成都信息工程學(xué)院副教授 周倍加

一、概述

　　1．直流電源柜的功能。由整流器和蓄電池組構(gòu)成的直流電源柜，是最安全、最可靠的備用電源裝置，至今仍是各類發(fā)電廠和變電站不可或缺的重要設(shè)備。直流電源柜的可靠供電，與發(fā)電廠、變電站的安全息息相關(guān)，直流電源柜故障停電，輕則造成發(fā)電廠、變電站事故停電，重則造成發(fā)電機(jī)或主變燒毀。
　　2．對直流柜的總體要求。一是接線簡單可靠，運(yùn)行靈活，維護(hù)、安裝方便；二是所用元件、部件性能可靠、穩(wěn)定、精良；三是安裝運(yùn)行的環(huán)境條件應(yīng)該符合直流電源柜的產(chǎn)品說明書之規(guī)定。
　　3．直流電源柜的選型要點(diǎn)：
　　1)電壓等級：220V、110V、48V、24V。
　　2)額定電流：10A、20A 30A50A、70A、80A、100A…。
　　3)蓄電池：類型：鉛酸電池有閥控型、防酸型；堿性有鎘鎳電池。電池組：1組或2組。容量(Ah)：閥控鉛酸電池有40、65、100、150、200、300、400、500、700、1000。
　　4)安裝環(huán)境：應(yīng)滿足一定海拔高度、溫度、室內(nèi)或室外的要求。
　　5)其它：母線和支路絡(luò)線在線監(jiān)測、電池組在線監(jiān)測、可配備逆變電源(既作為放電裝置又可取代微機(jī)UPS)。
4．直流電源柜的組成。由整流器(充電器)、蓄電池和柜體(含保護(hù)、控制電器)三部分組成。電力用蓄電池的演變過程是：開啟式鉛酸電池(1970年前)→半密封鉛酸電池(1980年前)→堿性鎘鎳電池(1990年前)→閥控鉛酸電池(至今)。蓄電池一般由用戶指定，或根據(jù)性價(jià)比綜合選定。由于國內(nèi)閥控電池的材料及制造工藝日趨成熟，與國外蓄電池產(chǎn)品質(zhì)量、壽命等比差距已縮小。我國整流器的發(fā)展進(jìn)程，基本上代表了直流電源柜發(fā)展的脈絡(luò)：直流電動(dòng)發(fā)電機(jī)組(1970年以前)葉硅整流器(包括磁飽和及可控硅整流，1990年以前)→高頻開關(guān)電源(至今)。

二、新舊直流柜比較

　　我們把電容貯能式電源、復(fù)式整流電源、磁飽和整流電源、可控硅整流電源等組成的直流柜稱為舊式直流柜。它們雖然具有技術(shù)成熟、穩(wěn)定、運(yùn)行人員熟悉、較易掌握等優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下缺陷：一是基本元件工頻變壓器、電抗器、整流濾波裝置等的體積大、重量重。二是基本元件的功耗大、溫升高、效率低，柜內(nèi)元件密集，維修更換困難。三是控制電路、整流電路多由分立元件或集成電路組成，可靠性較低。四是受基本元件的制約，電氣性能技術(shù)指標(biāo)偏低。此類直流柜目前在全國范圍使用數(shù)量很大，2000年執(zhí)行的DL/T-5120-2000《小型電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》還給它留了一個(gè)過渡時(shí)期。但是電力工程用整流器應(yīng)滿足以下條件：
　　1)在規(guī)定交流輸入電源下，應(yīng)滿足蓄電池組均衡充電、低壓充電和浮充電的工況要求；
　　2)有良好的穩(wěn)壓、穩(wěn)流性能；
　　3)紋波系數(shù)??；
　　4)運(yùn)行靈活、能自動(dòng)投切、具有三遙(或四遙)功能；
　　5)具備良好的電磁兼容性和抗干擾性能。大多數(shù)舊式直流柜由于未配置微機(jī)(或單片機(jī))，因此難以完全實(shí)現(xiàn)1)、4)、5)的要求。我們把以高頻開關(guān)電源整流器和監(jiān)控模塊為核心組成的直流電源框，定義為新型直流電源柜。隨著電力電子技術(shù)特別是高頻功率半導(dǎo)體技術(shù)、大規(guī)模集成電路、單片微機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，促進(jìn)了小功率開關(guān)電源迅速拓展為大功率開關(guān)電源，并且以模塊式的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。經(jīng)過十余年的不斷探索和完善，高頻開關(guān)電源模塊整流器的可靠性、穩(wěn)定性及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，均有了長足的進(jìn)步，實(shí)踐證明它已經(jīng)成為一個(gè)成熟的產(chǎn)品。近幾年，隨著航空、航天技術(shù)中的高頻軟開關(guān)技術(shù)的普遍采用，使高頻開關(guān)電源的可靠性得到進(jìn)一步提高，促使其應(yīng)用更普及，價(jià)格更趨合理。新型直流柜有以下特點(diǎn)：
　　1)由于采用高頻半導(dǎo)體器件(VMOS、IGBT)開關(guān)速度快、高頻特性好、輸出容量大；由于省去了工頻變壓器，體積小、質(zhì)量輕、噪聲低。
　　2)采用PWM和軟開關(guān)技術(shù)，因而效率高、功率因數(shù)高、可靠性高，MTBF(無故障運(yùn)行時(shí)間)已達(dá)10萬小時(shí)。
　　3)主要功能和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)高于舊式直流柜，便于無人或少人值守。4)設(shè)計(jì)中采用微機(jī)和模塊結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行、測量、顯示全部數(shù)字化，易于維護(hù)和管理。新舊直流電源柜特點(diǎn)比較見表一。

表一

　　*分母表示二種產(chǎn)品的相對比較值

三、新型直流柜的選擇

　　由表一可見，新型直流柜各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于舊式直流柜，特別是考慮到今后少人(或無人)值守的需要，計(jì)算機(jī)通信和管理的普及，新型直流柜是順應(yīng)這一發(fā)展的必然選擇！高頻開關(guān)電源采用模塊式結(jié)構(gòu)，所有模塊允許并聯(lián)工作，以增大電流，其配置原則是采用(N)+1的備用方式。監(jiān)控、測量、通信保護(hù)用的微機(jī)系統(tǒng)，也設(shè)計(jì)成相同尺寸的模塊結(jié)構(gòu)。為了組屏方便，把數(shù)個(gè)高頻開關(guān)電源模塊和1個(gè)監(jiān)控模塊集成在一個(gè)框架中，這就構(gòu)成了新式：自流柜的核芯，把該核芯置入直流柜中，這個(gè)柜就具備了以上新型直流電源柜的所有功能和優(yōu)點(diǎn)。核芯的組成和結(jié)構(gòu)見下圖。

直流電源柜更新?lián)Q代有兩種方式可以選擇：一種是訂購全新的成套直流電源柜，通常150Ah/220V及以下系統(tǒng)只需2面柜，65Ah/220V則只需1面拒。另一種是采用舊式直流柜置人核ZX芯的換芯術(shù)，也就是用數(shù)個(gè)高頻開關(guān)電源模塊加1個(gè)監(jiān)控模塊取代可控硅整流器和控制電路。下面就兩種方法的利弊列于表二，以便于比較和選擇。對于直流電源相的更新?lián)Q代，有兩種方式可以選擇：一種是訂購全新的成票直流電源柜，通常150Ah/220V及以下系統(tǒng)只需2面柜(舊式則3面柜)，65Ah/220V則只需1面柜。另一種是采用上面提到的置入核芯的換芯術(shù)，也就是用數(shù)個(gè)高頻開關(guān)電源模塊加1個(gè)監(jiān)控模塊取代可控硅整流器和控制電路。兩種方法的利弊列表二，以便于比較和選擇。

表二

類型 項(xiàng)目 容量 更換時(shí)間 增加新功能 受制因素 價(jià)格 新訂 不限制 1天 可以 無 高(100%) 換芯 不限制 1～2天 可以 有 低(50%)

　　新訂成套直流柜容量大小不限，沒有受制因素，但價(jià)格較高。換芯的直流柜最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，在換芯的同時(shí)，還可按用戶需要增加一些新功能，如電池組巡檢、饋線支路絕緣巡檢等。但舊直流柜具備以下條件才有換芯價(jià)值：1)被取代的部件已出現(xiàn)故障又難于修復(fù)，且保留的開關(guān)、表計(jì)、柜體(含保護(hù)電器等)基本完好；2)繼電保護(hù)和監(jiān)控實(shí)現(xiàn)微機(jī)化后，舊式柜無法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信、三遙(或四遙)等新功能。

四、關(guān)于閥控鉛酸蓄電池

　　根據(jù)DL/T724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運(yùn)行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，無論酸性還是堿性蓄電池，運(yùn)行人員除了進(jìn)行常規(guī)的外觀、溫度、電流、電壓的巡檢、測試外，還需定期進(jìn)行核對性容量測試，以確保電池組的完好。檢測中如果發(fā)現(xiàn)單只或整組電池容量小于額定容量的80%，則視作該電池?fù)p壞必須更換。早期使用電爐、水阻等負(fù)載放電來測試容量的方法，準(zhǔn)確度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；目前已較多采用微機(jī)控制的智能容量測試儀。目前電力系統(tǒng)中使用最多的閥控鉛酸蓄電池，早期曾被稱作免維護(hù)電池，曾經(jīng)誤導(dǎo)了部分運(yùn)行人員，認(rèn)為這類電池不需要巡視、檢測和維護(hù)，使故障電池帶病運(yùn)行，釀成了諸如發(fā)電機(jī)燒毀等重大事故。對于各型發(fā)電廠、樞紐變電站直流柜的電池組，建議選用智能蓄電池在線監(jiān)測裝置，既可測量每節(jié)電池的電流、電壓、溫度、容量，還可以測量每只電池的內(nèi)阻，從而及早識別并更換有潛在故障的電池。蓄電池的好壞無法用常規(guī)的電流、電壓測量來判別，目前行之有效的方法有兩種：一種是對電池組作實(shí)際的容量放電測試，另一種是測量電池的內(nèi)阻(僅為毫歐級)，內(nèi)阻愈大其容量愈小，當(dāng)內(nèi)阻大于某一值，容量必然低于額定容量的80%，此結(jié)論為業(yè)界所公認(rèn)。