直流系统设计、验收、运行中的几个问题分析

变电站直流系统是变电站非常重要的一种二次设备。它的主要任务就是给继电保护、开关的分、合闸及控制提供直流操作电源，它的正常运行与否，关系到继电保护及开关能否正确切除故障，芸影响全站乃至上级殳电站的正常运行。近年来，随着高频开关电源、阀控蓄电池等设备的大量使用以及蓄电池内阻测试、单瓶活化蓄电池组主动均衡等技术的推广应用，对直流系统的系统结构和运行维护带来深入的影响。下面就目前直流系统的设计、验收、运行维护中的关键问题进行分析探讨。

1 直流系统设计
1．1 系统接线
    避免采用了两台充电机，一组阀控蓄电池的接线方式。某些变电站的典型设计中的直流系统采用了两台充电机，一组阀控蓄电池的接线方式。这种设计不太合理。两台充电机，一组蓄电池的设计是沿袭原来采用相控充电机、固定防酸蓄电池时的设计思想。殊不知设备情况已发生了变化。原来的相控充电机可靠性不高，因此一般采用两台充电机；而固定防酸蓄电池造价高、寿命长、可靠性高，所以一般采用一组蓄电池。目前采用的高频开关电源的充电机为N+1备份，且各模块可脱离监控单元独立进行工作，充电机的可靠性已大大提高。而阀控蓄电池虽使用安全、日常维护量小但其可靠性和寿命明显不如固定防酸蓄电池。MCHAELR．M00RE通过对超过7万5千只阀控蓄电池近1O年的研究表明，阀控蓄电池的实际使用寿命为4～8年，远低于其1O～20年的设计使用寿命。因此合理的设计应重点加强蓄电池的可靠性。应采用双套充电机、双组蓄电池而非双套充电机、单组蓄电池。为不提高投资，蓄电池的容量可选用原蓄电池容量的一半。这样本质上为两套直流系统，两组蓄电池电、两台充电机、两面馈线屏，正常运行为分裂运行，充电机或蓄电池检修时并列运行。系统方式灵活，每段母线上的充电机和蓄电池可同时撤出系统，当撤出系统后充电机和放电回路可对本段母线的蓄电池进行核对性充放电。
1．2 蓄电池的选用
    变电站的蓄电池常选用阀控蓄电池和固定防酸蓄电池。目前变电站的阀控蓄电池主要采用2V和12V两种。各有其优缺点。2V蓄电池的优点是电池设计寿命长并且可靠性高，损坏1～2节可将其短接，不会对系统电压有大的影响，缺点是造价较高、维护量大、占地面积大。12V蓄电池的优点是每组仅18块(220V系统)，维护、更换都比较方便，造价比相同容量的2V电池低、结构紧凑、占地面积小，缺点是设计寿命少于2V电池，损坏1～2节对系统电压影响较大，不能短接，一般需更换。权衡利弊后11OkV变电站宜采用2组12V、100AH的蓄电池；330kV及以上变电站宜采用2组2V、大于等于300AH的蓄电池。
    固定式防酸蓄电池可靠性和鲁棒性优于阀控蓄电池，但占地面积大，需进行加水、测密度、调酸等日常维护工作，且易产生酸雾，对蓄电池室有特定的要求，对环境污染较大。对于特别重要、可靠性要求特别高的变电站建议采用固定式防酸蓄电池。
1．3 放电回路
    蓄电池的核对性充放电，对蓄电池的寿命和整个直流系统的安全至关重要，是以后运行过程中的一项长期、经常性的工作。为日后的运行维护方便，应设计蓄电池放电回路、并带有放电模块，运行中可将单台充电机、单组蓄电池撤出运行进行核对性充放电。并要求具有智能放电功能，可根据放电电流、单瓶截止电压、整组截止电压、放电时间等参数设置放电方式。
1．4 馈线方式
    变电站直流网络的馈线应采用何种形式更为合理。DL／T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规定》4．6．1条规定“直流网络宜采用辐射供电方式”。而《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》13．3．1．1规定“新、扩建或改造的变电所(站)直流系统的馈出网络应采用辐射状供电方式，不应采用环状供电方式。在用设备如采用环状供电方式的，应尽快改造成辐射状供电方式。”
    相比而言设计规范的规定比较合理，反措的规定有些片面。330kV及以上变电站一般设有保护小室，采用辐射状供电时的电缆敷设距离短(电缆仅需从馈线屏辐射到各保护小室的分电屏，从分电屏辐射到各保护装置)，且蓄电池的容量大，易满足馈线网络的多级级差配合。因此在330kV及以上变电站采用辐射状供电方式较合理。11OkV变电站有多条1OkV出线，且目前的保护设计多为就地设计，直流如采用辐射供电方式，电缆用量多，造价高。反措中要求辐射供电是为了提高可靠性，在辐射供电方式下如果一条1OkV出线保护的电源开关越级跳闸，不会使上一级保护由于失去电源而不能动作，造成事故扩大。其实只要对主变和母联间隔的1OkV开关操作、保护电源单独从直流馈线，其他1OkV出线仍采用传统的环网供电就可很好地平衡可靠性和造价。
1．5 其它
    每个充电机有两路交流输入，当运行的交流输入失去时能自动切换到备用交流输入供电。交流输入应设有防雷保护环节。
    在动力母线(或蓄电池输出)与控制母线间设有母线调压装置的系统，必须采用防止母线调压装置开路造成控制母线失压的双通道设计(如采用备用硅链等措施)。

2 直流系统的验收
2．1 验收的总体原则
    直流系统不仅包含直流屏，还包含其馈出线网络，对其验收应本着先部分、后整体，先元件后系统的原则进行。例如可先对蓄电池、充电机、绝缘监察(测)、馈线屏等主要部件的性能进行验收，再对整个直流系统进行整体验收。
2．2 蓄电池的验收
    应由运行单位对蓄电池进行核对性充放电试验、进行蓄电池内阻(电导)的测试，检验其容量是否满足要求、记录其内阻(电导)的原始值，并应与厂家提供的放电曲线、内阻(电导)值相吻合。应测量蓄电池连接条的内阻(电导)，保证蓄电池连接良好。
    蓄电池核对性充放电的目的是用放电来定量地检测蓄电池容量，是检验蓄电池质量的重要试验手段。施工单位一般无专业仪器，往往利用电阻进行放电，难以保持放电电流的稳定，对截止电压的控制采用人工控制，放电容量不够准确。在实际工作中，由于人员业务技术素质等原因的影响，往往不能够做好这项工作，甚至对蓄电池组造成损害，缩短其使用寿命。因此，为加强对蓄电池组核对性充放电的管理，应由运行单位的专业班组进行此项重要试验，确保试验的可靠性。
    蓄电池的内阻是反映运行中蓄电池健康状态(SOH)的一项重要的参数。但不同仪器测试的结果偏差较大，且同一蓄电池内阻进行纵向比较才与SOH有较高的相关性。因此，验收中运行单位应该用自己内阻测试仪记录蓄电池内阻的原始值并作为参考数值，运行中定期测量蓄电池的内阻并与参考值相比较。
2．3 充电机的验收
    充电机主要进行稳压、稳流、充电程序转换的验收，如果有条件还应进行纹波系数的验收。对采用高频开关电源的充电机应验收其模块间的均流特性。
2．4 馈线屏和馈出线网络的验收
    馈线屏和馈出线网络宜结合起来进行验收。一是验收直流馈出线网络中，尤其是开关柜、保护屏是否采用了交流空开；二是验收直流馈出线网络是否满足级差配合；三是验收馈出线网络的接线是否和图纸相符，并逐路进行接地试验，验证是否能正确选线。
2．5 其他项目和整体试验
    包括进线交流电源的自动切换、交流失压报警、直流系统电压异常等试验项目以及直流系统的各种遥信、遥测信号与变电站后台进行对点。

3 直流系统运行维护
3．1 运行中阀控蓄电池的核对性充放电周期的确定
    目前直流系统中的蓄电池多采用阀控蓄电池。阀控蓄电池运行中易出现问题，过充、过放、渗液、环境温度过高、浮充电压过高等均会影响蓄电池的健康。因此，蓄电池是直流系统中的关键和薄弱环节，运行中对其健康状态要加强监控。核对性充放电能最直接地反映蓄电池的腱康状态，需要定期进行。
    对于阀控蓄电池核对性充放电的周期，不同规程的规定也不完全相同。IEEE标准1188—2005(IEEE推荐的对固定使用的阀控蓄电池的维护、试验和更换标准)规定“阀控蓄电池的核对性充放电周期不大于2年，当达到85％的设计寿命或容量小于90％后每年进行一次容量测试”。DL／T724—2000(电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程)和国家电网公司《直流电源系统管理规范》规定“新电池安装后每2～3年进行一次核对性试验，运行6年以后的，应每年进行一次”。从笔者对3 000余只阀控蓄电池近8年运行数据来看，4年以后容量不满足要求比率较高，发生故障的蓄电池中运行4年以上的占80．3％。因此，建议4年内每2年进行一次核对性充放电，4年后每年进行一次核对性充放电；容量小于90％且大于等于80％的蓄电池组应每年进行一次核对性充放电；容量小于80％的蓄电池组应尽快更换，在更换前应将核对性充放电周期缩短为3个月至半年。同时结合平时内阻测试及时发现蓄电池的隐患。
3．2 对蓄电池的均衡充电
    频繁进行均衡充电都对蓄电池组不利，具体应遵守制造厂的规定，还需要结合蓄电池组的运行状况，对其当前状态进行评估后，确定是否应进行均衡充电。不建议将直流系统的均衡充电设置为三个月自动进行。
    对个别落后的蓄电池，应对单电瓶进行均衡充电处理，使其恢复容量，若处理无效，应更换。不宜采用对整组蓄电池进行均衡充电的方法处理个别落后蓄电池，防止多数正常电池被过度充电。
3．3 运行中蓄电池的不一致性
    蓄电池的不一致性是指同一规格型号的单体蓄电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其随时间变化率、寿命、温度影响、自放电率及其随时间变化率等参数存在一定的差别，其对外表现为串联使用时的单瓶浮充电压的差别。蓄电池即使成组前经过筛选电池的一致性较好，经过一段时间的使用后也会出现差异，其不一致性随着其单瓶浮充电压的差别增加而逐渐加重，呈现恶性循环，从而造成整组蓄电池寿命的下降。造成蓄电池不一致的原因主要由电池及电池组设计引起的差异、初期性能的差异、使用过程中出现的差异等。
    传统的改善蓄电池一致性的方法是整组均衡充电，这种均衡的代价是对电压高的蓄电池造成损害，尤其是阀控蓄电池因其贫液结构，易产生失水、热失控等现象。对均衡充电的改进的方法是进行单瓶的均衡充电维护，有一定的效果，但缺点是需要将蓄电池退出系统，操作费时费力且无法根本解决问题。目前解决运行中蓄电池不一致较先进的方法是蓄电池的主动均衡技术，其原理是在蓄电池组加装均衡器，通过外回路来强制将单瓶的充电电压差控制一定范围内，对2V的蓄电池一般控制在10mV内。
3．4 直流系统的定期检测
    每年应对直流系统进行定期检测，可结合变电站的春查和秋查进行，主要项目包括蓄电池、充电装置、监控装置、绝缘监察装置等的检测，具体检测内容和方法可参考国网公司《直流电源系统管理规范》中的相关规定。

4 结论
    直流系统是变电站的一个重要组成部分，对变电站的正常运行起着重要的作用，它的设计方案是否合理、验收是否能够严格把关、日常维护是否到位直接影响着变电站的可靠性。在变电站直流系统的设计、验收、运行维护的各个环节中要认真对待、抓住其关键点，这样才能确保变电站的安全运行。