高频开关直流操作电源系统

发电厂和变电站中，为控制、信号、保护和自动装置（统称为控制负荷）以及断路器电磁合闸、直流电动机、交流不停电电源、事故照明（统称为动力负荷）等供电的直流电源系统，通称为直流操作电源。直流操作电源与直流自用电负荷馈线连接构成直流系统。

变电所直流系统按获得直流电能方式的不同，一般有下面两种类型。

1. 整流式直流系统

整流式直流操作电源分为相控整流和高频开关整流两种，前者依靠改变晶闸管的导通相位来控制整流器输出电压。后者采用功率半导体器件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。整流式直流操作电源的维修工作量小、容量大、使用寿命长、造价低。但整流装置受交流系统运行情况影响大，供电可靠性不强。

2. 蓄电池组直流系统

变电所的直流系统是一个不间断的直流电源，要求配置蓄电池系统。蓄电池组是一种独立的电源，不受交流电源的影响，因而整流系统交流失电或发生故障时，蓄电池继续给控制、信号、继电保护和自动装置供电，同时还可以保证事故照明用电。由于蓄电池电压平稳、容量大，既适用于各种较复杂的继电保护和自动装置，也适用于对各类型断路器的操作控制。

一、直流系统的构成

高频开关直流操作电源系统是由交流配电单元、高频开关整流模块、蓄电池组、硅堆降压单元、电池巡检装置、绝缘监测装置、充电监控单元、配电监控单元和集中监控模块等部分组成。其系统原理接线图如图9.9所示。

图9.9　直流系统原理图

二、直流系统的工作过程分析

1. 交流正常工作状态

系统的交流输入正常供电时，通过交流配电单元给各个整流模块供电。高频整流模块将交流电变换为直流电，然后经保护电器（熔断器或断路器）输出，一方面给蓄电池组充电，另一方面经直流配电馈电单元给直流负载提供正常工作电源。

① 交流配电单元：将交流输入电源分配给各个整流模块，并装设C级和D级防雷模块，能有效吸收电网浪涌电压，将雷电感应和线路操作产生的过电压危害降至最小，保障整流模块安全工作。对具备两路交流输入电源的系统，可实现两路电源的自动转换。

② 高频整流模块：将交流输入电源变换为直流电输出，正常情况下受监控装置的控制，实现对蓄电池组的恒压限流充电和自动均充　浮充转换等操作。当集中监控装置故障退出时，充电模块自动进入安全模式，按预设的浮充电压继续运行。

③ 硅堆降压单元：根据蓄电池组输出电压的变化自动调节串入降压硅堆的数量，使直流控制母线的电压稳定在规定的范围内。当需提高蓄电池的容量，减少整组串联的个数时，可以取消硅堆降压单元，达到简化系统接线、提高可靠性的目的。

④ 绝缘监测装置：实时在线监测直流母线的正负极对地的绝缘水平，当接地电阻下降到设定的告警电阻值时，发出接地告警信号。对于带支路巡检功能的绝缘监测装置，还可以定位接地故障点发生在哪一条馈电支路中。

⑤ 电池巡检装置：实时在线监测蓄电池组的单节电压和内阻，当单体电池出现开路时，发出单体异常告警信号。通过该装置可以使维护人员随时了解蓄电池组的运行状况，提高蓄电池运行管理的自动化水平。

⑥ 配电监测单元：采用数字变送测量仪表实时采集系统中的交流配电回路、充电装置、蓄电池组和直流配电回路的运行参数（模拟量）；采用开关模块采集各配电回路设备的状态和告警触点信号（开关量）。将数据上传到监控装置进行显示、告警等处理。

⑦ 电源监控模块：采用集散方式对电源系统进行监测和控制。通过RS 485串口分别与系统各配电回路的智能设备（高频整流模块、绝缘监测装置、电池巡检装置、数字变送仪表和开关量采集模块）连接，接收、处理、上传信息，通过LCD实时显示系统中各设备的运行状态、运行参数、告警信息等内容，系统运行的相关参数可通过LCD进行设置和维护。同时监控模块可通过RS 485串口、光纤或以太网接入变电站自动化系统，实现对电源系统的远程监控，满足“四遥”和无人值守的要求。

此外，监控装置具备完善的智能电池管理功能，它能对电池的端电压、充放电电流、电池房环境温度等参数作实时的在线监测，可准确地根据电池的充放电情况估算电池容量的变化，还能在电池放电后按用户事先设置的条件和运行参数，通过调节整流器的输出电流和电压，自动完成电池的限流充电和均浮充转换，并可以自动完成电池的定时均充维护和均浮充电压温度补偿工作，实现全智能化，不需要任何人工干预，保证蓄电池组能正常工作，最大限度地延长电池的使用寿命。

2. 交流失电工作状态

系统交流输入故障停电时，充电模块停止工作，由蓄电池组不间断地给直流负载供电。微机监控装置实时监测蓄电池组的放电电压和电流，当电池放电至设定的终止电压时，监控装置告警。

3. 系统工作能量流向

系统工作时的能量流向如图9.10所示。

图9.10　直流系统能量流向图

三、高频开关整流模块工作原理

高频开关型整流器原理框图如图9.11所示，三相交流电输入后，先经EMI滤波，再经三相全桥整流变成高压直流电，经全桥移相逆变、整流为140 kHz左右的脉冲电压波，再经滤波后输出220 V的直流电。

其工作原理是：四个主功率开关管的驱动脉冲为占空比不变（D = 50%）的固定频率脉冲。其中一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位固定不变，另一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位是可调的。通过调节该桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位，即调节对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通的时间，来调节直流输出电压。在对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通时，全桥逆变部分对后一级输出功率。在该周期内的其余时间内，因为上桥臂（或下桥臂）功率开关管处于同时导通状态，同时谐振电感需要释放储能，并与谐振电容产生谐振，所以在全桥逆变电路内部存在环流。该环流创造了功率开关管的零电压开通条件，从而实现了功率开关管的零电压开通，极大地减少了功率开关管的电压、电流应力和损耗，同时，极大地减少了功率开关管在开关状态下产生的EMI噪声，进而提高了整机的可靠性、使用寿命和效率。

图9.11　高频开关型整流器原理框图

四、硅堆降压单元功能

对于蓄电池组的个数选择大于104只（110 V系统大于52只）的阀控式铅酸直流系统，由于整流器在对蓄电池进行充电时，要求与蓄电池并联的直流母线电压超出控制直流负荷电压不大于±10%，因此需要这样一个降压装置把直流母线的电压调节到控制直流负荷要求的范围内。二极管硅堆可自动或手动调节电压降，从而使控制直流母线的电压稳定在规定的范围内。

降压硅堆是由多只大功率硅整流二极管串接而成，利用PN结基本恒定的正向压降作为调整电压，通过改变串入线路的硅管数量获得适当的压降，达到电压调节的目的。相比于其他形式的电压调节方式，采用硅堆调压具有抗电流冲击性好、安全、可靠的优点。

降压硅堆均分为4节硅堆串联而成，在每节硅堆两端并联调压执行继电器的常闭触点，若驱动执行继电器动作，令其触点断开，使得该节硅堆被串入线路，降压单元的压降增大；反之，若执行继电器返回，其触点闭合，使得串入线路中的硅堆数量减少，降压单元的压降减小。

硅堆降压装置的控制单元采用单片机控制，通过检测控制直流母线的电压，与给定的继电器动作电压比较，经放大驱动继电器的动作，使控制直流母线的电压保持在一定的范围内；硅堆监视电路实时监测各节硅堆的电压降，如果串入线路中的某节硅堆出现开路的情况，控制单元自动闭锁与该节硅堆并联的继电器，使该节硅堆被短接旁路，实现控制母线不间断供电。

五、绝缘监测单元功能与原理

变电所内的直流操作电源系统，其直流供电网络分布到变电所的各个一次和二次设备处，支路纵横交错，发生接地的概率很高。直流系统是正负极对浮空的，当出现一点接地（正负极直接接地或对地绝缘降低）时，系统虽然能正常的工作，但出现第二点接地时，则可能造成信号装置、控制回路和继电保护装置误动作，甚至造成直流正负极短路，从而引发严重的电力事故。因此直流系统对地应有良好的绝缘，必须对其进行实时的在线监测，当某一点出现接地故障时，立即发出告警信号，提醒运行人员查找并排除接地故障，从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力事故。

直流系统的绝缘监测装置由母线绝缘检测和支路绝缘检测两部分组成。

1. 母线绝缘检测原理

如图9.12所示，母线绝缘检测采用不平衡电桥检测电路，由微处理器控制电桥开关S1和S2轮流导通，分别测得两组直流母线正负极对地的电压值，然后通过方程式计算出直流母线正负极对地的绝缘电阻值。

图9.12　母线绝缘监测原理图

根据欧姆定律在开关S1和S2全部断开时得：

在开关S1闭合，S2断开时得：

在开关S2闭合，S1断开时得：

已知电压zU、fU、z1U、f1U、z2U、f2U的测量值和电阻R的值，联立（9.1）和（9.2）或（9.1）和（9.3）解方程组，可以求出直流母线正负极对地的绝缘电阻Rz和Rf的值。母线对地电压检测精度直接影响绝缘电阻的计算结果，而且电桥开关在切换过程中，母线正负极对地分布电容的充放电过程会直接影响对地电压的采样值，因此应针对不同容量的电源系统设置不同的检测速度，以保证绝缘监测的精度。另外，采用这种电桥测量技术虽然可以准确地计算出直流系统正负极总的对地绝缘电阻值，但由于在电桥电路直流正负极与地之间人为接入了一定值的接地电阻，必然会对直流系统的绝缘水平产生一定的影响，因此，在保证一定测量精度的前提下，电桥电路R的取值应尽可能大，而电桥电路在切换时自动选择正负极对地电压较大一侧的开关闭合；同时采用实时比较正负极对地电压变化量的方法，结合定时处理，减少电桥开关切换的次数，大大降低电桥电路对直流系统的影响。

2. 支路绝缘检测原理

以上母线绝缘检测技术虽然可以测量出直流系统正负极对地总的绝缘电阻，但不能确定直流系统各供电支路（直流馈电输出）的正负极对地的绝缘电阻值。如果直流系统出现接地故障时，对接地故障点的查找只能采用逐路断开馈电支路开关，顺着支路逐级查找以确定接地故障点。这种方法既费时又费力，而且断开支路上的各种装置要暂时退出工作，存在引起电力事故的危险。

直流系统各馈电支路正负极对地绝缘电阻的检测，是通过在各馈电支路回路安装电流互感器，采用低频叠加或直流漏电流的检测原理，计算出各馈电支路正负极对地的绝缘电阻值。这两种原理各有自己的优缺点，分别说明如下。

① 低频叠加原理：由低频信号源产生的超低频信号通过隔直电容对地耦合到直流正负母线上，采用无源交流小电流传感器，感应流过各馈电支路中接地电阻和接地电容的超低频信号电流，其大小直接反映出支路接地电阻的变化。感应电流信号经过放大、相位比较、滤波和A/D转换后，进行数据处理并计算出相应的接地电阻值，判断出直流馈电支路的接地故障。这一技术的电流传感器不受一次侧电流和温度变化的影响，但其缺点是检测精度受分布电容和低频信号衰减的影响较大。当然可以采用信号相位比较技术进行超前校正及跟踪，消除馈电支路的分布电容对绝缘电阻测量精度的影响，同时过滤直流母线上非同步交流信号的干扰，解决支路误报和漏报现象。

② 直流漏电流原理：采用磁调制有源直流小电流传感器，馈电支路正负极穿过传感器的正常负荷电流大小相等、方向相反，在传感器中的合成直流电磁场为零，其二次输出也为零；当支路回路的正负极存在接地电阻时，就会感应产生漏电流，并且在传感器中合成漏电流磁场，其二次输出就直接反映接地漏电流的大小，结合母线绝缘检测不平衡电桥电路的对地电压测量数据，可以计算出支路对地的绝缘电阻值，从而判断出直流馈电支路的接地故障。这一技术无需在直流母线上叠加任何信号，对直流系统不会产生任何不良影响，检测精度不受直流系统对地分布电容的影响，且灵敏度高，巡检速度快。缺点是有源直流传感器的二次接线复杂，且其中的电子电路容易受温度变化和直流回路大电流冲击的影响而产生零点漂移，影响测量精度。当然，可以采取校正技术，消除零点漂移，保证检测精度。另外，支路漏电流参数的变化量，也可以作为母线绝缘电桥检测电路的启动条件。

六、蓄电池组的充放电运行管理

蓄电池组是直流系统中重要的组成部分，因此对蓄电池组良好的维护和监测显得尤其重要。智能高频开关直流系统具有先进的电池管理功能，可以严格按照电池的充放电曲线对电池进行管理。整流监控严格按照电池的充放电曲线对电池进行充放电，具有实时性、准确性、快速性的特点。

电池管理的基本思想是：以电池组剩余容量、电池充电电流为依据，控制电池由浮充转入均充；以充电电流、充电时间为依据，控制电池由均充转入浮充；如果系统配有温度传感器，其均、浮充电压可根据温度作适当补偿。

阀式密封铅酸蓄电池运行如图9.13所示。VRLA蓄电池开始时用0.1Q10A（可设置）恒流充电，当电压达到n×（2.30～2.40）V（n为单体电池数）时，自动（或手动）转入恒压充电。充电电流开始逐渐减小，减小至0.01Q10A（可设置）时开始计时，3 h后，微机自动控制充电浮电装置转入浮充电运行。正常运行浮充1～3个月，微机自动控制充电浮电装置转入恒流充电运行，按VRLA蓄电池正常充电程序运行。

当因为电网事故等原因发生交流电源中断时，停止充电浮充电装置，蓄电池通过降压模块不间断向二次控制母线供电。当蓄电池电压低于设定值时发出声光报警，恢复交流供电后按VRLA蓄电池正常充电程序运行。

图9.13　阀式密封铅酸蓄电池运行示意图

七、高频开关电源系统运行维护常识

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试验检查，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。

当智能高频开关电源系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载部分还是电源系统，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，仍需做大量的分析、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。