基于本质安全化设计的直流系统研究

0引言直流系统常应用于各类变电站以及火力、水力发电厂等需要使用直流设备的地方，是电力二次系统的重要组成部分，是电力系统控制和保护的基础，同时也是确保事故能得到快速处理的保障。当交流电网出现故障造成变电站全站停电或发电厂全厂停电时，此时若备用的蓄电池组由于维护不到位而发生短路、断路或电池异常而不能正常放电时，不仅会使得检修人员无法快速处理交流电网的故障，甚至还可能引发更严重的事故。如某省从1986年～2003年已发生过10余起“火烧连营”事件，都是由于蓄电池组出现问题而烧坏多面开关柜和主变；某供电公司范围内变电站2008年～2009年使用某厂家蓄电池共计41组，已有16座变电站蓄电池组出现问题，其中6座较为严重；某220kV站110kV母线发生三相故障后，10kV电压下降，直流充电机退出运行。110kV母线保护动作，但因蓄电池异常，导致直流电源不稳定，造成全站多个110kV断路器未跳开，故障由220kV出线对侧220kV线路后备保护动作切除，造成220kV变电站全站失压。为了有效保证变电站、发电厂乃至整个电网的安全稳定运行，需要采取措施防止由于蓄电池组故障而带来的不利影响，目前常见的措施有以下几种：1）采用两组蓄电池组；2）采用带测试内阻功能的电池巡检仪；3）采用大功率放电法检测蓄电池组容量。采取措施一，需要额外增加一组蓄电池组，不仅投资维护成本提高了，而且该2组蓄电池组非并列运行，故而不能真正解决问题；而措施二的测试内阻同蓄电池容量之间没有严格的数学关系，无法根据单个电池的内阻值去预测蓄电池的寿命和容量，只能通过对内阻测试数据不断累积和定量分析，才可以推断出电池容量变化趋势和寿命情况，所以措施二不仅方法复杂，而且实用性不强，在实际运用中容易出现大的误差；措施三只是一种定期检测的方法，不是在线检测，所以并不能实时了解蓄电池组的真实容量。因此，研究开发一种可靠性高、成本低的本质安全化直流系统很有必要。1直流系统的构成及蓄电池组常见问题直流系统由电池组、高频开关电源模块、监控单元、直流绝缘检测装置、蓄电池电压巡检装置、直流熔断器、刀开关和直流断路器、降压硅链、防雷器、测量表计等组成。经过多年的发展，直流系统设计逐步规范，技术也相对成熟。蓄电池组是直流系统的核心组成部分，蓄电池工作状态的好坏，对于设备的运行至关重要，关系着直流系统甚至电网的安全稳定运行。然而由于蓄电池本身复杂的物理化学特性以及运行维护等因素，单个蓄电池会出现短路、断路、容量异常等故障，从而导致整组蓄电池不能放电的情形。直流系统蓄电池组的安全与否直接关系到变电站甚至电网的正常运行。2本质安全化设计思想“本质安全”概念的提出源于20世纪50年代世界宇航技术的发展，这一概念的广泛接受和人类科学技术的进步以及对安全文化的认识是密切相连的，是人类在生产、生活实践的发展过程中，对事故由被动接受到积极事先预防，以实现从源头杜绝事故和人类自身安全保护需要，是安全认识上的一大进步。狭义的概念是指通过设计手段使生产过程和产品性能本身具有防止危险发生的功能，即使误操作也不会发生事故。3本质安全化直流系统实现方式3.1实现方式一根据负荷特性，蓄电池组升压模块若需要很强的过载能力，可采用过载能力强的非隔离型DC/DC变换器，如图1所示，其中非隔离型DC/DC变换器采用BOOST拓扑结构。

图1

本质安全化直流系统实现方式一第1种本质安全化直流系统的特点如下：1）结构简单；2）各回路过载能力强；3）升压模块n+1冗余或者内部拓扑采用并联双回路方式，可靠性高；4）电池组不并联，避免电池组之间环流；5）蓄电池组与负载不隔离，无法解决接地、短路、环网等问题；6）保证一组蓄电池组故障情况下，负载正常工作，所以单组升压模块按2倍容量设计，利用率不高。3.2实现方式二在实现方式一的基础上，将蓄电池组并联，并用二极管进行隔离，防止蓄电池组之间的环流，如图2所示。与第1种本质安全化直流系统相比，第2种系统区别在于升压模块按额定功率设计，利用率高；蓄电池并联，需加二极管隔离。

图2

本质安全化直流系统实现方式二3.3实现方式三根据控制母线和合闸母线的电流特性，合闸回路升压模块可采用过载能力强的非隔离型DC/DC变换器，控制回路采用过载能力不强的隔离型DC/DC变换器，如图3所示，其中非隔离型DC/DC变换器采用BOOST拓扑结构，隔离型DC/DC变换器采用全桥拓扑结构，图3中用RTM表示。

图3

本质安全化直流系统实现方式三第3种本质安全化直流系统的特点如下：1）控制母线无需考虑强过载能力，稳压模块利用率大大上升；2）升压模块n+1冗余或者内部拓扑采用并联双回路方式；3）电池组不并联，避免电池组之间的环流；4）控制回路模块采用隔离型DC/DC，可解决接地、短路、环网等问题；5）控母、合母分开，相互无影响；6）升压模块按额定容量2倍设计，模块利用率不高。3.4实现方式四在实现方式三的基础上，将蓄电池组并联，并用二极管进行隔离，防止蓄电池组之间的环流，如图4所示。与第3种本质安全化直流系统相比，区别在于升压模块按额定功率设计，利用率高；蓄电池并联，需加二极管隔离。

图4

本质安全化直流系统实现方式四3.5实现方式五根据高供电可靠性要求，可采用升压、直流保护功能为一体的非隔离DC/DC变换模块，模块回路一一对应，各回路独立，任何回路之间都没有相互影响，如图5所示。各回路升压模块冗余配置或者内部拓扑采用并联双回路方式，可靠性高，隔离型DC/DC变换器集成直流保护功能呢，可解决接地、短路、环网等问题，可靠性进一步提高。蓄电池组并联，需加二极管隔离，防止蓄电池组之间的环流。

图5

本质安全化直流系统实现方式五3.6实现方式的比较与原先直流系统相比，5种实现方式都使系统稍变复杂。但实现方式中的升压模块冗余配置或者内部拓扑采用并联双回路方式，所以可靠性能够得到保证。从母线分段和升压模块的功率来考虑，本文推荐方式四和方式五。这两种方式虽然都需要在蓄电池组输出端增加隔离二极管，但升压模块按照额定功率设计，模块利用率很高，母线分段减小了负荷之间的影响，进一步提高了供电可靠性。

4结语本质安全化直流系统利用非隔离型DC/DC变换器和隔离型DC/DC变换器的升压功能，将原有直流系统中的蓄电池组分成2～3组，在其中1组或2组蓄电池组出现故障的情况下仍能输出稳定的直流电，给直流负荷供电，达到蓄电池组冗余