变电站智能高频开关电源系统的维护

变电站智能高频开关电源系统的维护
本文讲述了变电站直流操作电源的种类、特点，说明了使用智能高频开关电源的基本要求，提出了变电站
智能高频开关电源系统日常维护的注意事项。

1 概述
供给变电站二次电路的电源称为操作电源。

操作电源主要向控制、保护、信号、自动装置电路供电，同时还作为事故照明电源。

传统的操作电源有交流操作电源、硅整流型直流操作电源、蓄电池直流操作电源。

交流操作电源因执行交流操作的继电器，以及断路器交流合闸的操动机构可靠性低于直流电源，一般仅用于小型配电房。

硅整流型直流操作电源因不能解决事故照明和事故紧急处理的问题，只能在不重要的小型变电站中应用。

蓄电池直流操作电源的可靠性高，在电力系统中被广泛应用，但其充电设备存在效率不高、功率因素低、纹波大，以及电池保持容量低、寿命短等问题。

目前我国许多变电站所使用的直流电源设备，由于受变压器或晶闸管自身参数的限制，直流操作电源存在很多不足之处，例如：初充电流、浮充电流不稳，系统纹波电压过高，控制特性不佳，不便于同计算机系统配接实现监控等；充电设备与蓄电池并联运行，当浮充电电源纹波系数较大，浮充电压波动或偏低时，会出现蓄电池脉动充电、放电现象，造成蓄电池组或单体的过早损坏；还存在体积庞大，效率不高，1＋1冗余投资大等不足，应该说已远远不能满足飞速发展的电力工业的需要，逐步将被具有体积小、重量轻、效率高、纹波系数小、动态响应快、控制精度高、模块可叠加输出、N＋1冗余等特点的智能高频开关电源系统所替代。

后者将整流器、调压装置、馈出电路、保护告警电路及监控系统有机地结合在一起，通过计算机管理，有效地解决了以往直流操作电源的缺陷。

变电站配备的智能高频开关电源系统，包括开关整流设备、阀控式铅酸免维护蓄电池、直流馈电柜等，虽然设备不多，但它却独当一面，是保障电网供电稳定和连续性的重要设备。

这些设备维护得好坏，不仅关系到智能高频开关电源系统的可靠性和寿命，而且直接涉及到电网的平稳运行。

可见，维护和使用好智能高频开关电源系统是非常重要的。

2 基本要求及注意事项
为保证变电站直流电源系统的可靠性，有条件的应尽量从两个不同的地方引入交流输入电源，并且两路交流电源具有自动倒换的功能；要选用可靠性高的智能化、标准化高频开关整流设备，在实施过程中，要以可靠性、实用性为基本原则，宜简勿繁；采用模块化、热插拔式结构以便于更换；实施集中监控管理，并合理配置备份设备。

任何新技术、新设备未经充分验证和试运行，绝不得进入供电系统。

要不断提高维护技术水平，采用集中维护、远程遥信、遥测维护等手段；要经常分析运行参数，预测故障发生的时间和部位，作好事故预想，发现缺陷及时排除。

智能高频开关电源系统设备，其智能化程度高，电池采用免维护蓄电池，虽然给我们带来了许多便利，但在使用过程中要注意以下几个方面，以确保使用安全。

● 高频开关电源系统对环境温度要求不高，在－5～＋40℃都能正常工作，但要求室内清洁、少尘，否则，
灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。

蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，建议温度范围＋15～＋30℃。

若温度太低，会使蓄电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1％；蓄电池放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低，如果在高温下长期使用，温度每增高10℃，电池寿命约降低一半。

● 高频开关电源系统中设置的参数必须控制在规定指标内，在使用中不能随意改变。

● 直流电源系统在使用中要避免随意增加大功率的额外设备（负载），也不允许在满负载状态下长期运行。

因为，工作性质决定了直流操作电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载或在基本满载状态下工作，都会造成整流模块出故障，严重时将损坏变换器。

● 由于蓄电池组输出电流很大，存在电击危险，因此装卸、改接导电连接条（线）、输出线时应特别注意安全，使用的工具应采取绝缘措施，以保证人身和设备安全。

● 不论是在浮充工作状态还是在放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。

电压或电流过高可能会造成电池的热失控或失水，电压或电流过小会造成电池亏电，这都会影响电池的使用寿命，尤其是前者的影响更大。

● 在任何情况下都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。

放电深度越深循环寿命越短。

在容量试验或放电检修中，通常放电达到容量的30％～50％就可以了。

● 蓄电池应避免大电流充放电，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大并且温度升高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。

● 阀控式密封蓄电池是贫液式电池，无法进行电解液比重测量，所以如何判定它的好坏，目前最可靠的方法还是放电法，也可以用电导仪测电池的内阻来判定阀控式密封蓄电池的好坏，但准确性较差。

3 维护管理
当智能高频开关电源系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载部还是电源系统，是主机还是电池组。

虽说开关电源系统主机有故障自检功能，但它对面而不对点，更换配件很方便，但要维修故障点，仍须做大量的分析、检测工作。

如果自检部分发生故障，显示的故障内容也可能有误。

高频开关电源部分
高频开关电源在正常使用情况下，主机的维护工作量很少，主要是防尘和定期除尘。

特别是气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，灰尘将在机内（主要在整流模块内）沉积，当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常，并发生不准确告警，另外大量灰尘也会造成器件散热不好。

一般每季度应彻底清洁一次，同时在除尘时检查各连接件和插接件有无松动和接触不良的情况。

定期核实智能高频开关电源系统的参数有无变化，防止人为或无意中改变所设置的参数。

每半年应对智能高频开关电源系统的运行方式进行实验检查，以防止均充状态与浮充状态不能及时转换而造成对蓄电池的损坏。

检查主机设备是否正常，保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量；
对主机出现击穿、熔断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会造成更严重的故障。

免维护蓄电池部分
因整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。

蓄电池除有存储直流电能的功能外，其等效电容量的大小与蓄电池容量大小成正比。

因此，维护检修蓄电池的工作是非常重要的，虽说蓄电池组目前都采用了免维护电池，但这只是免除了以往的测比重、配制电解液、添加蒸馏水的工作。

因工作状态和不正常工作状态对全球领先的单片机和模拟半导体供应商——MicrochipTechnology（美国微芯科技公司）推出4款64及80引脚PIC闪存单片机。

新器件针对成本有限且需要额外输入/输出的应用设计，如工业、计算、通讯及消费类等应用领域。

这批质优价廉的闪存单片机具有8KB或16KB程序存储器及纳瓦(nanoWatt)技术，能充分发挥电源管理的强大功能。

嵌入式控制应用的设计人员对那些具有更多输入/输出且功耗较低的8位单片机产品的需求日益增长。

Microchip新款PIC18F单片机具有多达70引脚的输入/输出、8KB或16KB闪存程序存储器、768字节RAM以及纳瓦技术的低功耗模式，可全面满足上述设计需要。

除了提供高度灵活的输入/输出，全新PIC单片机还配备了具有多种编程功能的闪存。

它具备可再编程功能，从而通过更短的开发周期、低成本仿真，以及在现场进行功能代码的灵活变动，进一步加快产品上市的步伐。

PIC18Fxx10新增的输入/输出将使很多应用领域受益匪浅，包括建立安防系统、设备控制器、视频控制面板、家庭自动化系统及多个传感器数据采集的应用。

此外，新器件具有独特的纳瓦技术，可提供电源管理模式，是电池驱动或低功耗应用的理想解决方案。

新器件的其它主要特性包括：
● 外部时钟频率达40MHz(10MIPS)
● 内部振荡器频率范围由32kHz～32MHz(8MIPS)
● 时钟失效监视器
● 宽工作电压范围：～；工作温度范围由－40℃～125℃
● 在线串行编程技术(In－CircuitSerialProgrammingTM，ICSPTM)
● 10位模数转换器，有多达12条通道，采样率高达100k/s
● 两个模拟比较器，具有可编程欠压检测及可编程低电压检测功能
● SPITM、I2CTM及两个USART(支持RS485、RS232及LIN)
● 三个捕获/比较/PWM模块蓄电池造成的影响没有变，所以电源系统维护工作的重点还在蓄电池部分。

蓄电池工作在浮充状态，至少每年进行一次放电。

放电前应先对电池组进行均衡充电，以达到整组蓄电池性能的均衡。

放电过程中如有一只达到放电终止电压时，应停止放电，继续放电须先排除落后电池后再放。

核对性放电不是追求放出容量的多少，而是发现和处理落后电池，通过对落后电池的处理再作核对性放电实验，这样可防止事故和出现反极性蓄电池。

日常维护中也可在一组电池中选用8～10只蓄电池作为标示电池，对其进行定期测量并做好记录，作为了解整组蓄电池工作情况的参考依据。

蓄电池日常维护还需经常检查的项目有：清洁并检测端电压、温度；连接处有无松动腐蚀现象，检测连接条压降；外观是否完好，有无鼓肚变形和渗漏现象；极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；当发现电压反极性、压降大、压差大和酸雾泄漏的电池时，应及时处理，对不能恢复的蓄电池要及时更换；不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组蓄电池带来不利影响。

对寿命已到的电池组要及时更换，以免影响到电源系统和设备主机。

4 结语
再好的设备都有寿命期，也会出现各类故障，但维护工作做得好可以延长寿命并减少故障的发生，不要因为高智能、免维护而忽略了本应进行的维护工作，预防在任何时候都是安全运行的重要保障。

责任编辑：江琦
浅谈直流系统的运行与维护
孙成宝[1]、徐海明[2][1]乐山电业局；[2]大连理工大学
[摘要] 介绍GZDW型智能高频开关直流电源系统组成及工作原理和它的运行与维护；在运行与维护中常见故障的处理。

[关键词]
1 、引言
在变电站中，直流电源是核心，为断路器分合闸及二次回路中的仪表、继电保护和事故照明等提供直流电源，它的重要性就可想而知了，它就相当于是变电站整个二次系统的心脏，为二次系统的正常运行提供动力。

但是很多二次技术人员都只对变电站的保护回路及控制回路等比较重视而对为继电保护回路提供能量的直流系统的重要性就忽视了。

平时维护一般只是进行一些简单的蓄电池电压测试和绝缘监视等。

这就使直流系统往往运行在不可控的状态，这是相当危险的。

下面简单谈一下直流系统的组成及工作原理和它的运行与维护。

2 、典型GZDW直流系统的组成及工作原理
直流系统主要由充电模块、控制单元、直流馈电单元（合闸回路、控制回路、保护回路、信号回路、公用回路以及事故照明回路等）、降压单元、绝缘监测、蓄电池组等组成。

其中最主要的设备就是充电模块和蓄电池组。

近年来，随着电力技术的发展，高频开关模块型充电装置已逐步取代相控型充电装置，而阀控式密封铅酸蓄电池已逐步取代固定型铅酸蓄电池。

电力系统现在使用的高频开关电源整流系统比较老式直流系统的最大区别是模块化配置，比如GZDW型智能高频开关直流电源系统根据功能可划分为高频开关整流模块、监控模块、配电监控模块、调压硅链模块、绝缘监测模块、交流配电单元、蓄电池监测仪、蓄电池组、馈电单元几部分。

图1 系统原理框图
图1 系统原理框图
下面简单分析各个部分的工作原理和功能。

交流配电单元:直流系统一般都有两路交流电输入，正常时交流电输入切换开关置于“自动”位置， 1路工作，2路备用，交流电经交流输入空气开关、交流接触器、避雷器等送至各个充电模块。

高频开关充电模块：三相三线交流电380VAC经三相整流桥整流后变成脉动的直流，在滤波电容和电感组成的LC滤波电路的作用下，输出约520VDC（）左右的直流电压，再逆变为高频电压并整流为40KHZ的高频脉宽调制脉冲电压波，最后经过高频整流，滤波后变为220VDC的直流电压，经隔离二极管隔离后输出，一方面给蓄电池充电，另一方面给直流负载提供正常工作电流。

充电模块内部有监控板能监视、控制模块运行情况。

由于充电模块本身具有CPU，充电模块也可以脱离监控模块独立运行。

调压硅链模块：充电模块在蓄电池浮充时输出一般约为240VDC左右（~为单体的电池个数），在蓄电池均充时一般约为250VDC左右（~为单体的电池个数）送至合闸母线，蓄电池则经蓄电池总保险送至合闸母
线，正常时调压硅链的控制开关置于“自动”位置，经硅链自动降压后输出稳定的220VDC，送至控制母线，以上两部分共同组成直流输出系统。

当自动调压模块控制电路发生故障时，可以通过手动调整，使其输出在合理范围内。

调压硅链模块实际分五组，每组由10个硅二极管组成，每组可降=7V，五组总共可降5X7V=35V电压。

调压硅链模块设计余度较大，其输出电流可短时间超出额定值的2～3倍而不至于立刻烧毁硅链。

调压硅链模块要是断开，整个控制母线就无电压，也就是整个二次设备无直流电源。

现在有种接线方式是在控制母线也挂一个充电模块，设置为手动状态，输出电压调为220V，作为调压硅链模块坏时的备用。

配电监控模块：主要是对交流输入和直流输出的监控，可检测三相交流输入电压，蓄电池组端口电压，蓄电池充/放电电流，合闸母线电压，控制母线电压，负载总电流；并且实现空气开关跳闸，防雷器损坏，蓄电池组电压过高/过低，蓄电池组充电过流，蓄电池组熔丝断，合闸母线过/欠压，控制母线过/欠压，各输出支路断路等故障告警。

绝缘监测模块：用于监控直流系统电压及其绝缘情况，在直流系统出现绝缘强度降低（220V直流电压系统一般为低于25KW，110V直流电压系统一般为低于7KW）等异常情况下，发出声光告警，并能找出对应的支路号和对应的电阻值。

监控模块：用于对充电模块的监控板、配电监控模块、绝缘监测模块等下级智能监控模块实施数据搜集并加以显示；也可根据系统的各种设置参数进行告警处理、历史数据管理等；同时对这些处理结果加以判断，根据不同的情况进行电池管理，输出控制和故障回叫等操作；此外还包括LCD、键盘等人机界面设备；可实现与后台机的通讯，将数据上传。

蓄电池组：作为全站直流系统的后备电源，在充电模块停止工作时，蓄电池无间断的向直流母线送电；此外，在电磁式断路器进行合闸操作时，合闸电流大于100A，此时蓄电池成为合闸电源。

GZDW型智能高频开关直流电源系统自动控制的正常运行程序过程为：
充电装置正常时浮充电运行，根据需要设定时间（一般为3个月）采用充电电流进行恒流充电，当蓄电池组端电压上升到限压值时（~为单体的电池个数），自动转为电压为（~为单体的电池个数）的恒压充电，充电电流逐渐减小，当充电电流减小至~电流值时充电装置倒计时开始启动，当整定的倒计时结束时，充电装置将自动转为正常的浮充电运行，这就完成一个循环，使蓄电池随时具有满容量状态，确保直流电源运行的安全可靠。

正常浮充运行 1~3个月恒流充电电压升至整定值恒压充电电流减小至整定值正常浮充运行
3、直流系统的运行与维护
现在电力系统的变电站一般都是无人值守的，GZDW型智能高频开关直流电源系统可通过监控串口与变电站后台的监控实现通讯，可在调度端实现对直流系统的“三遥”。

但还是需要定期进行一般性的清扫、日常检查等工作。

一般220KV及以上变电站按照每天一次，110KV变电站按照一周两次进行周期巡视。

在下列情况时要加强巡视：
1、新投运的设备；
2、在高温季节、高峰负荷期间和电磁式开关动作频繁时；
3、在雷雨季节有雷电发生后；
4、在直流系统或蓄电池的工况不良时；
5、特殊用电期间。

由于直流电压为220VDC，在日常维护中，即使无交流电源接入，系统也处于带电状况。

考虑到220 V电源对操作人员及设备安全均有一定的危险性，直流回路最怕正极和负极间短路，工作时应戴绝缘手套，使用绝缘工具，必须防止麻痹大意所造成的人身或系统事故。

直流屏室和蓄电池室的管理
基本要求：保障室内环境的温度、相对湿度、洁净度、静电干扰、噪声、强电电磁干扰等要素符合机房内电源设备和控制设备的要求，保障设备的性能的稳定、运行可靠、生产安全，保障控制设备的正常供电和蓄电池的应急放电；保障设备的机械性能完好，设备电气性能符合标准要求，设备运行稳定可靠，与设备相
关的技术资料、原始记录齐全。

蓄电池组室应安装空调保证温度应在25°C左右，温度对蓄电池的寿命影响较大，若在35°C 及以上的持续温度下运行，预期寿命减少一半。

温度过低，充电时产生氢气使内压增高，电解液减少，蓄电池寿命也将缩短。

充电装置的运行及维护
运行人员或专职直流维护人员应对充电设备进行如下的巡视检查：三相交流输入电压是否平衡或缺相，运行噪声有无异常，各保护信号是否正常，直流输出电压值（合母、控母）和电流值是否正确，各充电模块的输出电流是否均流，正负母线对地的绝缘是否良好，装置通讯是否正常等。

运行人员或专职直流维护人员特别要注意充电模块自动均充是否准时定期，均充时的充电电流和充电电压是否正确；雷电发生后应及时检查直流装置的防雷装置和充电装置工作是否正常；每月对充电装置作一次清洁除尘工作。

充电装置内部故障时，应及时把故障充电装置取下退出运行，这就是模块化配置的好处，在设计上采用N+1的方式，少一个充电装置不影响运行，应及时把坏的充电装置返厂家修理，这期间加强对直流装置的巡视。

蓄电池的运行及维护
500KV变电站一般装设两组蓄电池，可互为备用。

220KV、110KV一般装设一组蓄电池，其实在有条件时220KV最好装设两组蓄电池，因220KV的继电保护装置是双重化的，从电流互感器二次侧到断路器跳闸线圈都是双重化，因此，直流系统也宜相应的设置两组，分别对两套保护及跳闸线圈供电，以利系统安全运行。

在正常运行情况下，变电站的二次设备只需由充电模块来供电就行了。

现有的变电站，断路器一般有电磁合闸方式和储能合闸方式两种。

在电磁式断路器进行合闸操作时，要求直流电源能提供瞬时的合闸电流（20~200ms内提供数百安培的大电流），显然仅由充电模块来供电是远远不够的，这时蓄电池组就发挥了重要的作用，它能无间断地提供大电流，保证断路器的正常合闸，这也是直流系统为什么要有合闸母线的原因了。

在储能合闸方式下，合闸电流远小于充电模块的额定输出电流，不用蓄电池来合闸。

现在新建的变电站一般都是这种储能式的断路器，这时直流系统也就可以不要合闸母线。

当电网事故，必然使交流输入电压下降，当充电模块不能正常工作时，蓄电池无间断的向直流母线送电，毫不影响直流电源屏的对外功能，保证二次设备和断路器的正确动作，确保电网的安全运行。

而作为最后保障的蓄电池，如果其容量的不足将会产生严重后果。

所以，蓄电池的重要性就就可想而之了，其维护、在线监测一直是大家最为关心的问题。

电池巡检仪作为在线监测装置，可实时发现落后或故障电池，并可检测电池组的温度是否处于正常范围内，但直流系统工作时输出电流较小，电池容量的不足或漏液、破损很难通过电池巡检仪发现，而电池内阻和电池容量的在线测试，准确度依旧不高，其测量精度和可靠程度通常只用于定性分析。

所以还是需要运行人员或专职直流维护人员对蓄电池进行巡视。

巡视项目如下：检查蓄电池连接片有无松动和腐蚀现象，壳体有无渗漏和变形，是否清洁；极柱与安全阀周围是否有酸雾溢出；绝缘电阻是否下降；蓄电池温度是否正常25°C左右；测试单只蓄电池电压和内阻（一般为几~十几mΩ）是否正常。

最好能每半月进行一次断开直流系统交流输入电源，让蓄电池来供电，10分钟后测试合母电压（也就是蓄电池组端电压）和控母电压及直流电流是否正常。

以此来保证作为最后保障的蓄电池工作正常。

还要注意对备用搁置的蓄电池的维护，因蓄电池要自放电而减少容量，应用便携式充电机每3个月进行一次补充充电。

由于电池品牌、型号及电池状况的不同，应根据实际情况通过监控模块重新调整电池充电参数，以保证电池处于良好工作状态。

蓄电池寿命一般为10年左右，影响蓄电池寿命的主要因素有：1、过放电2、放电电流过大或过小，一般应用I10（蓄电池的额定容量/10）的放电电流3、浮充电压设置不合理4、充电电流过大或过小，一般应用I10（蓄电池的额定容量/10）的充电电流5、充电设备的性能6、温度。

通常以标准温度25°C下10h放电率（I10）的容量为蓄电池的额定容量。

核对性放电用I10的放电电流放电5小时，2V的蓄电池端电压不低于2V则蓄电池容量合格。

全核对性放电用I10的放电电流放电10。