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1 前言
城市和农村电网建设改造是国务院统一部署拉动经济、实现国民经济增长目标的重要举措，也是电力企业开拓市场、满足各方面对电力需求的一项紧迫任务。电网建设改造自1998年开始部署以来，有许多省市已开始从规划、设计、设备订购、施工等各方面逐步实施，取得好的效果，城市农村电网的设备采用要按照安全可靠、技术先进、经济适用、节约能源的国产化设备的原则。设备的选择要注意小型化、无油化、自动化、免维护或少维护。
直流系统是电网建设改造的变电所重要组成部分，它直接影响电力系统和设备的安全可靠运行。由于直流系统的故障使系统停电、设备损坏的事故时有发生，故设计、运行各方面都非常重视。近年来，由于阀控式密封铅酸电池和高频开关整流器具有技术指标先进、少维护、效率高、体积小等特点、提高了直流系统的可靠性和自动化水平，故受到设计和运行人员的好评。
高频开关整流器在邮电系统已广泛采用，电力系统近年来也逐步使用，国内广西桂林电厂、云南漫湾电厂及广东黄浦发电厂及220kV以上区域变电所和许多无人值班的变电所使用，有较好的效果，科研生产单位有深圳奥特讯、华为及珠海金电、泰坦，烟台的东风等电源公司，本文将介绍高频开关整流装置的原理、特点及直流系统应用中的有关问题，供大家参考。
2 技术性能及特点
高频开关频率结合脉宽调制(PWM)技术的研究和应用，使开关电源迅速发展。目前，开关频率提高到100—500kHZ左右，功率开关管器件已有纵向金属氧化物半导体场效应管 (vmosfct)、绝缘双极晶体管(IGBT)和其他新型器件等用于高频开关电源回路，进一步提高了开关频率及技术性能，使电源设备更小型化、轻量化。高频开关整流装置种类较多，其性能指标比以往的可控硅整流器和硅整流器等优越，其主要指标见表1。
3 高频开关整流装置原理和接线
直流系统的蓄电池充电装置根据负荷要求可为几十安至几百安，因高频开关模块目前生产的110V为5～30A，220V为5～20A，故充电装置要由多个模块并联组成，高频开关整流装置的直流系统框图见图l所示。
各个厂生产的高频开关模块元器件和内部接线有少量差异，但其原理是相似的，现以一个比较典型的模块原理框图见图2为例介绍如下：
模块由交流输入单元、DC／AC逆变单元、直流输出单元和控制监测单元等组成。交流输入单元由所用电380／22OV输入经防御雷击或其他高压冲击的抑制尖峰电压和滤波的阻容保护器，经三相全波整流器输出电压经滤波器后变成直流，某些单位在直流侧装设电容器和非线性电阻，再次防止交流侧输入的过电压，保证DC／AC逆变单元的元器件免受损坏及干扰信号不进入直流侧，同时也可抑制高频电源对电网交流侧的干扰。DC／AC高频逆变单元将直流变为高频交流电。逆变器的高频开关由脉冲调制电路输出信号控制，输出高频方波或正弦波电位，接到高频变压器的输入侧，高频变压器铁芯为铁氧体或非晶体制成，有很好的高频传递特性、效率高、体积小，变压器输出经整流桥和滤波器等组成的直流输出单元后输出平稳直流。
充电装置由若干个模块并联组成，一般都为N十l备份冗余方式，即充电电流由N+I模块输出提供，采用自动均流措施(不平衡度不大于5％)，如直流负荷50A，可选择10A的模块6个，即5+1，6个模块同时工作，每个模块平均分配电流为50／6=8．34A，当其中一个模块故障，装置发出报警信号，这时负荷由另外5个模块均流负担，不会影响正常供电，可将故障模块更换。
阀控密封铅酸电池的充电装置用模块数量见表2
控制监测单元，由微处理器构成，可为液晶显示器或CRT显示，采集直流母线、充电装置和蓄电池等的信息，实现以下功能：1)按蓄电池充放电程序自动控制充放电过程、如实现运行预定充电程序控制，长期浮充电运行后，自动充电程序控制；交流电源消失恢复后，自动充电程序控制等方式。2)显示直流系统的运行状态及故障和异常信号报警。3)设运行状态和报警信号的标准通信接口(RS232或RS485等)，实现遥信、遥控、遥测和自检功能。
有些单位还可实现母线的电压监测、绝缘电阻的测量报警及蓄电池环境温度和内电势测量显示等。
大多数制造厂的控制监测单元为充电装置共用CPU微机监控系统，接受公用信号，输出模拟量对模块的高频开关进行控制和模块均流及其他功能。也有些制造厂除公用的总CPU外，每块模块分别设CPU接受总CPU的数字量输出、对模块进行控制。
4 直流系统接线及几点建议
原直流典型设计GZDW、PED型直流成套装置(柜)或部分制造厂的成套装置(柜)，蓄电池采用防酸隔爆铅酸电池或镉镍碱性电池，充电设备采用相控整流器或硅整流器充电装置，随着阀控密封铅酸蓄电池和高频开关整流装置的应用，上述成套装置(柜)的制造厂均按原直流系统接线(单母线或单母线分段)及屏(柜)结构，作少量修改即装设阀控电池和高频开关整流装置，以满足用户的需要。由于各设计单位和制造厂根据不同角度考虑，使直流系统设计较为灵乱，很有必要在总结目前运行和产品制造的基础上，将原典设作部分修改成新型直流屏 (柜)，使产品能规范化，提高直流系统的可靠性，更好的满足用户的要求。为此，建议新型直流屏考虑以下几个问题。
4．1 直流系统主要设备选型
阀控密封铅酸蓄电池具有以下特点：1)无需添加水和调酸的比重等维护工作，具有免维护功能；2)不漏液、无酸雾，不腐蚀设备；3)自放电电流小，25℃下每天自放电率2％；4)电池寿命长，25℃浮充电状态使用，寿命可达15—20年；5)结构紧凑、密封性好，抗震动性能好；6)不存在镉镍碱性电池的“记快效应”(指在循环工作时容量损失较大)的缺点，国内已有深圳华达公司、杭州南都电源公司、成都金牛电源厂等生产。阀控电池在发电厂和变电所，尤其是无人值班电所使用较为优越。通过全国许多发电厂和变电所的使用，性能良好，基本满足运行可靠性要求。但阀控电池对温度的反映较灵敏，对充电电源要求较严格，不允许过充和欠充。从上述介绍的高频开关整流装置的性能更好地满足阀控电池的要求，故建议采用阀控电池的直流系统宜采用高频开关整流装置。当前阀控电池价格较贵，随着它的广泛使用，希望电池厂提高经济效益、降低成本，推出合理的价格，供用户选择。
以往直流系统采用熔断器或交流空气断路器较多，由于它的时间特性误差不便配合，及灭弧性能不好等原因造成系统故障的机率较高。目前北京人民电器厂等制造的直流断路器，采用磁砍、移动细隙形灭弧室和JC绝缘、四重加速窄缝分断技术等，有灭弧迅速、分断能量高、时间短等优点，在许多单位中使用，反映较好，建议今后在直流系统中应尽量采用直流断路器。
4．2 充电装置的台数和高频开关模块数量
按《火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定DL／T5044—95》规定：“发电厂变电所设1组蓄电池应装设2套充电装置。2组相同电压的蓄电池应装设3套充电器装置”。《35～ 110kV无人值班变电所设计规程》(送审稿)规定：“无人值班变电所宜采用性能可靠，维护量小的阀控密封铅酸蓄电池，充电整流器宜采用智能型高频开关电源充电装置”“作为充电、浮充用的整流装置宜使用一套，66KV以上变电所可采用双充电装置或具有热备用部件的充电装置”。根据上述要求，对发电厂及大型变电所宜采用2套充电装置。对中、小型变电所采用高频开关整流装置时，因高频开关电源模块按N +1原则设置，1个模块故障不影响充电装置工作。同时直流系统中充电装置与蓄电池同时工作，充电装置短时故障停用，蓄电池仍工作，在短时内对直流系统运行影响较小，此时，有充电装置故障信号发送至远方控制中心或调度所，派人来处理是可以的。如果远方控制中心离所管辖的变电所距离较近，在控制中心设一套公用的充电装置作备用，也是可以考虑的。故为简化接线及减少投资，设一套电源模块N十1的充电装置是合适的。
4.3直流母线降压装置
由于以往变电所采用合闸电流较大（90A及以上)的断路器操动机构，或直流负荷离控制地点距离差异较大，或在电池充放过程中电压降较大等原因，在电池输出回路或控制与合闸母线间设硅堆降压装置(采用端电池或降压电阻调压的方式一般已不采用)，如图3示。
硅堆降压装置采用多组，每组多个硅堆串并联组成，使接线与布置复杂，增加运行管理工作和投资，目前发电厂和变电所的断路器多采用弹簧、液压等合闸电流很小(2—5A)的操动机构，采用电磁操动机构很少，对城市、农村变电所接线较简单，布置较集中，是否必须设降压装置应在工程设计中通过计算论证来决定，现以表4的计算为例说明如下：
对阀控电池和镍镉电池，因过高或过低电压充电会使电池损坏或寿命缩短，故一般不用核对性充放电，而采用均衡充电和浮充电运行方式。《火力发电厂变电所直流系统设计技术规定》对控制负荷母线电压为85～110%额定电压，动力负荷母线电压为87．5—112．5％，考虑直流母线到负荷的电缆压降2．5—5%，直流母线到蓄电他间电缆压降在事故放电时按1％计算，蓄电池端电压对动力负荷的最低电压要求为88．5％，对控制负荷的最低电压要求为 86％。从表3可看出，阀控电池的直流系统母线电压波动范围基本满足要求。而镉镍电池除在均衡电时电压为114．4％Ue，略高于要求值 12．5％外，其余也满足要求。因此，对中小容量变电所，尤其35一110KV无人值班变电所为简化接线及布置，对阀控电池直流系统一般情况不应设降压装置。对镉镍电池直流系统，均衡充电时电压略高一些，因时间不长也可不设降压装置。对大型火电厂或区域变电所，动力负荷较大，如以提高蓄电池l～2级容量，满足事故放电末期的电压要求，经济上合适时可以不设降压装置，如果经济上不合理时，才考虑设降压装置。
4.4 充电装置的控制与监测功能
从以上充电装置的控制监测单元的介绍可知，该单元满足蓄电池的充放电程序功能及保证模块均流的功能是必要的，而直流母线绝缘监察和电压监视功能及对蓄电池内电势测量的功能是否设置，目前有三种做法：一种是充电装置具备全部功能，直流系统仍保留原专用装置，第二种是充电装置具备全部功能，直流系统不另设专用装置；第三种是充电装置不设直流母线的绝缘及电压测量且蓄电池电势测量功能。由原专用装置完成。
目前常用的直流绝缘监察和电压监视专用装置有继电器构成的老式装置及ZYJ型(南京自动化研究院)WZJ型(武汉琴台电力技术研究所)和ZJD一4型(温州星矩电控有限公司)等微机构成的装置，约2万元一台，其功能基本上能满足要求，一般是直流母线上装一套(单母线分段通过切换开关切换也设一套)。故我们认为绝缘监察和电压监视装置不宜重复设置，如果充电装置增加该装置功能不增加大的复杂性及费用时也可考虑，但在母线上不另设专用装置。
蓄电池内电动势测量，要以环境温度和蓄电池充放电过程电池内部的情况作为判据，接线较复杂且准确度较差，目前无成熟的产品，故我们暂不推荐在系统中使用，待有经验后再研究。
高频开关整流装置的控制监测单元是装置的核心，它采用时间比率控制电源，其控制脉冲调制方式可为脉冲宽度调制型、脉冲频率调制型和混合调制型等多种类型．其中脉冲宽度调制型(PWM)为最多，(PWM)具有效率高、输出电压保持时间长，可防止过电压危害，输出电压和电流可以互补等优点，但有电路较复杂，输出纹波较大，动态响应稍差等缺点，目前有些单位采用准谐振技术，即用准谐振零电流开关或零电压开关，通过开关元件的电流或电压波形近似正弦波，形成了开关开通和关断瞬间过零的条件，这种技术可进一步提高工作频率，开通损耗小等优点．随着新器件的出现，高频开关的技术将不断的发展，更能满足直流系统的要求。
4．5 为简化直流系统的接线，提高运行的可靠性和管理水平，首先应提高直流系统的自动化水平的设备质量，尽量减少与远方控制中心或调度所的信息传输。变电所能自动改变各种运行工况，满足电池的充放电过程及监视要求。根据《35一110KV无人值班变电所、设计规程》的讨论，认为只有保留必需的远传信息，模拟量有母线电压，蓄电池电压和电流，充电装置的直流输出电压和电流，直流母线的绝缘水平。开关量有母线接地信号，母线电压异常，充电装置故障。
信息传输接口与远动装置或DCS监控系统通信，应采用标准的通信规约RS一232及 RS485等，同时也有接点输出，以适应更广泛的用户要求。
5 小结
5．1 无人值班变电所的直流系统宜采用阀控密封铅酸蓄电池和高频开关整流装置。
5．2 一般变电所只设一套高频开关整流装置其充电模块为N+1冗余配置。
5．3 高频开关整流装置的控制监测单元是装置的核心，其功能应以满足电池充放电程序和模块均流要求为主，母线绝缘监察和电压监测和电压监测装置全所直流系统共用一套。
5．4 一般变电所有简化接线和布置，不设硅堆降压装置。
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