變電站直流電源是變電站非常重要的一種二次設備，它的主要任務就是給繼電保護、開關合分及控制提供直流操作電源，它在變電站中是一個獨立的電源，不受交流的影響，在全站失電的情況下，仍能控制信號、保護、自動裝置等的電源及事故處理工作。它的作用是:正常時為變電站內的斷路器提供合閘直流電源;出現(xiàn)故障時，在變電站供電中斷(全電失壓)的情況下，為繼電保護及自動裝置、斷路器分合閘、通信等提供直流電源。因此，其性能和質量的好壞直接關系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和設備安全。 近幾年來，無人值班變電站的建設在迅速發(fā)展和普及，與之相配套的設計規(guī)范和設備選擇原則也逐漸成熟。在變電站實行無人值班后，要求直流電源的自動化程度更高，功能更完善。

隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，直流電源制造技術也取得了飛速發(fā)展，整流系統(tǒng)由過去的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，使直流電源具有智能化，能夠和變電站綜合自動化網(wǎng)絡連接，具有“三遙”(即遙信、遙測、遙控)功能甚至“四遙”(即遙信、遙測、遙控、遙調)功能。近年來，開關電源在變電站也獲得了廣泛應用。

變電站直流電源系統(tǒng)主要由以下幾部分組成: 一、蓄電池

變電站的直流電源系統(tǒng)是一個不間斷的直流電源，要求配置蓄電池系統(tǒng)。其功能主要是在交流電源斷電時能夠實時地提供二次回路所需要的直流供電。蓄電池可作為傳動、保護、控制、通信等裝置的獨立直流電源，穩(wěn)定、可靠、安全的保護操作電源是保證電網(wǎng)正常運行的關鍵。在直流電源系統(tǒng)中，蓄電池在正常狀態(tài)下處于浮充電狀態(tài)，直流負荷由交流部分提供，只有在交流失電的情況下，蓄電池才被投人系統(tǒng)負責系統(tǒng)直流的供應，因此蓄電池在平時的維護尤其重要。在維護中，浮充電電壓和電流應該隨蓄電池的狀態(tài)變化而變化，盡力讓蓄電池工作在最佳狀態(tài)。在沒有監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，直流電源系統(tǒng)完全按照人為的設定值機械地運行，也就無法合理地維護好蓄電池。電池技術近年來有了很大發(fā)展，以前變電站主要應用防酸隔爆鉛酸蓄電池，自20世紀80年代以來推廣使用了福鎳堿性蓄電池?，F(xiàn)在則廣泛應用閥控式密封鉛酸蓄電池。

防酸隔爆鉛酸蓄電池具有容量大、壽命長、易浮充電等特點，既適合長時間小電流放電使用，又適合大電流瞬時放電使用，性能可靠，維護方便。但它由于有酸霧排出和少量氫釋放，需要有專用的具有通風條件的蓄電池室，不可與成套直流電源柜一起安裝，現(xiàn)在一般都不選用這種蓄電池。

鎘鎳堿性蓄電池有開口板式和開口燒結式兩大類，其主要特點是電池內阻低、牢固、溫度特性好、運行維護方便、壽命長、放電倍率高，但該類蓄電池有爬堿和漏液現(xiàn)象，且維護比較麻煩，目前也很少使用。

閥控式密封鉛酸蓄電池是近年來發(fā)展起來的新型蓄電池。該類蓄電池多采用鉛鈣板柵合金極板、超細玻璃纖維做隔板和貧電液結構。也有采用管式正極板，專用隔板膠體電解液的富電液結構的，其基本原理都是氣體在極板間轉移，促進了再化合反應，同時利用減壓閥保持電池內部有一定壓力。這類蓄電池具有防酸式鉛酸蓄電池的優(yōu)點，而且基本上屬于免維護即免除補加水維護，同時由于沒有酸霧和氫體排出，可以與成套直流電源柜一起安裝在主控室，現(xiàn)在已廣泛應用于各類變電站中，為無人值班變電站的蓄電池。 變電站蓄電池容量的選擇:

選擇蓄電池容量首先要進行直流負荷統(tǒng)計。直流負荷按性質可分為:經(jīng)常負荷、事故負荷、沖擊負荷。經(jīng)常負荷主要包括變電站內的保護、控制、自動化和通信設備等。事故負荷是指變電站在全站停電后，必須由直流電源供電的負荷。在變電站內主要是指事故照明、不間斷電源系統(tǒng)(UPS)、通信備用電源等負荷。沖擊負荷是指極短的時間內施加的很大的負荷電流。在35-220 kV變電站中這類負荷主要是指電磁操作機構的斷路器分合閘電流。

關于蓄電池放電時間，《電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程》(DL/T5044-2004)第5.2.2條規(guī)定: 有人值班變電所，全所交流電源事故停電時間按lh計算;無人值班變電所，全所交流電源事故停電時間按2h計算。對無人值班變電所，主要是考慮到事故停電后增加維修人員前往變電所的路途時間1 h，但對事故照明負荷可按lh計算，因為事故照明可采用維修人員到達后手動方式。

蓄電池容量選擇的計算方法有電壓控制法與階梯負荷法。為保證事故放電初期、放電末期蓄電池仍能保持一定的電壓水平，并能再次承受沖擊負荷，蓄電池容量還應考慮適當?shù)膶捰喽?。根?jù)計算，220kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220V,蓄電池選擇兩組，蓄電池容量一般為150-200 Ah; 110kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220 V，蓄電池選擇一組，蓄電池容量一般為110150 Ah; 35 kV變電站，直流電源系統(tǒng)額定電壓取220V,蓄電池選擇一組，蓄電池容量為一般為50-100Ah。

《電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程》(DL/T5044-2004)第4.3.2條規(guī)定:

220-500 k V變電所應裝設不少于2組蓄電池。110 kV及以下變電所宜裝設1組蓄電池，對于重要的110kV變電所也可裝設2組蓄電池。實際設計過程中，也是按此方案配置。

在以往的變電站中，10 kV斷路器多采用電磁操作機構，其額定合閘電流較大，為90-245A，所以事故放電末期承受沖擊負荷時，確保直流母線電壓在允許值范圍內，是選擇蓄電池容量的決定性因素。近年來，越來越多的10 kV斷路器采用彈簧操作機構，其合閘電流很小，則蓄電池的容量由全站的經(jīng)常負荷和事故負荷決定，這樣可大大減少蓄電池容量。以1個具有2臺150-180MVA主變壓器、8回220 kV線路、10回110 kV線路、10回10kV線路和2組電容器的220kV變電站為例，當變電站10 kV斷路器采用彈簧操作機構時，其額定合閘電流為3.2A，分閘電流為0.5A，允許的最 低工作電壓為87.5%額定電壓，選擇220V額定電壓、104只蓄電池和400 Ah容量的直流電源系統(tǒng)即可滿足要求。 二、高頻開關電源整流模塊

以前我國電力系統(tǒng)所使用的直流分合閘電源大部分采用可控硅整流充電裝置，但這種相控電源在紋波、效率、體積等方面不盡如人意，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，主從各分，用戶使用不便，達不到電力系統(tǒng)新的要求。另外，由于充電設備與蓄電池并聯(lián)運行，當紋波系數(shù)較大、浮充電壓波動或偏低時，會出現(xiàn)蓄電池脈動充電放電，對電池不利。20世紀90年代以來，美國、德國等西方國家新建電廠和變電站已全部采用開關電源，高頻開關電源以其體積小、重量輕、效率高、輸出紋波小、模塊疊加、N+l熱備份設計及便于計算機管理等優(yōu)點，迎合了現(xiàn)代電源的潮流。近年來、國內用的電源已逐步由開關電源取代相控電源。 高頻開關電源整流模塊的主要功能:一是交流整流，即將交流電源轉換成穩(wěn)定的直流電源;二是穩(wěn)壓整流，即適時地給蓄電池充電，以確保蓄電池處于隨時可供電的狀態(tài)。

高頻開關電源整流模塊的特點:

(1) 可控硅整流充電裝置紋波、高次諧波干擾較大，效率較低，體積龐大，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，難以滿足綜合自動化及無人值班變電站的要求。另外，由于閥控式密封鉛酸蓄電池內阻較小，可控硅整流充電設備與蓄電池并聯(lián)運行使用時紋波系數(shù)較大，引起蓄電池脈動充放電，從而加快了蓄電池老化的過程，影響蓄電池的使用壽命，因此這種傳統(tǒng)的可控硅整流充電裝置已逐步被高頻開關電源取代。高頻開關電源模塊具有穩(wěn)壓穩(wěn)流、精度高、體積小、重量輕、效率高、輸出紋波及諧波失真小的優(yōu)點，現(xiàn)在已被廣泛使用。

(2) 可控硅整流直流電源系統(tǒng)的充電裝置的連線方式采用主從備份方式，當一臺充電、浮充電裝置發(fā)生故障時，一般通過手動方式將備用充電/浮充電裝置投人使用，這種備用方式的可靠性差、運行和維護工作量大、充電柜數(shù)量多、占地面積大。高頻開關電源充電裝置采用模塊化結構優(yōu)化設計。備份方式為N+1熱備份，即包括備份模塊在內的所有電源模塊同時工作，當系統(tǒng)中某一電源模塊故障時，該模塊自動退出工作而其他模塊仍保證系統(tǒng)正常工作，這種備份方式的優(yōu)點在于可靠性高、系統(tǒng)占地面積小、配置靈活、擴容方便、運行與維護工作量小。 三、微機監(jiān)控單元

微機監(jiān)控單元是直流電源系統(tǒng)的控制核心，其主要負責監(jiān)控交流及電池狀態(tài)等眾多的物理量，并且控制充電模塊部分智能地對電池進行充電，監(jiān)控器性能的優(yōu)劣往往決定直流電源系統(tǒng)性能的好壞。 電力系統(tǒng)內的直流電源集中控制系統(tǒng)由監(jiān)控調度中心主站及安裝在各個變電站內直流電源系統(tǒng)上的電源監(jiān)控單元組成。監(jiān)控調度中心可通過MODEM及電話網(wǎng)(或綜合自動化系統(tǒng))，經(jīng)變電站內直流電源系統(tǒng)的監(jiān)控單元對直流電源系統(tǒng)進行遙測、遙信、遙控和遙調。維護人員可在監(jiān)控調度中心監(jiān)視各個現(xiàn)場的直流電源系統(tǒng)的運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)某個變電站直流電源系統(tǒng)出現(xiàn)告警，則可以直接訪問該系統(tǒng)的監(jiān)控單元，獲取必要的詳細信息，實施一些應急操作，然后根據(jù)需要做好準備，再赴現(xiàn)場進行故障處理，實現(xiàn)無人值班，提高工作效率。監(jiān)控單元是智能型直流電源系統(tǒng)的核心控制器，負責直流電源系統(tǒng)各組成部分的集中管理，通過串行的RS232/RS485接口，與變電站內的綜合包動化系統(tǒng)或地區(qū)調度聯(lián)系。

四、絕緣監(jiān)測裝置和自動調壓模塊

絕緣監(jiān)測裝置:變電站直流電源系統(tǒng)是不接地系統(tǒng)，當直流電源系統(tǒng)發(fā)生接地時會引起繼電保護的誤動或拒動以及直流電動機的異常甚至損壞。直流操作電源需要配置絕緣監(jiān)察裝置，監(jiān)測直流電源系統(tǒng)的接地故障與絕緣水平。過去，往往使用絕緣監(jiān)測繼電器來完成對直流母線絕緣狀況的在線監(jiān)測，這種繼電器具有體積小、安裝方便的特點，但只能反映整個直流電源系統(tǒng)的絕緣水平，不能確定具體的故障回路，需要逐個拉開回路來確定接地故障點，查找故障十分困難?，F(xiàn)在變電站內使用的微機直流電源系統(tǒng)接地巡檢儀，除可監(jiān)視母線電壓與絕緣外，還可對各直流接地支路進行判斷，直流電源系統(tǒng)的接地信息可通過串行口傳送至本地監(jiān)控或后臺監(jiān)控計算機。正常情況下，系統(tǒng)各支路對地絕緣電阻相近且較高，大于允許絕緣電阻值，裝置報警回路不動作，僅進行常規(guī)工作，如正、負母線電壓，正、負母線絕緣電阻的巡回檢測、顯示。在支路或母線接地時或絕緣電阻降低超過允許值時，裝置報警并顯示相應回路絕緣電阻值，查找接地故障非常方便。

自動調壓模塊:電力操作電源的額定輸出電壓一般選擇為110V或220V，如果考慮蓄電池均充電運行的需要，輸出電壓最高則可達到額定輸出電壓的145%, 220V系統(tǒng)，最高輸出電壓可達到330V。因為蓄電池的端電壓變化范圍很大，所以在電力系統(tǒng)中，除了合閘等沖擊性負載直接接在蓄電池的輸出端(合閘母線)之外，控制類負載都通過調壓裝置間接與蓄電池相連接(調壓裝置的輸出母線被稱為控制母線)，以獲得比較穩(wěn)定的工作電壓。