智能高频开关电源系统在变电站直流系统改造中的应用

智能高频开关电源系统在变电站直流系统改造中的应用  

摘要：分析了建站较早的变电站直流系统改造的必要性和改造后所取得的效果，介绍了智能高频开关电源系统的性能特点及其各部分的作用和在改造过程中的改进情况。

关键词：变电站；直流系统；改造；开关电源

1  直流系统改造的目的和必要性

    变电站内的继电保护、自动装置、信号装置、事故照明和电气设备的远距离操作，一般采取直流电源，所以直流电源的输出质量及可靠性直接关系到变电站的安全运行和平稳供电。变电站的直流系统被人们称为变电站的“心脏”，可见它在变电站中是多么的重要。中原油田的电力系统始建于上世纪70年代末，因受当时技术条件的限制，陆续建起的变电站直流系统设备有的为硅整流电容补偿直流电源，有的为带有铅酸蓄电池的KGCA—50/98～360、KGCFA—75/200～360型硅整流直流电源，有的为BZGN—20/220型镉镍电池直流屏。部分投运较早、运行时间较长的变电站直流设备老化严重，给变电站的安全、可靠运行带来了严重的威胁。如某110kV变电站就曾因直流系统故障，造成越级跳闸，导致全站失电的恶性事故。其它各站虽未发生大的事故，总因直流系统经常发生问题，缺陷较多，有的缺陷无法处理，致使直流系统长期处于“带病”运行状态，导致给用户无法正常供电。

    随着电力工业的迅速发展，为提高电网的供电质量，使电网安全、经济运行，并实现电力系统的自动化，从而对电力控制系统的关键设备—控制电源的要求也越来越高。而原来的直流设备均采取传统的相控电源，效率低、纹波系数大，在电磁辐射、热辐射、噪声等方面都不尽人意。另外，监控系统不完善，采取1＋1备份方式，对二次电路越来越先进的仪器仪表、控制、自动化设备很难满足其技术要求。此外由于相控电源浮充电压易波动，会出现蓄电池脉动充放电现象，对免维护蓄电池损害极大，影响电池寿命。加之其它设备改造和新设备的投入，原来的相控电源已远远不能满足中原油田电力系统的需要，急需进行改造更换，才能保证电气设备的安全运行和平稳供电。而智能高频开关电源由于其体积小，重量轻，技术指标优越，模块化设计，N＋1热备份方式，便于“四遥”等优点，已在诸多领域得到广泛应用。上世纪90年代以后，国外先进工业国家新建或改造电厂和变电站已全部采用高频开关电源，其蓄电池亦全部采用免维护蓄电池。为了实现中原油田电网设备达到同行业先进水平的目标，根据电网实际情况，直流系统设备改造采用目前先进的智能高频开关电源系统。

2  智能高频开关电源系统的性能特点

    为了保证智能高频开关电源系统的质量，我们组织了多名技术人员对多个生产厂家进行了考察，了解厂家的生产工艺、规模和实验测试手段等情况，经过“货比三家”后，技术改造决定使用GZDW—200/220型操作电源。它是专为电力系统研制开发的新型“四遥”高频开关电源，采取高频软开关技术，模块化设计，输出标称电压为220V，配有标准RS-232接口，易于与自动化系统对接，适用于各类变电站、发电厂和水电站使用。此设备有下列性能特点：

    1）模块化设计，N＋1热备，可平滑扩容。

    2）监控功能完善，高智能化，采取大屏幕液晶汉字显示，声光告警。

    3）监控系统配有标准RS-232接口，方便接入自动化系统，实施“四遥”及无人值守。

    4）对蓄电池自动管理及自动维护保养，实时监测蓄电池组的端电压，充、放电电流，自动控制均、浮充以及定期维护性均充。

    5）具有电池温度补偿功能。

    6）模块可带电插拔，更换安全方便。

    7）降压方式采取新型高频软开关无级双向调压，摒弃传统硅堆降压方式，输出电压精度高，动态响应速度快。

    8）采用最新软开关电源技术，采用进口器件。

3  智能高频开关电源系统的组成及各部分作用

    智能高频开关电源系统由交流配电，绝缘检测，监控模块、整流模块、调压模块，直流馈电等组成。系统工作原理框图如图1所示。

图1智能高频开关电源系统工作原理框图

    交流配电    为系统提供三相交流电源，监测三相电压、电流及接触器状态；判断交流输入是否满足系统要求，在交流输入出现过压、欠压、不平衡时自动切断有故障的一路，并切换到另一路供电，系统发出声光告警。装有每相通流量40kA、响应速度为25μs的三相避雷器，能有效地防止雷击对设备造成的损坏。

    绝缘监测    采用进口非接触式直流微电流传感器，利用正负母线对地的接地电阻产生的漏电流，来测量母线对地的接地电阻大小，从而判断母线的接地故障。这一技术无须在母线上叠加任何信号，对直流母线供电不会有任何不良影响，彻底根除由直流母线对地电容所引起的误判和漏判，对于微机接地监测技术是一重要突破。

    监控模块    是整个直流系统的控制、管理核心，其主要任务是对系统中各功能单元和蓄电池进行长期自动监测，获取系统中的各种运行参数和状态，根据测量数据及运行状态实时进行处理，并以此为依据对系统进行控制，实现电源系统的全自动精确管理，从而提高电源系统的可靠性，保证其工作的连续性、安全性和可靠性。具有“遥测、遥信、遥控、遥调”四遥功能，配有标准RS?232接口，方便纳入电站自动化系统。

    整流模块    为合闸母线、控制母线提供正常的负荷电流，本身具有LCD汉字显示、操作键盘，模块工作状态和工作参数一目了然，可以带电插拔，具有软件较准，自主均流、ZVS软开关技术。

    调压模块    无论合闸母线电压如何变化，输出电压都被稳定控制在220（1±0.5％）V，具有带电拔插技术、软开关技术和双向调压特性。

    直流馈电    设有控制输出、合闸输出、电池输入、闪光、事故照明、48V电源输出等。控制母线有三种途径供电，确保控制母线供电安全可靠。配有智能直流监控单元，可测量母线电压、电流及开关状态等。

    电池巡检仪    对电池电压进行实时监测，将信息及时反馈到监控模块。

    蓄电池    全密闭、免维护、无污染、无腐蚀，任何方向可放置使用，使用温度范围宽（－40℃～60℃）；深放电至零伏，24h内充电可恢复；可大电流放电，起动电流大，自放电率极低，具有安全防爆排气系统，是理想的操作、控制不间断电源。

4  直流系统设备改造中改进的问题

    1）改进了新设备直流馈出线部分的不合理布置。为节省投资，我们利用原来直流系统的控制、信号及合闸电路的出线，但与新设备馈出线的位置及大小都不相适应，为此，我们对新设备直流馈出线部分按现场实际情况进行了改造，使安装更加容易，布线更为合理，运行更加可靠。

    2）添加了蓄电池的放电电路。

    3）结合中原油田电网实际，对设备出厂时参数设置的不适应之处进行了改变，保证设备运行后更加可靠。

    4）对闪光继电器等电气元件安装位置进行了调整。原元件安装位置不尽合理，损坏后不便维护、更换，改造后的位置便于维护，省时省力。

    5）对模块监控单元、直流监控单元、交流监控单元进行了改进，增加了防护盖以防短路、灰尘进入等。

5  智能高频开关电源系统应用情况

    改造后的直流系统设备经过两年来的运行，技术指标合理，各项参数显示正确，操作方便、直观，自动化程度高，维护工作量大幅度减少，设备保护功能齐全，能可靠动作。反映故障及时且准确无误，对电池能自动管理无须专人维护，设备运行稳定可靠，从未发生影响正常供电的现象。

    改造后的直流系统与原来的直流系统相比较，性能稳定，精度高，安全、可靠，保证了油田的油气生产，居民生活及医院、道路等的用电，降低了噪音，改善了值班人员的工作环境，确保了变电设备安全可靠运行，产生了明显的经济效益和社会效益，主要体现在以下几个方面：

    1）原来的相控电源纹波系数大，其输出含有的交流成份较大。尤其是赵村变电所最为明显，交流成份含量更高，对二次设备影响最大，造成二次设备误动、损坏、甚至有的设备无法正常工作。而改造后的智能高频开关电源纹波系数很小，输出特别稳定。

    2）原来的相控电源采用硅堆调压，硅降压响应速度慢，反应时间为几十毫秒，输入电压突变时在输出上会产生很大的冲击，因冲击不稳定而易烧坏二次设备。而改造后的高频开关电源采用无级调压方式，响应速度快，输入电压突变时，模块在200μs内调整完成，过冲小于5％。

    3）原来的相控电源充电机、浮充机等噪音较大，且无降温措施，有的变电站浮充机发热严重。而改造后的智能高频开关电源噪音小，模块采用优质风机降温，保证了模块元器件正常工作，使值班人员的工作环境大大改善。

    4）原来用的是铅酸电池或镉镍电池，既需要专门设置蓄电池工进行维护、保养，还需要配备维护电池用的有关容器、仪表、原料、蒸馏锅、蒸馏水等。而改造后用的是美国“理士”免维护电池，平时不需要进行一系列的维护工作，减少了人力物力。

    5）原来的相控电源功率因数低，一般在0.7以下，效率在60％左右，而改造后的智能高频开关电源功率因数达0.9以上，效率高达94％以上。

    6）原来的相控电源经常出现故障，有时因无法操作送电而造成原油生产损失，如1997年9月23日某110kV变电所因直流系统故障造成越级跳闸，全站失电，烧毁35kV线路3公里，其经济损失高达400多万元；近几年直流系统经常出现各种故障给油气生产造成了很大的损失，同时也给居民用户生活带来不便、给工业用户带来巨大的经济损失。而改造成智能高频开关电源后，直流系统至今未发生任何事故，供电更加可靠。

    7）改造后的智能高频开关电源具有48V电源出口，为变电站的通讯网络等提供了电源，不必另外购置专门的48V电源，减少了设备的投资和占用空间。

    8）改造后的控制母线有下述三种途径供电，确保了控制母线供电安全可靠，做到了万无一失。

    ——在交流电正常时，控制母线可由整流模块直接供电；

    ——在交流失电时，由降压模块供电；

    ——从电池90％电压处通过二极管供电到控制母线。

6  结语

    由于改造后的智能高频开关电源系统性能稳定，精度高，安全、可靠性更强，创新点多，收到了良好的效果，取得了明显的社会和经济效益，为中原油田的油气生产及其它负荷提供了可靠的电力保障。同时也为变电站实现自动化奠定了基础。