直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)收、運(yùn)行中的幾個(gè)問題分析

變電站直流系統(tǒng)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)、開關(guān)的分、合閘及控制提供直流操作電源，它的正常運(yùn)行與否，關(guān)系到繼電保護(hù)及開關(guān)能否正確切除故障，蕓影響全站乃至上級殳電站的正常運(yùn)行。近年來，隨著高頻開關(guān)電源、閥控蓄電池等設(shè)備的大量使用以及蓄電池內(nèi)阻測試、單瓶活化蓄電池組主動(dòng)均衡等技術(shù)的推廣應(yīng)用，對直流系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行維護(hù)帶來深入的影響。下面就目前直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析探討。

1 直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)接線
    避免采用了兩臺(tái)充電機(jī)，一組閥控蓄電池的接線方式。某些變電站的典型設(shè)計(jì)中的直流系統(tǒng)采用了兩臺(tái)充電機(jī)，一組閥控蓄電池的接線方式。這種設(shè)計(jì)不太合理。兩臺(tái)充電機(jī)，一組蓄電池的設(shè)計(jì)是沿襲原來采用相控充電機(jī)、固定防酸蓄電池時(shí)的設(shè)計(jì)思想。殊不知設(shè)備情況已發(fā)生了變化。原來的相控充電機(jī)可靠性不高，因此一般采用兩臺(tái)充電機(jī)；而固定防酸蓄電池造價(jià)高、壽命長、可靠性高，所以一般采用一組蓄電池。目前采用的高頻開關(guān)電源的充電機(jī)為N+1備份，且各模塊可脫離監(jiān)控單元獨(dú)立進(jìn)行工作，充電機(jī)的可靠性已大大提高。而閥控蓄電池雖使用安全、日常維護(hù)量小但其可靠性和壽命明顯不如固定防酸蓄電池。MCHAELR．M00RE通過對超過7萬5千只閥控蓄電池近1O年的研究表明，閥控蓄電池的實(shí)際使用壽命為4～8年，遠(yuǎn)低于其1O～20年的設(shè)計(jì)使用壽命。因此合理的設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)蓄電池的可靠性。應(yīng)采用雙套充電機(jī)、雙組蓄電池而非雙套充電機(jī)、單組蓄電池。為不提高投資，蓄電池的容量可選用原蓄電池容量的一半。這樣本質(zhì)上為兩套直流系統(tǒng)，兩組蓄電池電、兩臺(tái)充電機(jī)、兩面饋線屏，正常運(yùn)行為分裂運(yùn)行，充電機(jī)或蓄電池檢修時(shí)并列運(yùn)行。系統(tǒng)方式靈活，每段母線上的充電機(jī)和蓄電池可同時(shí)撤出系統(tǒng)，當(dāng)撤出系統(tǒng)后充電機(jī)和放電回路可對本段母線的蓄電池進(jìn)行核對性充放電。
1．2 蓄電池的選用
    變電站的蓄電池常選用閥控蓄電池和固定防酸蓄電池。目前變電站的閥控蓄電池主要采用2V和12V兩種。各有其優(yōu)缺點(diǎn)。2V蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是電池設(shè)計(jì)壽命長并且可靠性高，損壞1～2節(jié)可將其短接，不會(huì)對系統(tǒng)電壓有大的影響，缺點(diǎn)是造價(jià)較高、維護(hù)量大、占地面積大。12V蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是每組僅18塊(220V系統(tǒng))，維護(hù)、更換都比較方便，造價(jià)比相同容量的2V電池低、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)壽命少于2V電池，損壞1～2節(jié)對系統(tǒng)電壓影響較大，不能短接，一般需更換。權(quán)衡利弊后11OkV變電站宜采用2組12V、100AH的蓄電池；330kV及以上變電站宜采用2組2V、大于等于300AH的蓄電池。
    固定式防酸蓄電池可靠性和魯棒性優(yōu)于閥控蓄電池，但占地面積大，需進(jìn)行加水、測密度、調(diào)酸等日常維護(hù)工作，且易產(chǎn)生酸霧，對蓄電池室有特定的要求，對環(huán)境污染較大。對于特別重要、可靠性要求特別高的變電站建議采用固定式防酸蓄電池。
1．3 放電回路
    蓄電池的核對性充放電，對蓄電池的壽命和整個(gè)直流系統(tǒng)的安全至關(guān)重要，是以后運(yùn)行過程中的一項(xiàng)長期、經(jīng)常性的工作。為日后的運(yùn)行維護(hù)方便，應(yīng)設(shè)計(jì)蓄電池放電回路、并帶有放電模塊，運(yùn)行中可將單臺(tái)充電機(jī)、單組蓄電池撤出運(yùn)行進(jìn)行核對性充放電。并要求具有智能放電功能，可根據(jù)放電電流、單瓶截止電壓、整組截止電壓、放電時(shí)間等參數(shù)設(shè)置放電方式。
1．4 饋線方式
    變電站直流網(wǎng)絡(luò)的饋線應(yīng)采用何種形式更為合理。DL／T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》4．6．1條規(guī)定“直流網(wǎng)絡(luò)宜采用輻射供電方式”。而《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》13．3．1．1規(guī)定“新、擴(kuò)建或改造的變電所(站)直流系統(tǒng)的饋出網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用輻射狀供電方式，不應(yīng)采用環(huán)狀供電方式。在用設(shè)備如采用環(huán)狀供電方式的，應(yīng)盡快改造成輻射狀供電方式?！?br />    相比而言設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定比較合理，反措的規(guī)定有些片面。330kV及以上變電站一般設(shè)有保護(hù)小室，采用輻射狀供電時(shí)的電纜敷設(shè)距離短(電纜僅需從饋線屏輻射到各保護(hù)小室的分電屏，從分電屏輻射到各保護(hù)裝置)，且蓄電池的容量大，易滿足饋線網(wǎng)絡(luò)的多級級差配合。因此在330kV及以上變電站采用輻射狀供電方式較合理。11OkV變電站有多條1OkV出線，且目前的保護(hù)設(shè)計(jì)多為就地設(shè)計(jì)，直流如采用輻射供電方式，電纜用量多，造價(jià)高。反措中要求輻射供電是為了提高可靠性，在輻射供電方式下如果一條1OkV出線保護(hù)的電源開關(guān)越級跳閘，不會(huì)使上一級保護(hù)由于失去電源而不能動(dòng)作，造成事故擴(kuò)大。其實(shí)只要對主變和母聯(lián)間隔的1OkV開關(guān)操作、保護(hù)電源單獨(dú)從直流饋線，其他1OkV出線仍采用傳統(tǒng)的環(huán)網(wǎng)供電就可很好地平衡可靠性和造價(jià)。
1．5 其它
    每個(gè)充電機(jī)有兩路交流輸入，當(dāng)運(yùn)行的交流輸入失去時(shí)能自動(dòng)切換到備用交流輸入供電。交流輸入應(yīng)設(shè)有防雷保護(hù)環(huán)節(jié)。
    在動(dòng)力母線(或蓄電池輸出)與控制母線間設(shè)有母線調(diào)壓裝置的系統(tǒng)，必須采用防止母線調(diào)壓裝置開路造成控制母線失壓的雙通道設(shè)計(jì)(如采用備用硅鏈等措施)。

2 直流系統(tǒng)的驗(yàn)收
2．1 驗(yàn)收的總體原則
    直流系統(tǒng)不僅包含直流屏，還包含其饋出線網(wǎng)絡(luò)，對其驗(yàn)收應(yīng)本著先部分、后整體，先元件后系統(tǒng)的原則進(jìn)行。例如可先對蓄電池、充電機(jī)、絕緣監(jiān)察(測)、饋線屏等主要部件的性能進(jìn)行驗(yàn)收，再對整個(gè)直流系統(tǒng)進(jìn)行整體驗(yàn)收。
2．2 蓄電池的驗(yàn)收
    應(yīng)由運(yùn)行單位對蓄電池進(jìn)行核對性充放電試驗(yàn)、進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻(電導(dǎo))的測試，檢驗(yàn)其容量是否滿足要求、記錄其內(nèi)阻(電導(dǎo))的原始值，并應(yīng)與廠家提供的放電曲線、內(nèi)阻(電導(dǎo))值相吻合。應(yīng)測量蓄電池連接條的內(nèi)阻(電導(dǎo))，保證蓄電池連接良好。
    蓄電池核對性充放電的目的是用放電來定量地檢測蓄電池容量，是檢驗(yàn)蓄電池質(zhì)量的重要試驗(yàn)手段。施工單位一般無專業(yè)儀器，往往利用電阻進(jìn)行放電，難以保持放電電流的穩(wěn)定，對截止電壓的控制采用人工控制，放電容量不夠準(zhǔn)確。在實(shí)際工作中，由于人員業(yè)務(wù)技術(shù)素質(zhì)等原因的影響，往往不能夠做好這項(xiàng)工作，甚至對蓄電池組造成損害，縮短其使用壽命。因此，為加強(qiáng)對蓄電池組核對性充放電的管理，應(yīng)由運(yùn)行單位的專業(yè)班組進(jìn)行此項(xiàng)重要試驗(yàn)，確保試驗(yàn)的可靠性。
    蓄電池的內(nèi)阻是反映運(yùn)行中蓄電池健康狀態(tài)(SOH)的一項(xiàng)重要的參數(shù)。但不同儀器測試的結(jié)果偏差較大，且同一蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行縱向比較才與SOH有較高的相關(guān)性。因此，驗(yàn)收中運(yùn)行單位應(yīng)該用自己內(nèi)阻測試儀記錄蓄電池內(nèi)阻的原始值并作為參考數(shù)值，運(yùn)行中定期測量蓄電池的內(nèi)阻并與參考值相比較。
2．3 充電機(jī)的驗(yàn)收
    充電機(jī)主要進(jìn)行穩(wěn)壓、穩(wěn)流、充電程序轉(zhuǎn)換的驗(yàn)收，如果有條件還應(yīng)進(jìn)行紋波系數(shù)的驗(yàn)收。對采用高頻開關(guān)電源的充電機(jī)應(yīng)驗(yàn)收其模塊間的均流特性。
2．4 饋線屏和饋出線網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)收
    饋線屏和饋出線網(wǎng)絡(luò)宜結(jié)合起來進(jìn)行驗(yàn)收。一是驗(yàn)收直流饋出線網(wǎng)絡(luò)中，尤其是開關(guān)柜、保護(hù)屏是否采用了交流空開；二是驗(yàn)收直流饋出線網(wǎng)絡(luò)是否滿足級差配合；三是驗(yàn)收饋出線網(wǎng)絡(luò)的接線是否和圖紙相符，并逐路進(jìn)行接地試驗(yàn)，驗(yàn)證是否能正確選線。
2．5 其他項(xiàng)目和整體試驗(yàn)
    包括進(jìn)線交流電源的自動(dòng)切換、交流失壓報(bào)警、直流系統(tǒng)電壓異常等試驗(yàn)項(xiàng)目以及直流系統(tǒng)的各種遙信、遙測信號(hào)與變電站后臺(tái)進(jìn)行對點(diǎn)。

3 直流系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)
3．1 運(yùn)行中閥控蓄電池的核對性充放電周期的確定
    目前直流系統(tǒng)中的蓄電池多采用閥控蓄電池。閥控蓄電池運(yùn)行中易出現(xiàn)問題，過充、過放、滲液、環(huán)境溫度過高、浮充電壓過高等均會(huì)影響蓄電池的健康。因此，蓄電池是直流系統(tǒng)中的關(guān)鍵和薄弱環(huán)節(jié)，運(yùn)行中對其健康狀態(tài)要加強(qiáng)監(jiān)控。核對性充放電能最直接地反映蓄電池的腱康狀態(tài)，需要定期進(jìn)行。
    對于閥控蓄電池核對性充放電的周期，不同規(guī)程的規(guī)定也不完全相同。IEEE標(biāo)準(zhǔn)1188—2005(IEEE推薦的對固定使用的閥控蓄電池的維護(hù)、試驗(yàn)和更換標(biāo)準(zhǔn))規(guī)定“閥控蓄電池的核對性充放電周期不大于2年，當(dāng)達(dá)到85％的設(shè)計(jì)壽命或容量小于90％后每年進(jìn)行一次容量測試”。DL／T724—2000(電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程)和國家電網(wǎng)公司《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》規(guī)定“新電池安裝后每2～3年進(jìn)行一次核對性試驗(yàn)，運(yùn)行6年以后的，應(yīng)每年進(jìn)行一次”。從筆者對3 000余只閥控蓄電池近8年運(yùn)行數(shù)據(jù)來看，4年以后容量不滿足要求比率較高，發(fā)生故障的蓄電池中運(yùn)行4年以上的占80．3％。因此，建議4年內(nèi)每2年進(jìn)行一次核對性充放電，4年后每年進(jìn)行一次核對性充放電；容量小于90％且大于等于80％的蓄電池組應(yīng)每年進(jìn)行一次核對性充放電；容量小于80％的蓄電池組應(yīng)盡快更換，在更換前應(yīng)將核對性充放電周期縮短為3個(gè)月至半年。同時(shí)結(jié)合平時(shí)內(nèi)阻測試及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池的隱患。
3．2 對蓄電池的均衡充電
    頻繁進(jìn)行均衡充電都對蓄電池組不利，具體應(yīng)遵守制造廠的規(guī)定，還需要結(jié)合蓄電池組的運(yùn)行狀況，對其當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行評估后，確定是否應(yīng)進(jìn)行均衡充電。不建議將直流系統(tǒng)的均衡充電設(shè)置為三個(gè)月自動(dòng)進(jìn)行。
    對個(gè)別落后的蓄電池，應(yīng)對單電瓶進(jìn)行均衡充電處理，使其恢復(fù)容量，若處理無效，應(yīng)更換。不宜采用對整組蓄電池進(jìn)行均衡充電的方法處理個(gè)別落后蓄電池，防止多數(shù)正常電池被過度充電。
3．3 運(yùn)行中蓄電池的不一致性
    蓄電池的不一致性是指同一規(guī)格型號(hào)的單體蓄電池組成電池組后，其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內(nèi)阻及其隨時(shí)間變化率、壽命、溫度影響、自放電率及其隨時(shí)間變化率等參數(shù)存在一定的差別，其對外表現(xiàn)為串聯(lián)使用時(shí)的單瓶浮充電壓的差別。蓄電池即使成組前經(jīng)過篩選電池的一致性較好，經(jīng)過一段時(shí)間的使用后也會(huì)出現(xiàn)差異，其不一致性隨著其單瓶浮充電壓的差別增加而逐漸加重，呈現(xiàn)惡性循環(huán)，從而造成整組蓄電池壽命的下降。造成蓄電池不一致的原因主要由電池及電池組設(shè)計(jì)引起的差異、初期性能的差異、使用過程中出現(xiàn)的差異等。
    傳統(tǒng)的改善蓄電池一致性的方法是整組均衡充電，這種均衡的代價(jià)是對電壓高的蓄電池造成損害，尤其是閥控蓄電池因其貧液結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生失水、熱失控等現(xiàn)象。對均衡充電的改進(jìn)的方法是進(jìn)行單瓶的均衡充電維護(hù)，有一定的效果，但缺點(diǎn)是需要將蓄電池退出系統(tǒng)，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法根本解決問題。目前解決運(yùn)行中蓄電池不一致較先進(jìn)的方法是蓄電池的主動(dòng)均衡技術(shù)，其原理是在蓄電池組加裝均衡器，通過外回路來強(qiáng)制將單瓶的充電電壓差控制一定范圍內(nèi)，對2V的蓄電池一般控制在10mV內(nèi)。
3．4 直流系統(tǒng)的定期檢測
    每年應(yīng)對直流系統(tǒng)進(jìn)行定期檢測，可結(jié)合變電站的春查和秋查進(jìn)行，主要項(xiàng)目包括蓄電池、充電裝置、監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)察裝置等的檢測，具體檢測內(nèi)容和方法可參考國網(wǎng)公司《直流電源系統(tǒng)管理規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)論
    直流系統(tǒng)是變電站的一個(gè)重要組成部分，對變電站的正常運(yùn)行起著重要的作用，它的設(shè)計(jì)方案是否合理、驗(yàn)收是否能夠嚴(yán)格把關(guān)、日常維護(hù)是否到位直接影響著變電站的可靠性。在變電站直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)中要認(rèn)真對待、抓住其關(guān)鍵點(diǎn)，這樣才能確保變電站的安全運(yùn)行。