能小，AC/DC電路可以由PFC整流電路[3]和正反激變換器（或反激變換器）[4]組成。另外還有1個(gè)DC/DC電路，可以使用boost電路加高頻隔離電路搭建[5]。

圖3中Ⅱ型拓?fù)湓O(shè)置了中間母線，考慮到功率器件耐壓、工作電流及3個(gè)端口的電壓水平，中間母線電壓宜設(shè)定為DC 400 V。其中AC/DC電路無(wú)需隔離，因此只需使用一級(jí)PFC整流器即可。蓄電池與中間母線之間的電流需雙向流動(dòng)，可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器[6]，這是一種典型的隔離型雙向變換器，主要由2個(gè)全橋變換單元，1個(gè)高頻隔離變壓器和電感組成。通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的控制信號(hào)使得前后級(jí)全橋分別產(chǎn)生占空比可調(diào)、相位可移的方波電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。可以通過(guò)開關(guān)管控制信號(hào)開關(guān)過(guò)程實(shí)現(xiàn)寄生電容的電荷交換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，以達(dá)到降低開關(guān)損耗的目的。中間母線與直流母線之間的DC-DC變換器同樣可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器。

圖3中Ⅲ型拓?fù)渫ㄟ^(guò)AC/DC電路將輸入交流直接變換為DC 220 V輸出，其電路由PFC整流電路和正反激變換器（或反激變換器）組成。蓄電池與直流母線之間的DC/DC使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)。

圖3中Ⅳ型拓?fù)湓O(shè)置了電壓為DC 12 V的中間母線，AC/DC需要實(shí)現(xiàn)整流變換和隔離，其電路由PFC整流電路和正反激變換器（或反激變換器）組成。由于前級(jí)AC/DC需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)向蓄電池的充電功能及向后級(jí)DC/DC的供電，需要在恒壓限流、恒流限壓工作模式之間切換，控制難度較大。后級(jí)DC/DC電路需適應(yīng)較大的輸入電壓變化范圍，也有較大的控制難度。后級(jí)DC/DC可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)。

綜合比較而言，圖3所示的4種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，從主電路實(shí)現(xiàn)難度和控制復(fù)雜程度比較，I型拓?fù)渥罴?；從成本角度比較，Ⅳ型拓?fù)渥罴?；綜合考慮器件成本、效率，以Ⅱ型為好。

3.2 在線核容

隨著使用時(shí)間的增加，蓄電池將發(fā)生各種不可逆的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致蓄電池實(shí)際容量逐漸低于標(biāo)稱容量[7]。對(duì)于新裝機(jī)蓄電池及在使用壽命內(nèi)的蓄電池，按照維護(hù)管理規(guī)定應(yīng)對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行核對(duì)性檢查（簡(jiǎn)稱核容），以檢驗(yàn)蓄電池實(shí)際放電容量是否在可靠范圍內(nèi)。將蓄電池組從直流母線上脫離，按照充電程序?qū)ζ溥M(jìn)行充電并達(dá)到滿電狀態(tài)，然后以規(guī)定的放電率對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流放電，當(dāng)蓄電池組中任何一節(jié)電池的端電壓達(dá)到終止放電電壓時(shí)，停止放電，記錄放電電流和持續(xù)放電時(shí)間，以電流和時(shí)間的乘積作為該組蓄電池的實(shí)際容量[8]。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，該過(guò)程應(yīng)重復(fù)3次。當(dāng)蓄電池組實(shí)測(cè)容量小于標(biāo)稱容量的80%時(shí)，應(yīng)對(duì)該組蓄電池進(jìn)行更換。

長(zhǎng)期以來(lái)，蓄電池的核容試驗(yàn)是利用電阻和放電試驗(yàn)儀進(jìn)行。該項(xiàng)工作必須使用備用電池將工作蓄電池從直流系統(tǒng)中替換下來(lái)，工作量極大。由于核容試驗(yàn)定期進(jìn)行，當(dāng)在蓄電池壽命末期需要更為頻繁地進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將增加調(diào)度管理難度。核容結(jié)果表征了本組蓄電池的實(shí)際容量，并不能反映出每一節(jié)蓄電池的實(shí)際容量。

在并聯(lián)型直流電源屏內(nèi)，蓄電池與三端口DC-DC變流器一對(duì)一連接后再接入直流母線的構(gòu)架，為每一節(jié)蓄電池的在線核容創(chuàng)造了硬件條件。在線核容的意義在于，可以在任意時(shí)間對(duì)任何一節(jié)蓄電池的容量進(jìn)行檢查，在蓄電池容量發(fā)生下降并達(dá)到臨界值前進(jìn)行更換，而不必再對(duì)整組蓄電池進(jìn)行預(yù)防性更換，相當(dāng)于延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

蓄電池的在線核容在監(jiān)控主機(jī)和三端口DC- DC變流器的配合下完成。監(jiān)控主機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的核容周期、核容隊(duì)列，在恰當(dāng)?shù)臈l件下啟動(dòng)對(duì)某一節(jié)蓄電池的核容程序，程序流程見圖4。進(jìn)行核容的條件：并聯(lián)型直流屏總輸出電量大于0.1 C，所有三端口DC-DC運(yùn)行正常。圖4中，Qo為三端口DC-DC恒流模式輸出電量，Ubat為蓄電池端口電壓，Uth為蓄電池最低允許電壓，t為累計(jì)放電時(shí)間，Tth為最大允許核容放電時(shí)間，n為累計(jì)核容次數(shù)。

在核容過(guò)程中，為保證核容過(guò)程能夠持續(xù)進(jìn)行，三端口DC-DC輸出電量Qo始終維持在比0.1 C小ΔQ的水平，ΔQ為一個(gè)預(yù)設(shè)值，其范圍為0～0.1 C。另外，在核容過(guò)程開始后，如果在最大時(shí)間Tth內(nèi)蓄電池端電壓沒有降低到Uth以下或并聯(lián)式交流屏總輸出電流小于0.1 C，將強(qiáng)制結(jié)束核容過(guò)程。被強(qiáng)制結(jié)束核容過(guò)程的蓄電池將重新排隊(duì)等待核容。

按照式（1）得出蓄電池實(shí)際容量Qpra：

式中：Io為三端口變流器輸出電流，A。

將Qpra與蓄電池標(biāo)稱容量Q進(jìn)行比較，如果Qpra≤0.85Q，則發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示蓄電池壽命即將耗盡；如果Qpra≤0.8Q則發(fā)出報(bào)警，提示蓄電池必須立即更換。

圖4 在線核容流程

3.3 內(nèi)阻測(cè)量

蓄電池在充放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)和物理變化對(duì)蓄電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了損耗，這種損耗與充放電次數(shù)、深度、使用時(shí)間、充放電電流、環(huán)境等諸多因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，這些因素都反映到蓄電池內(nèi)阻的變化量及變化速率上[7，9]。在對(duì)蓄電池內(nèi)阻準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)內(nèi)阻量值的變化及內(nèi)阻變化速率對(duì)蓄電池早期失效進(jìn)行預(yù)測(cè)。

蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量分為在線測(cè)量和離線測(cè)量?jī)纱箢悾诰€測(cè)量方法主要有交流信號(hào)注入法[10]。離線測(cè)量方法主要包含直流放電法、交流放電法。在并聯(lián)型直流電源屏中，內(nèi)阻測(cè)量特別適合采用交流注入法。

采用交流注入法時(shí)，在蓄電池使用過(guò)程中，可在蓄電池兩端施加一個(gè)特定頻率的激勵(lì)電壓，即可通過(guò)充電或放電電流識(shí)別出一個(gè)特定頻率的電流信號(hào)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波處理，利用歐姆定律計(jì)算出其內(nèi)阻。當(dāng)激勵(lì)電壓信號(hào)為

可以檢測(cè)到一個(gè)電流響應(yīng)信號(hào)：

式（2）除以式（3），得蓄電池在頻率2πω信號(hào)下阻抗為

其中，Zs的模即為所測(cè)蓄電池的內(nèi)阻。

在實(shí)際使用中，由于蓄電池內(nèi)阻在毫歐級(jí)別，交流信號(hào)注入法通常注入一個(gè)幅值非常小的電壓激勵(lì)，以獲得一個(gè)合適的電流輸出。但由于三端口DC-DC變流器工作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生開關(guān)次及以上次數(shù)的諧波干擾，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成干擾，這是在線測(cè)量的一個(gè)固有缺陷。選擇一個(gè)遠(yuǎn)低于三端口DC-DC變流器開關(guān)頻率的信號(hào)作為注入信號(hào)，并在電流測(cè)量回路中使用硬件或軟件鎖相技術(shù)，則可以有效避免干擾。更徹底的解決措施是在注入激勵(lì)信號(hào)的瞬時(shí)，短暫停止三端口DC-DC變流器開關(guān)器件工作，測(cè)量完畢后重新啟動(dòng)開關(guān)器件即可。

4 并聯(lián)型直流電源屏替換串聯(lián)型電源屏的實(shí)施方案

變電站直流系統(tǒng)的配置需要滿足諸多要素[11]。從負(fù)荷的角度考慮，必須滿足經(jīng)常性負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷的供電需求。并聯(lián)型直流電源屏通過(guò)多個(gè)三端口DC-DC變流器的并聯(lián)來(lái)滿足對(duì)負(fù)荷電流的支撐。文獻(xiàn)[11]給出了不同類型變電站直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表，以其中110 kV變電站（戶外）110 V直流負(fù)荷為例，統(tǒng)計(jì)表見表2。

三端口DC-DC變流器的額定輸出電流為4 A，1 min過(guò)載能力16 A，配置數(shù)量n應(yīng)滿足全站最大負(fù)荷要求，計(jì)算過(guò)程如下：

查表2，得到最大穩(wěn)態(tài)負(fù)荷電流Io.sta.max= MAX(I1,I2,I3,I4) = 51.77 A，應(yīng)配置模塊數(shù)量n=Io.sta.max/4 = 12.943，向上取整后n= 13。按照最大輸出電流Io.max復(fù)核，Io.max=Io.sta.max+IR= 65.87 A，13臺(tái)三端口DC-DC變流器1 min輸出電流能力Io.1min= 13×16 = 208 A＞Io.max。

計(jì)算表明，表 2給出的變電站所配置的并聯(lián)型直流電源屏內(nèi)需要配置13臺(tái)三端口DC-DC變流器，穩(wěn)態(tài)輸出電流滿足經(jīng)常性負(fù)荷、事故初期負(fù)荷及持續(xù)放電負(fù)荷要求，最大輸出電流滿足5 s隨機(jī) 負(fù)荷與穩(wěn)態(tài)放電負(fù)荷疊加的電流要求。

表2 110 kV變電站（戶外）110 V直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

每臺(tái)三端口變流器連接一塊蓄電池，13臺(tái)變流器均流運(yùn)行，共需配置13塊蓄電池，每塊蓄電池放電電流相同，放電電流≈51.6 A。

每塊蓄電池的容量Q為穩(wěn)態(tài)放電所需容量QCl與瞬態(tài)放電所需容量CCh之和：

式中：Krel為可靠性系數(shù)，一般取1.4，是蓄電池溫度系數(shù)（取1.10）、老化系數(shù)（取1.10）、裕度系數(shù)（取1.15）的積，具體定義見參考文獻(xiàn)[11]；Kc120、Kc5為容量換算系數(shù)，在蓄電池放電終止電壓為1.87 V時(shí)，120 min容量換算系數(shù)取0.334，5 s容量換算系數(shù)取1.27，見參考文獻(xiàn)[11]中表4-9。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，蓄電池容量取300 A·h，蓄電池端口電壓12 V。

5 預(yù)期效益分析

從建設(shè)成本、維護(hù)成本兩個(gè)維度進(jìn)行定量分析，從可靠性、可維護(hù)性兩個(gè)維度進(jìn)行定性分析。對(duì)照同等容量和饋出規(guī)模的傳統(tǒng)電池串聯(lián)直流電源屏，評(píng)價(jià)并聯(lián)型直流電源屏的顯著優(yōu)勢(shì)及不足之處。

5.1 建設(shè)成本

表1分析了并聯(lián)型直流電源屏與串聯(lián)型直流電源屏的配置差異。并聯(lián)型直流電源屏增加了三端口DC-DC變流器，取消了充電機(jī)，電池巡檢儀、調(diào)壓硅鏈、合閘母線等部件。但總體而言，采用并聯(lián)型直流電源屏將增加直流系統(tǒng)造價(jià)。

5.2 維護(hù)成本

并聯(lián)型直流電源屏可延長(zhǎng)電池使用壽命，具有支持電池混合使用、在線核容、在線放電試驗(yàn)、蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量等功能。相比串聯(lián)型直流電源屏，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)自主、自動(dòng)維護(hù)，無(wú)需人工定期試驗(yàn)，從而節(jié)約維護(hù)費(fèi)用支出。

各鐵路局/站段對(duì)直流電源屏的定檢維護(hù)要求不盡相同，對(duì)于電池串聯(lián)型直流電源屏，參照《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》、TB/T 2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》、DLT 1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設(shè)備》等規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，直流電源系統(tǒng)應(yīng)定期巡檢。對(duì)于蓄電池最低應(yīng)做到投用首年、6年內(nèi)每2年，6年后每年進(jìn)行全核對(duì)性充放電試驗(yàn)；電池運(yùn)行時(shí)間2年以內(nèi)的應(yīng)每6個(gè)月進(jìn)行1次放電試驗(yàn)，2年以上的每3個(gè)月進(jìn)行1次放電試驗(yàn)。進(jìn)行放電試驗(yàn)以及核對(duì)性充放電，應(yīng)準(zhǔn)備電池內(nèi)阻測(cè)試儀、放電儀、備用電池等器材。

蓄電池的全核對(duì)性試驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，且在核容期間充放電不能中斷，否則將被判定為核容失敗，需要重新進(jìn)行核容。

5.3 可靠性

假設(shè)蓄電池可靠度為98.0%，則18節(jié)蓄電池串聯(lián)后可靠度為69.5%（0.9818= 0.695）；而18節(jié)蓄電池通過(guò)變流器并聯(lián)，設(shè)變流器與蓄電池組合的可靠度為95.0%，則并聯(lián)后的可靠度大于99.99%（1 ? 0.0518≈0.999 99）。

由于并聯(lián)電源屏的高可靠性，使直流系統(tǒng)的事故風(fēng)險(xiǎn)降低到最低，確保鐵路電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

5.4 可維護(hù)性

電池串聯(lián)后，任何一節(jié)蓄電池故障將導(dǎo)致整組蓄電池離線，變電所直流系統(tǒng)將處于危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)電力系統(tǒng)已失去后備操作電源，需要安排緊急搶修。對(duì)于串聯(lián)蓄電池組，只能更換整組18節(jié)電池。

并聯(lián)型電源屏內(nèi)每節(jié)蓄電池均獨(dú)立工作，蓄電池故障時(shí)只需更換該故障電池即可，無(wú)需對(duì)整組電池進(jìn)行更換。少量蓄電池離線不影響直流后備電源正常工作，從而無(wú)需安排緊急維修。

并聯(lián)型電源屏的蓄電池可以新舊、不同品牌、不同容量混合使用，因此無(wú)需準(zhǔn)備大量備用蓄電池。

5.5 節(jié)能環(huán)保效益

并聯(lián)型直流電源屏具有自動(dòng)在線放電功能、在線核容功能、高可靠性、高可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)約大量勞動(dòng)力。

并聯(lián)型電源屏可以充分發(fā)揮蓄電池壽命，相比串聯(lián)型電源屏，預(yù)計(jì)在每10年內(nèi)少消耗一半數(shù)量蓄電池。在蓄電池的生產(chǎn)、報(bào)廢、回收過(guò)程中，不可避免地對(duì)自然環(huán)境造成污染。并聯(lián)型直流電源屏以少消耗蓄電池的方式減少了蓄電池的報(bào)廢數(shù)量，從而降低對(duì)自然環(huán)境的污染。

6 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了鐵路電力及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)大量使用的電池串聯(lián)式電源屏的構(gòu)架，指出了其存在的問(wèn)題；提出了一種并聯(lián)式直流電源屏，討論了其構(gòu)架、所涉及的關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)施方案和參數(shù)計(jì)算方法，并對(duì)照了兩種直流電源屏的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

在鐵路電力、牽引變/配電所等電力設(shè)施向無(wú)人化、自動(dòng)化發(fā)展的大背景下，并聯(lián)型直流電源屏以其高可靠性、低維護(hù)要求以及自動(dòng)化、智能化特點(diǎn)順應(yīng)了發(fā)展潮流，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。