變電站內的繼電保護、自動(dòng)裝置、信號裝置、事故照明和電氣設備的遠距離操作，一般采取直流電源，所以直流電源的輸出質(zhì)量及可靠性直接關(guān)系到變電站的安 全運行和平穩供電。
直流系統改造的目的和必要性
變電站的直流系統被人們稱(chēng)為變電站的“心臟”，可見(jiàn)它在變電站中是多么的重要。中原油田的電力系統始建于上世紀70年代末，因受當時(shí)技術(shù)條件的限制，陸續建起的變電站直流系統設備有的為硅整流電容補償直流電源，有的為帶有鉛酸蓄電池的KGCA—50/98～360、KGCFA—75/200～360型硅整流直流電源，有的為BZGN—20/220型鎘鎳電池直流屏。部分投運較早、運行時(shí)間較長(cháng)的變電站直流設備老化嚴重，給變電站的安 全、可靠運行帶來(lái)了嚴重的威脅。如某110kV變電站就曾因直流系統故障，造成越級跳閘，導致全站失電的惡性事故。其它各站雖未發(fā)生大的事故，總因直流系統經(jīng)常發(fā)生問(wèn)題，缺陷較多，有的缺陷無(wú)法處理，致使直流系統長(cháng)期處于“帶病”運行狀態(tài)，導致給用戶(hù)無(wú)法正常供電。
隨著(zhù)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，為提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，使電網(wǎng)安 全、經(jīng)濟運行，并實(shí)現電力系統的自動(dòng)化，從而對電力控制系統的關(guān)鍵設備—控制電源的要求也越來(lái)越高。而原來(lái)的直流設備均采取傳統的相控電源，效率低、紋波系數大，在電磁輻射、熱輻射、噪聲等方面都不盡人意。另外，監控系統不完善，采取1＋1備份方式，對二次電路越來(lái)越先進(jìn)的儀器儀表、控制、自動(dòng)化設備很難滿(mǎn)足其技術(shù)要求。此外由于相控電源浮充電壓易波動(dòng)，會(huì )出現蓄電池脈動(dòng)充放電現象，對免維護蓄電池損害極大，影響電池壽命。加之其它設備改造和新設備的投入，原來(lái)的相控電源已遠遠不能滿(mǎn)足中原油田電力系統的需要，急需進(jìn)行改造更換，才能保證電氣設備的安 全運行和平穩供電。而智能高頻開(kāi)關(guān)電源由于其體積小，重量輕，技術(shù)指標優(yōu)越，模塊化設計，N＋1熱備份方式，便于“四遙”等優(yōu)點(diǎn)，已在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。上世紀90年代以后，國外先進(jìn)工業(yè)國家新建或改造電廠(chǎng)和變電站已全部采用高頻開(kāi)關(guān)電源，其蓄電池亦全部采用免維護蓄電池。為了實(shí)現中原油田電網(wǎng)設備達到同行業(yè)先進(jìn)水平的目標，根據電網(wǎng)實(shí)際情況，直流系統設備改造采用目前先進(jìn)的智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統。
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統的性能特點(diǎn)
為了保證智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統的質(zhì)量，我們組織了多名技術(shù)人員對多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行了考察，了解廠(chǎng)家的生產(chǎn)工藝、規模和實(shí)驗測試手段等情況，經(jīng)過(guò)“貨比三家”后，技術(shù)改造決定使用GZDW—200/220型操作電源。它是專(zhuān)為電力系統研制開(kāi)發(fā)的新型“四遙”高頻開(kāi)關(guān)電源，采取高頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，模塊化設計，輸出標稱(chēng)電壓為220V，配有標準RS？232接口，易于與自動(dòng)化系統對接，適用于各類(lèi)變電站、發(fā)電廠(chǎng)和水電站使用。此設備有下列性能特點(diǎn)：
1）模塊化設計，N＋1熱備，可平滑擴容。
2）監控功能完善，高智能化，采取大屏幕液晶漢字顯示，聲光告警。
3）監控系統配有標準RS？232接口，方便接入自動(dòng)化系統，實(shí)施“四遙”及無(wú)人值守。
4）對蓄電池自動(dòng)管理及自動(dòng)維護保養，實(shí)時(shí)監測蓄電池組的端電壓，充、放電電流，自動(dòng)控制均、浮充以及定期維護性均充。
5）具有電池溫度補償功能。
6）模塊可帶電插拔，更換安 全方便。
7）降壓方式采取新型高頻軟開(kāi)關(guān)無(wú)級雙向調壓，摒棄傳統硅堆降壓方式，輸出電壓精度高，動(dòng)態(tài)響應速度快。
8）采用zui新軟開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，采用進(jìn)口器件。
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統的組成及各部分作用
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統由交流配電，絕緣檢測，監控模塊、整流模塊、調壓模塊，直流饋電等組成。
交流配電為系統提供三相交流電源，監測三相電壓、電流及接觸器狀態(tài)；判斷交流輸入是否滿(mǎn)足系統要求，在交流輸入出現過(guò)壓、欠壓、不平衡時(shí)自動(dòng)切斷有故障的一路，并切換到另一路供電，系統發(fā)出聲光告警。裝有每相通流量40kA、響應速度為25μs的三相避雷器，能有效地防止雷擊對設備造成的損壞。
絕緣監測采用進(jìn)口非接觸式直流微電流傳感器，利用正負母線(xiàn)對地的接地電阻產(chǎn)生的漏電流，來(lái)測量母線(xiàn)對地的接地電阻大小，從而判斷母線(xiàn)的接地故障。這一技術(shù)無(wú)須在母線(xiàn)上疊加任何信號，對直流母線(xiàn)供電不會(huì )有任何不 良影響，徹底根除由直流母線(xiàn)對地電容所引起的誤判和漏判，對于微機接地監測技術(shù)是一重要突破。
監控模塊是整個(gè)直流系統的控制、管理核心，其主要任務(wù)是對系統中各功能單元和蓄電池進(jìn)行長(cháng)期自動(dòng)監測，獲取系統中的各種運行參數和狀態(tài)，根據測量數據及運行狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行處理，并以此為依據對系統進(jìn)行控制，實(shí)現電源系統的全自動(dòng)精 確管理，從而提高電源系統的可靠性，保證其工作的連續性、安 全性和可靠性。具有“遙測、遙信、遙控、遙調”四遙功能，配有標準RS？232接口，方便納入電站自動(dòng)化系統
整流模塊為合閘母線(xiàn)、控制母線(xiàn)提供正常的負荷電流，本身具有LCD漢字顯示、操作鍵盤(pán)，模塊工作狀態(tài)和工作參數一目了然，可以帶電插拔，具有軟件較準，自主均流、ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。
調壓模塊無(wú)論合閘母線(xiàn)電壓如何變化，輸出電壓都被穩定控制在220（1±0.5％）V，具有帶電拔插技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和雙向調壓特性。
直流饋電設有控制輸出、合閘輸出、電池輸入、閃光、事故照明、48V電源輸出等?？刂颇妇€(xiàn)有三種途徑供電，確?？刂颇妇€(xiàn)供電安 全可靠。配有智能直流監控單元，可測量母線(xiàn)電壓、電流及開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。
電池巡檢儀對電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，將信息及時(shí)反饋到監控模塊。
蓄電池全密閉、免維護、無(wú)污染、無(wú)腐蝕，任何方向可放置使用，使用溫度范圍寬（－40℃～60℃）；深放電至零伏，24h內充電可恢復；可大電流放電，起動(dòng)電流大，自放電率極低，具有安 全防爆排氣系統，是理想的操作、控制不間斷電源
直流系統設備改造中改進(jìn)的問(wèn)題
1）改進(jìn)了新設備直流饋出線(xiàn)部分的不合理布置。為節省投資，我們利用原來(lái)直流系統的控制、信號及合閘電路的出線(xiàn)，但與新設備饋出線(xiàn)的位置及大小都不相適應，為此，我們對新設備直流饋出線(xiàn)部分按現場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了改造，使安裝更加容易，布線(xiàn)更為合理，運行更加可靠
2）添加了蓄電池的放電電路。
3）結合中原油田電網(wǎng)實(shí)際，對設備出廠(chǎng)時(shí)參數設置的不適應之處進(jìn)行了改變，保證設備運行后更加可靠。
4）對閃光繼電器等電氣元件安裝位置進(jìn)行了調整。原元件安裝位置不盡合理，損壞后不便維護、更換，改造后的位置便于維護，省時(shí)省力。
5）對模塊監控單元、直流監控單元、交流監控單元進(jìn)行了改進(jìn)，增加了防護蓋以防短路、灰塵進(jìn)入等。
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統應用情況
改造后的直流系統設備經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的運行，技術(shù)指標合理，各項參數顯示正確，操作方便、直觀(guān)，自動(dòng)化程度高，維護工作量大幅度減少，設備保護功能齊全，能可靠動(dòng)作。反映故障及時(shí)且準確無(wú)誤，對電池能自動(dòng)管理無(wú)須專(zhuān)人維護，設備運行穩定可靠，從未發(fā)生影響正常供電的現象。
改造后的直流系統與原來(lái)的直流系統相比較，性能穩定，精度高，安 全、可靠，保證了油田的油氣生產(chǎn)，居民生活及醫院、道路等的用電，降低了噪音，改善了值班人員的工作環(huán)境，確保了變電設備安 全可靠運行，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，主要體現在以下幾個(gè)方面：
1）原來(lái)的相控電源紋波系數大，其輸出含有的交流成份較大。尤其是趙村變電所zui為明顯，交流成份含量更高，對二次設備影響zui大，造成二次設備誤動(dòng)、損壞、甚至有的設備無(wú)法正常工作。而改造后的智能高頻開(kāi)關(guān)電源紋波系數很小，輸出特別穩定。
2）原來(lái)的相控電源采用硅堆調壓，硅降壓響應速度慢，反應時(shí)間為幾十毫秒，輸入電壓突變時(shí)在輸出上會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊，因沖擊不穩定而易燒壞二次設備。而改造后的高頻開(kāi)關(guān)電源采用無(wú)級調壓方式，響應速度快，輸入電壓突變時(shí)，模塊在200μs內調整完成，過(guò)沖小于5％。
3）原來(lái)的相控電源充電機、浮充機等噪音較大，且無(wú)降溫措施，有的變電站浮充機發(fā)熱嚴重。而改造后的智能高頻開(kāi)關(guān)電源噪音小，模塊采用優(yōu) 質(zhì)風(fēng)機降溫，保證了模塊元器件正常工作，使值班人員的工作環(huán)境大大改善。
4）原來(lái)用的是鉛酸電池或鎘鎳電池，既需要專(zhuān)門(mén)設置蓄電池工進(jìn)行維護、保養，還需要配備維護電池用的有關(guān)容器、儀表、原料、蒸餾鍋、蒸餾水等。而改造后用的是美國“理士”免維護電池，平時(shí)不需要進(jìn)行一系列的維護工作，減少了人力物力。
5）原來(lái)的相控電源功率因數低，一般在0.7以下，效率在60％左右，而改造后的智能高頻開(kāi)關(guān)電源功率因數達0.9以上，效率高達94％以上。
6）原來(lái)的相控電源經(jīng)常出現故障，有時(shí)因無(wú)法操作送電而造成原油生產(chǎn)損失，如1997年9月23日某110kV變電所因直流系統故障造成越級跳閘，全站失電，燒毀35kV線(xiàn)路3公里，其經(jīng)濟損失高達400多萬(wàn)元；近幾年直流系統經(jīng)常出現各種故障給油氣生產(chǎn)造成了很大的損失，同時(shí)也給居民用戶(hù)生活帶來(lái)不便、給工業(yè)用戶(hù)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。而改造成智能高頻開(kāi)關(guān)電源后，直流系統至今未發(fā)生任何事故，供電更加可靠
7）改造后的智能高頻開(kāi)關(guān)電源具有48V電源出口，為變電站的通訊網(wǎng)絡(luò )等提供了電源，不必另外購置專(zhuān)門(mén)的48V電源，減少了設備的投資和占用空間
8）改造后的控制母線(xiàn)有下述三種途徑供電，確保了控制母線(xiàn)供電安 全可靠，做到了萬(wàn)無(wú)一失。
—在交流電正常時(shí)，控制母線(xiàn)可由整流模塊直接供電；
——在交流失電時(shí)，由降壓模塊供電；
——從電池90％電壓處通過(guò)二極管供電到控制母線(xiàn)。
由于改造后的智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統性能穩定，精度高，安 全、可靠性更強，創(chuàng ) 新點(diǎn)多，收到了良好的效果，取得了明顯的社會(huì )和經(jīng)濟效益，為中原油田的油氣生產(chǎn)及其它負荷提供了可靠的電力保障。同時(shí)也為變電站實(shí)現自動(dòng)化奠定了基礎。