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摘要：变电站直流电源系统由直流充电装置（充电机）蓄电池组、馈电柜、直流馈出网组成。正常运行时，直流馈出负荷与蓄电池组并联在充电机输出端两侧，充电机即给蓄电池组浮充电又向直流馈出负荷供电（蓄电池组处于备用状态），由于充电机的工作电源为三相交流电源，所以在变电站交流失电的情况下，所有保护、测控、信号、事故照明及UPS等所用电源均由蓄电池组提供。因为变电站直流电源系统对电力系统的安全可靠运行起着重要作用，因此对变电站直流电源系统的解读十分重要。
关键词：快速解读；变电站直流电源系统；组成；原理；运行及验收要求
0引言
随着我国经济的发展，我国的电力工业也得到了大力发展[1]。本文是根据工作多年所积累的经验并结合国家电网公司的相关规定[2-8]，并结合文献[9-15]，对变电站直流电源系统进行全面介绍，对系统设计规则从直流系统总体设计规则、直流充电装置、绝缘检测装置、蓄电池的配置、馈电柜以及直流馈出网构成进行了深入地阐。
1蓄电池组
蓄电池组是直流电源系统的核心与心脏，其能够在正常情况下将电能转化为化学能存储在电池中，又能够在断电情况下将化学能转化为电能提供给负载电源设备，对蓄电池组的维护是直流电源系统的核心工作。
1.1蓄电池结构及其原理：
在变电站中，多使用铅酸蓄电池，正极板为二氧化铅怕PbO2负极板为铅Pb中间介质是硫酸H2SO4电池放电时正、负极板都生成“垃圾”硫酸铅（PbSO4）也叫极板的“硫化”现象、中间介质也变成水，使电池容量逐渐减少。
图1铅酸蓄电池基本结构示意图
单只蓄电池顶部都有一个放气安全阀（多为圆形凸起），正常运行时处于关闭状态；当内部产生气体压力过大（如发生短路、温度过高等）达到开启值时，安全阀自动打开排气，当内部气体压力减小时又自动关阀。安全阀上有过滤装置保证排出的气体无毒、无味不会造成任何危害。
1.2蓄电池的浮充电压与直流母线电压的关系
浮充电压是指在电源供电系统中，当蓄电池处于充满状态时，充电器不会停止充电，仍会提供恒定的浮充电压与很小浮充电流供给电池，利用浮充的方式，平衡蓄电池的自然放电。对于不同型号的蓄电池，其浮充电压不同，220kV及以上变电站都用额定电压2V的蓄电池，浮充电压一般在（2.23V-2.25V）之间；66kV变电站大多都用额定电压12V的蓄电池，浮充电压一般在（2.23X6V-2.25X6V）之间。当采用104只电池时直流母线为一组时，母线电压为104X（2.23V-2.25V）；如采用108只电池时，直流母线为两组一条正母线合闸母线+HM、一条正母线控制母线+KM、一条负母线共用（—HM、—KM）；+HM电压通过自动调压装置（硅链）把电压降到+KM（一般比合母电压下降10V左右）。此时合母（HM）与负母线之间的电压为108X（2.23V-2.25V）V为合母电压（也为蓄电池组电压）；控母（KM）与负母线之间的电压为控母电压。对于实际变电建设，新建或两组蓄电池、两套直流系统同时改造的变电站，都采用104只电池。
1.3蓄电池组的10小时放电率与电池组数关系
10小时放电率是指用规定的电流恒流放电10小时，放电电流和放电时间的乘积。
对充电饱满的蓄电池组，其处于浮充电状态时，如变电站只有一组蓄电池，则放电时只允许放出50%的电池容量因为没有其他电池组转带它本身所带负荷；而蓄电池组又不允许脱离母线，所以只能带负荷放电。即有：10小时放电电流（I10=容量/10）。如电池容量为100AH，则就用I10=100/10=10A（负荷电流加放电仪电流）放电5小时；以此类推200AH就是I10=20A放电5小时。如果在放电到5小时前，有的电池电压已经降到（2V电池）为1.8V（为了可靠实际选1.9V）；12V电池为1.9X6V则应立即停止放电，并充电到浮充状态再放电；如此三个循环都达不到50%，则提申请更换整组蓄电池。
如变电站有两组蓄电池，放电前将该放电电池组所带负荷用另一组转带后再放电，此蓄电池组要求放电100%，即放电10个小时；同样在放电到10小时前有的电池电压已经降到(2V电池)为1.8V（为了可靠实际选1.9V）；则立即停止放电并充电到浮充状态再放电；如此三个循环都达不到100%，（新更换的蓄电池组或新站必须达到100%才合格；运行2年及以上的蓄电池组只要达到80%及以上就为合格即最低放出80%）如达不到上述要求，则提申请更换整组蓄电池。
1.4蓄电池放电后进行充电时的三个阶段及各阶段的特点
蓄电池放电结束后，充电机投入运行，开始给蓄电池组充电，采用和放电电流同样大小电流对蓄电池组充电，如300AH，30A放电合格后启动充电机，充电机自动用30A给其充电，这是保证蓄电池组10小时率充放电的原则，充电时充电机的输出有三个阶段（1）恒流主充阶段，但是电压不断上升。（2）恒压均充阶段，对于2V蓄电池而言，当电池组单只电池电压都平均达到2.3V时，充电机电压就保持不变不再上升，同时电流逐渐减小，此过程通常叫做均充电。由于此过程充电电压不断上升超过了平时的浮充电压，这是蓄电池大容量放电后的补充充电的正常运行方式（3）恒压浮充阶段，当充电电流逐渐减小到0.01C时，如300AH就是:0.01X300=3A时，理论上再过3小时充电机就自动转为浮充状态即变为浮充电压，回到正常运行状态，此时浮充电流为(1-2mA)/AH。
1.5两组蓄电池适用变电站及蓄电池组最佳运行状态
220kV及以上的变电站适合两组蓄电池组，正常运行时分列运行；异常情况或倒负荷时，两组电池的一组所带直流负荷可由另外一组蓄电池相互转带。
阀控蓄电池运行温度范围：15-30℃，蓄电池组运行的最佳温度为25℃，温度过高及过低都会影响蓄电池的端电压、容量和寿命。300AH以下的蓄电池组允许和充电装置同室安装，并安装在电池柜内，采取卧放比较好，这种安装方式使极板面朝外，透过电池柜的玻璃门方便观察，能够及时发现问题，便于更换，具有实用性。
1.6不同容量蓄电池组的安装及运行要求
300AH及以上蓄电池组应安装在独立的蓄电池室内电池架上并防止阳光直射，同时，蓄电池室内应有防爆型自动调温的温控器、排风扇及防爆灯，如采用暖气，则跑风、阀门应安装在室外；如充电装置发生故障，或交流电失电导致充电机无输出，或如电力元件（变压器、线路等）发生故障由于相应保护装置无直流电源而拒动，就会造成越级跳闸事故。电源开关、插座等应安装在门外；电源线应采用耐酸碱的导线；蓄电池室的门应向外开启。
两组蓄电池同室安装时，两电池组之间应有防火墙隔离，蓄电池之间及整组蓄电池与充电机相连接的直流电缆应采用阻燃电缆如整组蓄电池与充电机相连接的直流电缆无独立通道；则在穿越电缆竖井时，应加装金属套管，防止其他电缆着火引起并烧断蓄电池组电缆，使蓄电池组脱离直流母线导致越级跳闸；蓄电池组电缆与充电机连接处应安装熔断器，一方面有利于和下一级空开容易实现级差配合，另一方面熔断时有明显的断开点，这就是《十八项反措》[7]规定除蓄电池组出口必须使用熔断器外其他回路用直流专用空开所代替的原因。
2高频充电装置
2.1充电机的组成及其基本原理
充电机由交流配电单元（交流进线电源、整流滤波单元（充电模块）、调节控制单元（监控器）、直流输出单元（直流馈出线）所组成。交流380V电源（交流配电单元）给整流滤波单元(充电模块)进口供电，经过一系列整流滤波使它达到要求范围内的直流波形；再经过监控器（调节控制单元）控制，变成可调的直流电压、电流；最后经过（直流输出单元）直流馈线柜空开，输出符合现场实际需要的直流电压。
2.2充电机的交流电源自动切换及验收操作方法
充电机的工作电源为两路380V交流电源；分别取自不同的站用电，正常运行时两路交流空开都处于热备用，但只有一路交流接触器工作吸合，当此接触器的交流电失电或缺相时就立即停止工作，而同时另一路接触器就自动吸合开始工作；保持充电机正常工作
在新直流系统运行前应做两路交流自动切换试验；在试验前应先核对两路交流接触器A1（黄）,B1（绿）,C1（红）和A2（黄）,B2（绿）,C2（红）的相位必须是A1和A2、BI和B2、C1和C2之间的交流电压相位都为0V。然后才能做自动切换实验，因为一旦发生失电后接点中间存在杂质等特殊情况（如仍连结）就会放生两组交流电，线电压短路事故后果非常严重。
2.3充电机监控器的正常运行数据显示
正常显示数据的内容，包括：（1）直流母线电压；（2）浮充或均充电流；（3）充电机的运行状态（浮充或均充及是否正常）；（4）三相交流输入电压；（5）电池单体电压等。
2.4充电机充电模块N+1法实质及充电机的软启动
充电机的充电模块通常采用N+1模式配置，其实质是当充电模块损坏一只无输出时，不影响充电机的正常运行。
充电机在验收时应检验软启动能力，即交流断电后又通电的能力，观察其是否符合实际运行要求。
2.5充电机的运行要求
充电机监控器中应报警的项目有：（1）直流母线过压、欠压（2）三相交流电压过压、欠压、失电、缺相（3）充电模块故障（4）单只蓄电池电压过高、过低（5）蓄电池组熔断器熔断（6）直流馈出支路空开跳闸（7）直流馈出支路直流接地（8）直流主母线接地（9）充电机避雷器故障等。
新建或改造的变电站选用充电、浮充电装置，应满足稳压精度≤±0.5%、稳流精度≤±1%、输出电压纹波系数≤±0.5%、均流不平衡度≤±5%的技术要求。充电机要同时具备窗口报警（通过通信接口报警）及装置应接点报警两种报警方式，并且这两种方式都要将报警信号传入后台监控。
2.6变电站两套直流系统的并列要求及操作步骤
330kV及以上和重要的220kV变电站的直流系统应满足3台充电机及两组蓄电池的运行要求，第三台充电机能在两套直流系统之间自由切换，两套直流系统分列运行，中间联络开关应处于开位。当一套直流系统因特殊情况（如更换蓄电池组等）需要退出系统运行时，在退出前应将本身的直流负荷由另一直流系统转带，即需满足两套直流系统并列的条件：
（1）两套直流系统的直流电压差应小于等于5V，压差过大一是并列时会造成拉弧另外高电压的电池组就会向低电压的电池组反充电，造成低电压电池组受到冲击而损坏。
（2）两直流系统无直流接地等故障现象，两组跳闸线圈电源等都是分别接在两套直流系统的直流馈出支路上，这些支路一旦有一点接地时，两套直流系统仍带接地并列接地处理不及时，如此保护的另一跳闸线圈回路又发生了接地故障，由于两套直流系统并列后两套直流馈母线就变成了一条母线，这就相当于一条回路有两点接地，从而就可能造成保护装置的误动或拒动而造成或扩大事故。
在并列操作时，应遵循“先合、后拉”法则，即符合上述条件的情况下先合上两套直流系统的联络空开，确定无误后再拉开需要退出运行的直流系统相应的充电机及蓄电池组的空开。必须遵从先把两套负荷并上（先合）再拉开需退出的直流设备（后拉）；确保蓄电池组不脱离直流母线。
2.7两套直流系统不允许长期并列运行
两套直流系统并列后，两系统的两段母线就变成一段母线；同上所述直流馈出支路上，某一保护跳闸线圈等回路一旦有一点接地处理不及时，如此保护的另一跳闸线圈回路等又发生了接地故障，这就相当于一条回路有两点接地，从而就可能造成保护装置的误动或拒动而造成或扩大事故。
两套直流系统各自有一台接地巡检仪，并列后就相当于一段直流母线上有两台接地巡检仪。由于同一段母线检测桥（接地巡检仪）增多就会发生相互干扰产生误报现象。因此，两套直流系统不允许长期并列运行。
3直流绝缘监察装置
3.1直流绝缘监察装置原理及作用
接地巡检仪的原理就是采用电桥平衡原理正常运行时正、负直流母线对地电压为+115V、-115V电桥平衡；不发绝缘降低报警信号。当正、负直流母线发生接地时，电桥就不平衡并且发绝缘降低报警信号。另外，在每一条直流馈出支路上正负输出负荷侧都套一只圆形电流传感器（从直流馈电柜后面接线可清晰看到）正常运行时正负馈出线通过电流传感器的正负电流向量都相等，相互抵消为零，因此不发信号，当正、负馈出支路发生接地故障时，流经此支路电流传感器中的电流向量就会发生改变，使正、负电流向量不在相等而发出具体支路接地报警信号。
图2电桥平衡接地检测原理图
3.2接地巡检仪的报警方式
直流绝缘监察装置（接地巡检仪）具有双重报警方式，压差报警以及接地电阻值报警，实际运行中只要满足其中的任一条即可发出绝缘报警信号。
压差报警：正、负直流母线对地电压压差报警整定值为40V，即当正、负直流母线对地电压压差大于或等于40V时，接地巡检仪应发出压差报警（绝缘降低）信号。
接地电阻值报警：接地电阻报警整定值为25kΩ，当任一直流馈出支路正、负极接地电阻小于或等于25K时，接地巡检仪就能报出具体接地支路。因此，
3.3直流绝缘监察装置的运行要求
直流绝缘监察装置（接地巡检仪）必须满足上述要求外还应该做到以下条件：
（1）用可调电阻（30K可调范围）分别用小于或等于25K的电阻对每一支路正、负极做接地试验，应准确报出接地具体支路和极性及电阻数值（误差≤10%）当接地电阻≤100K时应有绝缘预告警。
（2）接地压差达到或超过40V时，应单独报警或同时报接地报警（即有电阻又有压差报警）。
（3）当有交流成分窜入时（大于或等于10V时）应准确报出具体交流窜入支路。
4直流馈电柜和直流馈出网
4.1直流馈电柜直流空开的运行要求
（1）直流空开必须采用直流专用空开，不能使用交、直流两用空开或交流空开。
（2）直流空开要严格遵循级差配合原则（参见文献[2]中附录A直流断路器选择）。
（3）馈电柜每个空开都要做空开跳闸试验。
（4）馈电柜空开数量应满足直流馈出网辐射型接线要求。
4.2直流馈出网的接线方式
直流馈出网包括：保护柜、测控柜、UPS柜、事故照明、跳合闸回路等，这些直流负荷的接线方式必须采用辐射型接线方式，即从直流馈电柜每个空开单独带本套保护或本回路负荷实行“一对一”配置的接线形式，决不能采用环网（手拉手）或小母线接线方式（一条小母线代n个柜负荷）造成上下极差难以配合，一旦小母线短路就会导致馈电柜总空开跳闸切除本套直流系统全部直流负荷(如保护等馈出直流负荷都接于此段直流母线)此时线路一旦发生事故必然产生越级跳闸。
5结语
变电站直流电源系统直流充电装置（充电机）蓄电池组、馈电柜、直流馈出网组成，本文对蓄电池组运行的原理及其配置、直流充电机的运行方式及其要求、绝缘检测装置的使用要求以及直流馈电柜和直流馈出网进行了详细的介绍。变电站直流电源系统能够在外部交流电中断的情况下，保证由蓄电池继续提供直流电源的重要系统，其可靠性、安全性直接影响到了电力系统的可靠性和安全性，在系统中具有十分重要的作用。
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作者简介：
肖宏义(1968.7-)，男(汉族)，内蒙古通辽市，职称：工程师；研究方向：变电站直流电源系统,单位：国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司。