卜鑫鏈 何曉杰

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司靖江市供電分公司）

0 引言

保護(hù)、控制和監(jiān)測(cè)（PCM）系統(tǒng)的最關(guān)鍵部件是輔助直流控制電力系統(tǒng)，直流控制電源的故障可能導(dǎo)致故障檢測(cè)設(shè)備無(wú)法檢測(cè)故障，斷路器無(wú)法因故障跳閘，本地和遠(yuǎn)程指示變得不可操作等［1-2］。在許多情況下，直流系統(tǒng)不是冗余的，這使得可靠性成為整體設(shè)計(jì)中極為重要的考慮因素。輔助直流控制電源系統(tǒng)由電池、電池充電器、配電系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)和保護(hù)裝置以及監(jiān)控設(shè)備組成，需要對(duì)構(gòu)成直流控制電力系統(tǒng)的部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、尺寸確定和維護(hù)。有關(guān)固定電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許多參考文獻(xiàn)只涉及特定的電池技術(shù)，這使得很難比較不同類(lèi)型的電池對(duì)變電站應(yīng)用的整體適用性。此外，大多數(shù)參考文獻(xiàn)沒(méi)有涉及變電站環(huán)境和占空比的特定要求，本文對(duì)變電站輔助直流控制電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的事項(xiàng)進(jìn)行了全面分析。

1 電池及PCM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電池設(shè)計(jì)

在正常操作下，電池充電器提供直流電，在放電后恢復(fù)電池電壓，并保持浮動(dòng)電壓，同時(shí)支持電池系統(tǒng)中的自放電損失。充電器還為輔助直流系統(tǒng)提供連續(xù)負(fù)載，而電池支持間歇性中速和瞬時(shí)高速負(fù)載，如跳閘線圈和直流電機(jī)。當(dāng)電池充電器出現(xiàn)故障或失去交流電源時(shí)，電池必須支持連續(xù)負(fù)載以及在修復(fù)電池充電器或恢復(fù)交流電源之前可能出現(xiàn)的間歇性和瞬時(shí)負(fù)載。電池尺寸計(jì)算基于在電池充電器斷電或交流電源中斷期間連續(xù)、間歇和瞬時(shí)負(fù)載的最壞情況下負(fù)載分布［3-5］。

電池充電器的總斷電時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素，必須基于現(xiàn)實(shí)的操作標(biāo)準(zhǔn)。例如，在電池充電器發(fā)生故障時(shí)，如果確定電池大小的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)使用八小時(shí)的負(fù)載曲線，那么可用的備用設(shè)備、操作、監(jiān)測(cè)和檢查實(shí)踐必須確保維護(hù)人員能夠在八小時(shí)內(nèi)解決問(wèn)題。在評(píng)估電池滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的能力時(shí)，關(guān)鍵設(shè)備的最小和最大可接受工作電壓決定了電池尺寸和放電循環(huán)結(jié)束的“電壓窗口”。

現(xiàn)代斷路器的儲(chǔ)能操作機(jī)制也發(fā)生了變化。在過(guò)去，儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)通常使用氣動(dòng)或液壓來(lái)存儲(chǔ)用于多次操作的足夠能量，這些機(jī)制由交流站服務(wù)電源充電。彈簧對(duì)斷路器機(jī)制越來(lái)越普遍，這些機(jī)構(gòu)有一個(gè)大的閉合彈簧，用于閉合斷路器并給跳閘彈簧充電。因此，它們只能為單個(gè)跳閘-閉合跳閘序列存儲(chǔ)足夠的能量。如果為閉合彈簧充電的電機(jī)由直流系統(tǒng)供電，這可能會(huì)給設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中使用的最壞情況下的負(fù)載曲線增加顯著的高性能負(fù)載，減輕這種機(jī)制對(duì)電池尺寸影響的一種方法是在電池充電器斷電期間自動(dòng)禁用自動(dòng)重合閘，這種邏輯很容易在集成PCM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

1.2 PCM 設(shè)計(jì)

保護(hù)系統(tǒng)包括檢測(cè)電力系統(tǒng)故障的裝置（保護(hù)繼電器）和中斷故障電流的裝置（斷路器和電路切換器）。在某些情況下，這兩種功能是結(jié)合在一起的。熔斷器和獨(dú)立電路重合閘就是這樣的例子。本文設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)以處理這兩種功能中任一種發(fā)生故障的處理方式，通?？梢苑譃橐韵聝煞N：使不同斷路器跳閘的重疊繼電器、雙冗余系統(tǒng)。

任何一種類(lèi)型的系統(tǒng)都可以用于同一變電站的不同部分，然而，由于現(xiàn)代PCM設(shè)備的低成本以及通過(guò)利用這些設(shè)備的輔助功能消除了其他大多數(shù)設(shè)備，雙冗余PCM系統(tǒng)可以應(yīng)用于系統(tǒng)的所有級(jí)別。雙系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)際上降低了許多任務(wù)的復(fù)雜性，例如協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)以消除單點(diǎn)故障，它還使用戶能夠在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)許多連續(xù)的自檢功能，這些功能可以減少隱藏缺陷的可能性，并消除大多數(shù)定期維護(hù)和檢查。這些概念在行業(yè)中得到了很好的發(fā)展。在這里介紹它們的目的是在上下文中討論電路布局和如何消除單點(diǎn)故障，在許多情況下，進(jìn)行設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)取決于所使用的架構(gòu)。

1.3 電路布局

直流電路的布置對(duì)PCM系統(tǒng)的整體可靠性非常重要，需要仔細(xì)分析哪些PCM電路為保護(hù)電力系統(tǒng)中的其他PCM電路提供備份或冗余。應(yīng)努力確保沒(méi)有單點(diǎn)故障，其中單個(gè)分支電路的損失將導(dǎo)致保護(hù)區(qū)域的保護(hù)和控制損失。

如圖1所示，在單獨(dú)的輔助直流系統(tǒng)饋線上布置冗余系統(tǒng)。如果雙輔助直流系統(tǒng)可用，相互冗余的PCM和斷路器系統(tǒng)將連接到單獨(dú)的電源，而不僅僅是單獨(dú)的饋線。如果PCM 系統(tǒng)不是基于雙PCM 設(shè)備，而是使用繼電保護(hù)設(shè)備使斷路器單獨(dú)跳閘，本文會(huì)將繼電器及其相關(guān)斷路器布置在單獨(dú)的輔助直流系統(tǒng)饋線上。如圖1所示，斷路器跳閘電路是PCM電路的公用電路，這種安排不適用于更復(fù)雜的保護(hù)方案，其中可能有一個(gè)及以上的斷路器與PCM系統(tǒng)保護(hù)區(qū)相關(guān)。

圖1 帶公用繼電器和斷路器電路的電路布置

最常見(jiàn)的直流電路路由安排是徑向系統(tǒng)或具有開(kāi)關(guān)站路由的徑向系統(tǒng)。環(huán)形布置也是可以的，但在此不進(jìn)行討論。如圖2所示，顯示了一個(gè)徑向系統(tǒng)的示例，徑向系統(tǒng)的常見(jiàn)改進(jìn)電路，如圖3所示。在這種布置中，跳閘和閉合電路在斷路器的輔助電源隔離開(kāi)關(guān)之后連接。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，斷路器柜中的所有電壓源都可以在該位置隔離，其缺點(diǎn)在于，由于電路必須保持的額外距離，跳閘電路中的電壓降增加。

圖2 直流電路布線，徑向系統(tǒng)

圖3 直流電路布線，徑向系統(tǒng)改進(jìn)布線

2 蓄電池室通風(fēng)系統(tǒng)

電池系統(tǒng)所在的區(qū)域或外殼應(yīng)具有足夠的換氣水平，以防止氫氣積聚到爆炸水平。最低爆炸水平為4%（按體積計(jì)）。通常應(yīng)使用2%的設(shè)計(jì)值。運(yùn)行期間的氫量根據(jù)使用中的電池技術(shù)和運(yùn)行條件而變化，VLA電池在正常浮動(dòng)和均衡操作期間會(huì)釋放出非常少的氣體，非重組N-C電池只在充電的最后階段釋放氫氣。

充電器故障會(huì)導(dǎo)致高電流通過(guò)充滿電的電池，這將導(dǎo)致VLA和N-C型電池中最差的氣體析出率。大多數(shù)充電器都有低電壓或無(wú)電壓輸出的故障模式。當(dāng)對(duì)輔助直流控制電源系統(tǒng)進(jìn)行充分監(jiān)測(cè)時(shí)，可以在發(fā)生過(guò)量氣體積聚之前，對(duì)與故障相關(guān)的高電池電壓進(jìn)行報(bào)警和處理，微處理器控制的SCR充電器通常包括高Vdc關(guān)閉功能，以消除這種危險(xiǎn)。

一個(gè)例子將有助于說(shuō)明電池通風(fēng)的問(wèn)題。根據(jù)制造商的規(guī)范，當(dāng)在正常浮動(dòng)電壓下運(yùn)行時(shí)，60組電池、360 Ah、VLA電池每小時(shí)產(chǎn)生1755cm3的氣體。當(dāng)在均衡電壓下操作時(shí)，這大約是5380cm3／h。讓我們假設(shè)這個(gè)電池位于一個(gè)365.8cm寬、731.5cm長(zhǎng)、304.8cm高的控制大樓中，控制樓的總體積約為81.6m3。因此，均衡充電1h后，氫氣濃度將為0.0066%。為了將濃度保持在2%以下，需要每小時(shí)更換0.0066／2＝0.003次空氣。使用研究的標(biāo)準(zhǔn)，在我們的示例電池上，使用電流限制在110%的25A充電器，最壞的析氫情況將是：

在充滿充電器輸出電流的情況下一小時(shí)后，氫氣濃度將為0.5%。為了將濃度保持在2%以下，需要每小時(shí)0.5／2＝0.25次換氣。在上述計(jì)算中，從最大充電器輸出中減去連續(xù)負(fù)載13A，以獲得最大充電電流。房間的自然通風(fēng)通常約為每小時(shí)2.5次換氣，因此不需要強(qiáng)制通風(fēng)。此示例用于說(shuō)明目的。每個(gè)電池安裝應(yīng)單獨(dú)評(píng)估，超過(guò)安全要求的強(qiáng)制通風(fēng)可能會(huì)增加暖通空調(diào)的運(yùn)行成本，如果安裝了強(qiáng)制通風(fēng)，在異常操作條件下（如高壓充電器故障），可以自動(dòng)控制。

輔助直流控制電力系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要，系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)和清除故障，從而對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備、公共財(cái)產(chǎn)和電力系統(tǒng)本身造成災(zāi)難性損害。

變電站應(yīng)用的電池組的尺寸必須能夠在電池充電系統(tǒng)或其交流電源最大斷電期間提供可靠的輔助電源。負(fù)荷狀況的持續(xù)時(shí)間必須基于對(duì)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)實(shí)評(píng)估，如可用的備用設(shè)備、運(yùn)行、監(jiān)測(cè)和檢查。變電站應(yīng)用的電池尺寸不僅考慮了連續(xù)負(fù)載，還考慮了斷路器跳閘所需的瞬時(shí)高電流負(fù)載。與舊變電站相比，基于微處理器的PCM設(shè)備與電源的廣泛使用增加了負(fù)載曲線中的連續(xù)負(fù)載部分。這可能意味著過(guò)去合適的電池尺寸可能不再適合給定的變電站應(yīng)用。

變電站中使用的電池有四種常見(jiàn)類(lèi)型，每種電池技術(shù)都有不同的特點(diǎn)。了解與變電站應(yīng)用相關(guān)的故障模式對(duì)于正確評(píng)估可靠性以及維護(hù)和測(cè)試要求是必要的，電池的選擇應(yīng)基于經(jīng)濟(jì)性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。在評(píng)估備選方案時(shí)，年化成本法是一個(gè)合理的選擇，應(yīng)監(jiān)控輔助直流控制電力系統(tǒng)，在直流系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行之前，檢測(cè)并糾正任何問(wèn)題。智能電池充電器和內(nèi)置在現(xiàn)代PCM設(shè)備中的直流監(jiān)測(cè)功能可以提供無(wú)成本／低成本的方式來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

PCM系統(tǒng)輔助電源電路的布置對(duì)PCM系統(tǒng)的整體可靠性很重要，需要仔細(xì)分析哪些PCM電路為保護(hù)電源系統(tǒng)其他PCM電路提供備份或冗余。應(yīng)努力確保沒(méi)有單點(diǎn)故障，其中單個(gè)直流分支電路的損失將導(dǎo)致保護(hù)區(qū)的保護(hù)和控制損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

輔助直流控制電力系統(tǒng)的故障保護(hù)與交流電力系統(tǒng)的一樣重要。建議僅使用直流額定裝置進(jìn)行短路保護(hù)。直流電流比交流電流更難中斷，電池的可用短路負(fù)載可以在購(gòu)買(mǎi)時(shí)從制造商處獲得，或者，也可以使用經(jīng)驗(yàn)法則計(jì)算。

應(yīng)評(píng)估電池安裝是否有足夠的通風(fēng)，以防止氫氣濃度積聚到爆炸水平。大多數(shù)電池在正常工作條件下的氫速率通常遠(yuǎn)低于需要強(qiáng)制通風(fēng)的水平，在爆炸物濃度積聚之前，對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以允許在異常操作條件下采取糾正措施。然而，有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通風(fēng)必須基于最壞情況下的氫氣釋放率，如果這些標(biāo)準(zhǔn)適用于安裝，也可能需要強(qiáng)制通風(fēng)。