直流电源系统在国内外的应用状况

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(国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

直流电源系统是保障发电、输电和配电安全运行的关键环节。直流电源系统是保障电力系统正常运行不可缺失的重要辅助系统，不仅需要在正常情况下为辅助设备提供电能，更在电网故障等异常情况下为重要辅助设备提供连续可靠的电能，以确保事故状态下人身和设备的安全，并保障故障的快速恢复。

随着电网技术的不断发展，对站用直流电源系统的供电可靠性和安全性提出了更高的要求，使得国内外电力行业对该系统的关注度逐渐提高。

下面根据四川省近10年来直流电源系统设备和运行数据的统计和分析，并结合在CIGRE WG B3.42工作过程中对国外直流电源系统应用情况的了解，对该系统在国内外的应用现状进行了介绍。

1 站用直流电源系统得到广泛关注

长期以来直流电源系统因其电压等级低、技术门槛较低等因素，其受到的关注度有限。不过，随着电力技术与智能化技术的广泛融合，电网的运行、控制和调度的数字化、信息化、智能化等方面得到显著的发展[1]，对站用直流电源系统的供电可靠性和安全性提出了更高的要求。一旦直流电源系统发生故障，非常容易造成主设备丧失控制与保护功能，特别是在电网发生故障时，无法快速切除故障甚至造成事故扩大，延缓电网恢复时间，使电力系统受到的危害和引起的损失也更大。全国近年来发生的事故也不断地印证了这一点。这也使得国内外电力行业对直流电源系统的关注度逐渐提升。

国际大电网会议(CIGRE)组织B3技术委员会组建了工作组(WG)B3.42(Reliability Analysis and Design Guidelines for LV AC/DC Auxiliary Systems)对发电厂、变电站以及换流站用的低压交直流配电领域的系统设计和可靠性进行研究。

美国电气与电子工程师协会(IEEE)组织的Power and Energy Society/Substations(PE/SUB)成立了工作组WGD9-Substation Auxiliary System-Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations 来讨论、研究变电站用低压交直流配电领域相关的技术问题，并组建标准编制项目 P1818-IEEE Draft Guide for the Design of Low Voltage Auxiliary Systems for Electric Power Substations。该标准初稿已完成待正式发布。

2 国内直流电源系统近10年来的应用情况

近10年来，国内电网规模、电力技术快速发展，四川电网是其中的一个典型缩影。因此，下面以四川省直流电源系统的应用状况为例，在变电站数量不断增多、维护人员数量又少、技术水平短时内提升有限的情况下，来探讨直流电源系统运行状况。

2.1 直流电源系统的快速持续增长

近10年来，四川省110 kV及以上变电站数量以平均每年增长63%的速度从2007年不足500座增长为1000多座，相应的蓄电池组数量也从约600组增加一倍多达到近1400组，如图 1所示。

图1 四川省近10年变电站和蓄电池数量增长曲线

随着变电站规模的扩大、数量的增多，如何确保直流电源系统的安全可靠运行就成为一个重要问题。如图 2所示，变电站低压直流电源系统近10年来，由基层运检单位上报的“一般”及以上缺陷数量也相应增加。可观察到，“缺陷”的数量与蓄电池组数量从趋势上呈一定的正相关性。

2009年、2010年随着蓄电池数量增加约50%，直流系统缺陷数量大幅增加，在随后的2011—2016年直流配电系统缺陷数量得到较好的控制。从年度缺陷与蓄电池组数量之比，可看出2011—2016年直流系统缺陷率保持在较稳定的水平。这与2010年以来管理和运维水平的提升密不可分。

2.2 直流电源系统设备缺陷的分布情况

通过对四川省2007年至2016年的直流电源数据的分析，10年内该省低压直流电源系统发生的缺陷中约38.55%是充电装置缺陷，其次有26.63%是由蓄电池引起，其余缺陷依次为系统发生的直流接地、绝缘监测和巡检等装置、监控装置以及其他， 如图 3所示。

图2 直流电源系统年缺陷数量与蓄电池组数量的分析

图3 近10年来直流电源系统中各设备的缺陷占比

根据调查，充电装置的缺陷主要有充电模块输出电压异常、无输出电流、通信故障、冷却风机故障、充电装置内的交流继电器故障、显示器以及显示灯故障等。

充电装置缺陷约占缺陷总量的39%，是直流电源系统中最容易存在缺陷的设备之一。一方面是因为充电装置运行年限较长，设备老化再加上产品质量潜在的薄弱点，在长期运行中最终引发缺陷；另一方面，运维技术人员对充电装置的日常维护手段有限，充电模块组装在直流屏(柜)中，在安装后一般很少再定期检查。现在广泛采用的高频开关电源型充电装置，采用N+1或N+2模块化设计方案，即按额定容量配置N个模块后再备用1个或2个模块[2]；模块可即插即用，将故障的模块在线插拔而不影响充电装置的运行。通过模块化及冗余设计，充电模块虽然呈现较高的故障率，但其整体的运行可靠性是比较高的。

蓄电池缺陷约占缺陷总量的26.63%，仅次于充电装置，但却是决定直流电源系统可靠性的那只木桶“短板”。蓄电池组一般由单体蓄电池串联组成，若某支单体蓄电池性能欠佳会影响到其余的单体电池，严重情况下如开路，将导致整组蓄电池失效[3]。同时，蓄电池组中各只蓄电池需保持较好的一致性，因此即使发现有问题的单体电池也不能像充电模块一样很方便地“带电插拔”进行更换，需要整组退出进行有针对性的维护，或在保证蓄电池组输出电压的基础上将其剔除，否则整组蓄电池可能需要被更换。因此，如何有效地监测蓄电池的运行状态并进行适当的维护，对保证直流电源系统可靠运行是非常重要的。

2.3 蓄电池实际运行寿命的分析

现在电力系统主要采用的是阀控式铅酸蓄电池，其浮充电预期寿命一般为8～10年，但工程应用中发现，约70%的蓄电池达不到预计使用寿命。对四川省10年来退役蓄电池进行统计，可观察到约51%的退役蓄电池使用寿命不超过6年，绝大部分蓄电池使用寿命不超过8年，如图 4和图 5所示。

图4 10年退役蓄电池中蓄电池使用寿命的分布

图5 各年退役蓄电池中蓄电池使用寿命的分布

从统计数据分析可知，蓄电池实际使用寿命远达不到预期的浮充电寿命。导致该现象的原因主要是蓄电池质量不过关。铅酸蓄电池是一种复杂而精妙的电化学体系，在该体系中即使是存在一些杂质，也会通过加快水分解反应对蓄电池的电化学反应产生强烈影响。一个有潜在缺陷的蓄电池，在运行初期或中期就可能会出现干涸、硫化、极柱腐蚀、外壳鼓包以及容量严重降低等现象。

目前，在中国有许可证的蓄电池生产厂家有1000多家，生产厂家数量众多，其质量控制水平、生产工艺以及科技水平等各有高低，市场上的产品质量也差别甚大。对短期内出现异常的蓄电池解体分析，曾发现过个别生产厂家为了降低生产成本缩减工艺流程，采用劣质原材料。而在采购产品时，蓄电池质量好坏不能通过现场试验立即得到判断，通常需要在运行1年或更久后才能体现出来，这也给了“带病”蓄电池流入电力系统的“机会”。

从图 5可知，在2009年、2013年和2014年均有10多组蓄电池在使用了2至4年就因容量不达标而整组报废，这种现象往往是因为采购的蓄电池存在家族性缺陷，导致在短短运行两三年后这批蓄电池就不能满足运行要求。

此外，对蓄电池的运行维护不佳也是促使蓄电池寿命缩短的一个因素。以四川省为例，蓄电池组近10年数量增长为2倍多，且蓄电池单体数量更是巨大，运行维护工作量随之显著增加。在开展外观检查、均衡充电、内阻测试乃至容量核对性放电等维护项目时，运维人员没有按期进行或没有按规定程序严格开展试验项目，造成“带病”蓄电池未能及时筛选、落后蓄电池未能得到有效的活化处理等；缺陷报警后，由于运维人员处理不及时，造成蓄电池长期过充/欠充或长期放电，蓄电池出现干涸、活性物质脱落、极板硫化等现象而失效。

3 国内外直流电源系统应用状况的主要差异

通过对德国、英国、澳大利亚、爱尔兰、西班牙、波兰以及沙特阿拉伯等国家直流电源系统的调研，国外与国内直流电源系统的主要差异表现在直流电源系统的带电监测、检测设备的应用、系统网络结构、蓄电池的应用以及维护等内容。

3.1 带电监测、检测设备的应用

相比于国内的蓄电池电压和内阻巡检仪、绝缘监测仪，国外的在线监测设备的功能更简单，自动化程度更低。

以直流电源系统的绝缘监测为例，母线绝缘监测和支路绝缘监测在国内已是常规配置，而国外主要只配置母线绝缘监测，支路绝缘监测因价格等因素鲜有应用[4-5]。因此，在出现母线绝缘故障报警时，仍有一些国家采用比较原始的拉回路法来定位故障点。

国外蓄电池内阻测试主要采用的是离线式测试设备，作为判断蓄电池状态的补充手段。关于蓄电池内阻的测试技术尤其在美国，研究较为深入，建立了内阻测试模型以及计算公式[6-8]，相应的检测影响因素等方面都有较为详尽的介绍。

3.2 系统网络结构

由于变电站的规模、信息化及自动化程度等因素的影响，国外的站用直流电源主要有双充双蓄、单充单蓄这两种类型[9]，而在国内500 kV及以上变电站应用的三充两蓄[10]在国外鲜有实例。

与国内普遍采用辐射供电网络相比，国外的供电方式更为多样化，可简单分类为辐射供电网络和环网供电方式。英国、西班牙和沙特阿拉伯等国家两种供电方式都存在，其中环网供电方式在各个国家又略有差异。爱尔兰、德国等国家较为普遍地采用辐射供电方式。

3.3 蓄电池、配电屏柜等元器件的应用

目前国内变电站已基本淘汰了镉镍碱性蓄电池和开口式铅酸蓄电池，采用的是阀控式铅酸蓄电池。国外变电站使用的蓄电池种类就比较多，如：西班牙和沙特阿拉伯仍有变电站在使用镉镍碱性蓄电池；英国、德国等国家除了有阀控式铅酸蓄电池外，同时仍在使用开口式铅酸蓄电池。

相应地，这也带来了蓄电池在容量配置、寿命、安装以及运维等方面的差异。即使对于阀控式铅酸蓄电池，容量配置、运维检测项目和周期各国也略有差异。比如，容量核对性充放电试验，其周期有1年、2年或者更长时间；事故放电时间设计有2 h、6 h、8 h或者更长的时间。

配电屏柜在澳大利亚可分为地面安装类型和墙上安装类型，充电机、蓄电池和配电可采用一体柜或者独立柜。

4 结 语

结合四川省直流电源系统近10年来应用状况的分析和国外应用情况的比较，可知中国直流电源系统的在线监测技术尤其是绝缘监测技术，在国际上处于领先水平。此外，国内的交直流一体化电源以及其他新技术的研究都领先于国外同行。

作为直流电源系统中最为核心的设备——蓄电池，如何确保其安全、可靠地运行到预期寿命，无论国内外都还需要进一步的提升。目前，国内蓄电池的使用寿命一般为6～8年(国外不完全统计为8～10年)，虽然电池电压巡检仪、内阻测试仪以及蓄电池活化仪等逐渐得到应用，但容量核对性放电仍然是检测蓄电池实际运行状态的最有效手段。在浮充电状态下，有效、简便地甄别“带病”蓄电池的方法仍然是一项具有挑战而值得研究的课题，其将对直流电源系统可靠性的提高具有重要意义。

在国内电力系统规模快速发展、电力技术与智能化以及信息化不断融合的大背景下，如何经济、有效地进一步提升直流电源系统的安全可靠性使其满足电力系统不断发展的要求，仍然值得更多的关注和研究。

[1] 刘振亚，特高压交直流电网[M]. 北京：中国电力出版社，2013.

[2] 电力工程直流电源系统设计技术规程：DL/T 5044-2014[S]，2014.

[3] Detchko Pavlov.Lead-acid Batteries: Science and Technology [M].Elsevvier，2014.

[4] IEEE Guide for Selection and Use of Battery Monitoring Equipment in Stationary Applications:IEEE Std 1491TM-2012[S],2012.

[5] Secondary Cells and Batteries-Monitoring of Lead Acid Stationary Batteries-User Guide:IEC TR 62060-2001[S],2001.

[6] Glenn Alber. Predicting Battery Performance Using Internal Cell Resistance[R].Albercorp.，1995.

[7] Energizer Holding, Inc.Technical Bulletin：Battery Internal Resistance[R].2005.

[8] C&D Technologies, Inc.Technical Bulletin：Impedance

and Conductance Testing[R].2012.

[9] Michael J.Thompson, David Wilson.Auxiliary DC Con-

trol Power System Design for Substations[C].Conference for Protective Relay Enginears,2007:522-533.

[10] 白忠敏，刘百震，於崇干.电力工程直流系统设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2009.