變配電站操作電源概述

操作電源是保證變配電站正常運(yùn)行的重要條件之一，它為變配電站開(kāi)關(guān)柜提供信號(hào)與合分閘電源；有些變配電站站內(nèi)事故照明也引自操作電源屏。操作電源設(shè)計(jì)不合理或出現(xiàn)故障，不僅會(huì)引發(fā)事故，也會(huì)在發(fā)事故后破壞變配電站繼電保護(hù)的正確動(dòng)作而使事故擴(kuò)大。有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)變配電站發(fā)生的事故中與操作電源有關(guān)的事故占有很大比例，這就要求對(duì)操作電源應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)與管理，從變配電站設(shè)計(jì)與施工開(kāi)始就要保證操作電源的可靠性。

1 操作電源種類(lèi)與應(yīng)用范圍

變配電站操作電源分為直流操作與交流操作兩種。直流操作電壓有220V、110V與48V 三種，交流操作電壓只有220V一種。直流操作可靠性高，但造價(jià)也高，供一級(jí)負(fù)荷的變配電站與大中型變配電站一般都采用直流操作。電力系統(tǒng)中110kV及以上的變配電站都采用直流操作。110kV以上的重要變配電站還采用雙直流操作電源。交流操作電源簡(jiǎn)單，造價(jià)低，電力系統(tǒng)中農(nóng)網(wǎng)35kV變配電站以及城市電網(wǎng)中10kV開(kāi)閉所一般都采用交流操作。
變配電站操作電源要根據(jù)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的種類(lèi)來(lái)設(shè)計(jì)。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)選用直流操作，蓄電池容量都在150AH以上。采用彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)后，一些小型變配電站可采用交流操作。

2 操作電源電壓等級(jí)選擇

操作電源電壓等級(jí)根據(jù)所選用的操動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)選擇。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的合閘電流一般都在100A以上，所以選用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，操作電源電壓應(yīng)選用直流220V。
彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)電源電壓有直流與交流兩種。彈簧儲(chǔ)能操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)能電動(dòng)機(jī)功率只有幾百瓦，合分閘電流只有3~5A，永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的電源電流與合分閘電流均不到1A。操作電源為直流操作時(shí)，選用彈簧儲(chǔ)能與永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，操作電源電壓應(yīng)選用110V。此時(shí)蓄電池串聯(lián)級(jí)數(shù)可減少一半，其并聯(lián)級(jí)數(shù)雖然也應(yīng)增加一倍，但由于其工作電流小，絕對(duì)值增加并不大。此時(shí)可降低直流屏成本。
操作電源為交流操作時(shí)，為方便取得備用電源，交流操作電源只有220V一種電壓等級(jí)。
直流48V用于弱電集控。采用變配電站綜合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置后，弱電集控已經(jīng)不再采用，直流48V電壓已被淘汰。

3 操作電源的可靠性

操作電源消失或發(fā)生故障，變配電站不僅不能進(jìn)行正常操作，還會(huì)引發(fā)變配電站事故發(fā)生。變配電站發(fā)生事故后，如果操作電源消失或發(fā)生故障，繼電保護(hù)就會(huì)拒動(dòng)而造成越級(jí)跳閘，使事故擴(kuò)大。因此操作電源的可靠性必需得到保證。
直流操作采用蓄電池供電來(lái)保證其可靠性，蓄電池供電無(wú)切換時(shí)間問(wèn)題，是最可靠的操作電源。但需要整流與充電設(shè)備以及蓄電池，造價(jià)高，占地面積與維護(hù)工作量也大。
采用交流作操時(shí)，選用常規(guī)繼電保護(hù)時(shí)，變配電站發(fā)生事故后，利用操作機(jī)構(gòu)的電流脫扣器跳閘，其事故跳閘與操作電源無(wú)關(guān)，交流操作可以滿足中小型變配電站的使用要求。操作電源可取此電壓互感器，并選用100/220V隔離并升壓變壓器提供電源220V交流操作電源。
采用交流操作時(shí)，如果選用變配電站綜合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置，因?yàn)樽兣潆娬揪C合自動(dòng)化（微機(jī)保護(hù)）裝置本身的工作電源消失后就無(wú)法運(yùn)行。變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）的保護(hù)跳閘需要通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的跳閘線圈來(lái)跳閘，因此應(yīng)設(shè)計(jì)低電壓短延時(shí)切換的不間斷后備電源。否則變配電站母線或出線開(kāi)關(guān)柜出口發(fā)生短路事故，事故電壓降低到跳閘線允許最低電壓以下時(shí)，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)就會(huì)拒動(dòng)，引發(fā)越級(jí)跳閘。

4 操作電源的接線方式

采用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，其合閘電流一般都在100A以上，此時(shí)操作電源的合分閘電源與控制電源分為兩段母線，并將合分閘母線電壓提高到蓄電池充電電壓240V，加降壓模塊降低到220V后再供電給控制電源母線。這樣可減小合閘電流沖擊影響，信號(hào)電源也引控制電源母線。
采用彈簧儲(chǔ)能或永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)后，合閘電流一般不超過(guò)5A，合閘時(shí)沖擊電流很小。設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定操作電源電壓為220V時(shí)下限為180V，110V時(shí)下限為90V。這樣合分閘與控制電源可統(tǒng)一采用220V或110V，直流屏與交流屏蓄電池最終放電電壓為180V或90V，這樣不僅可以減少蓄電池的串聯(lián)級(jí)數(shù)，降低成本，直流屏還可省掉壓降模塊，減少了能源損耗。此時(shí)采用單母線分段，兩段母線分別給一次系統(tǒng)兩段母線上的開(kāi)關(guān)柜或控制屏合分閘控制電源與信號(hào)電源以及綜合自動(dòng)化裝置電源供電，這樣操作電源一段母線或一路操作電源發(fā)生事故，不會(huì)影響整個(gè)變配電站的正常運(yùn)行，可靠性也就提高了一倍。

5 操作電源的接地方式

為了提高操作電源的可靠性，操作電源應(yīng)采用不接地系統(tǒng)（IT系統(tǒng)），一旦發(fā)生單極或單相接地形不成回路，就不會(huì)跳閘，仍然可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。此時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)。如果發(fā)生單極或單相接地，對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)發(fā)出報(bào)警，可以采取分段與分路臨時(shí)拉閘的辦法查找出接地回路。
直流操作的直流電源系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)不接地系統(tǒng)（IT系統(tǒng)）。交流操作操作電源可取此電壓互感器，并選用100/220V隔離并升壓變壓器提供電源220V交流操作電源，采用不接地系統(tǒng)。選用UPS不間斷電源或逆變電源后，在UPS不間斷電源或逆變電源沒(méi)有切換之前，UPS不間斷電源或逆變電源通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)由外部交流電源供電。外部交流電源引此所用變或低壓配電室，所用變或低壓配電室220V/380V配電系統(tǒng)為接地系統(tǒng)（TN系統(tǒng)），這樣就要求在UPS不間斷電源或逆變電源輸出端加隔離變壓器后，再形成不接地系統(tǒng)。這一問(wèn)題應(yīng)引起設(shè)計(jì)者注意。

6 操作電源的備用電源切換

為了提高操作電源的可靠性，操作電源一般都設(shè)計(jì)兩路電源供電，二者互為備用。直流操作電源與交流操作電源用UPS不間斷電源或逆變電源有斷電報(bào)警時(shí)，兩路電源可以采用手動(dòng)切換。如果設(shè)計(jì)兩路供電電源互投時(shí)，二者必須有明顯斷開(kāi)點(diǎn)。
直流操作電源蓄電池直接接直流母線上，兩路電源供電互投時(shí)，直流電源不會(huì)間斷，備用電源切換時(shí)間對(duì)操作電源無(wú)影響。交流操作當(dāng)兩路電源供電互投時(shí)，切換時(shí)間以及UPS不間斷電源或逆變電源自動(dòng)切換時(shí)間對(duì)變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）與操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作有直接影響。
UPS不間斷電源或逆變電源切換條件應(yīng)為低電壓切換，不能采用失壓切換，否則當(dāng)變配電站站內(nèi)發(fā)生相間短路事故時(shí)，電壓降低到80%以下而不為零時(shí)，不能進(jìn)行切換，繼電保護(hù)就會(huì)拒動(dòng)，引發(fā)越級(jí)跳閘。
電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定交流操作UPS不間斷電源或逆變電源應(yīng)選在線式，以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換。由以下分析得知，采用變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）后，UPS不間斷電源或逆變電源的切換不大于20 mS就可以就可以滿足繼電保護(hù)動(dòng)作要求。不一定必須選用在線式UPS不間斷電源或逆變電源。
變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）的電源都選用開(kāi)關(guān)電源模塊。內(nèi)部有較大容量的濾波電容器，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試供電電源中斷0.5S后再恢復(fù)，變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）仍能正常運(yùn)行不死機(jī)，各廠家的產(chǎn)品一般都能達(dá)到電源中斷0.5S不死機(jī)。
供電電源中斷0.5S后再恢復(fù)，變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）不死機(jī)，可以正常工作。但并不等于對(duì)繼電保護(hù)跳閘沒(méi)有影響。如果變配電站站內(nèi)發(fā)生短路事故時(shí)交流操作電源的切換時(shí)間為0.5 S，雖然變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）在交流操作電源0.5 S之內(nèi)不死機(jī)，發(fā)生短路事故時(shí)仍可以發(fā)出跳閘命令，但操動(dòng)機(jī)構(gòu)在操作電源0.5 S恢復(fù)后才能跳閘。此時(shí)跳閘時(shí)間就要延長(zhǎng)約0.5 S，繼電保護(hù)的選擇性就會(huì)受到破壞而發(fā)生越級(jí)跳閘。
變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）保護(hù)跳閘出口固有動(dòng)作時(shí)間為35mS。如果交流操作電源備用電源切換時(shí)間為20 mS，此時(shí)就可以滿足繼電保護(hù)動(dòng)作要求。因?yàn)樽兣潆娬揪C合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）在20 mS 之內(nèi)不會(huì)死機(jī)，短路事故發(fā)生35mS后仍能發(fā)出跳閘命令，此時(shí)交流操作電源已恢復(fù)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)的跳閘時(shí)間也不會(huì)受到影響。所選用的UPS不間斷電源或逆變電源切換時(shí)間不大于20 mS就可以滿足要求，但必須為低電壓切換，不能為無(wú)壓切換。

7 直流電源屏功能擴(kuò)展

變配電站有人或少人值班時(shí)應(yīng)有中央信號(hào)報(bào)警。不采用變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，以及采用變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后，無(wú)計(jì)算機(jī)時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)中央信號(hào)分路報(bào)警。采用變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后，有計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，需要時(shí)可設(shè)計(jì)中央信號(hào)集中報(bào)警。作為變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)算機(jī)報(bào)警的后備。
采用變配電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)后，計(jì)算機(jī)電源可以直接由交流電源屏引出；計(jì)算機(jī)就不再需要后備電源。直流操作可以由直流電源屏內(nèi)的直流220V電源，給算機(jī)的供電電源，此時(shí)計(jì)算機(jī)也不再需要后備電源。
交直流電源屏功能擴(kuò)展后，可增加中央信號(hào)集中或分路報(bào)警功能。此時(shí)可以減少變配電站的設(shè)備與站地面積以及設(shè)計(jì)與施工工作量，節(jié)約投資。

8 交直流電源屏選擇

直流電源屏已經(jīng)有定型產(chǎn)品，設(shè)計(jì)時(shí)可以直接選用。直流電源屏采用智能化開(kāi)關(guān)電源充電摸塊與先進(jìn)的監(jiān)控摸塊，可控硅充電方案已不再采用。監(jiān)控摸塊不僅可以對(duì)充電摸塊進(jìn)行控制，還可以對(duì)直流電源屏各種電氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與顯示，對(duì)直流電源屏各種故障進(jìn)行報(bào)警，并可通過(guò)RS-485串行通信接口將各種電氣參數(shù)與故障信息向外發(fā)送。通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成，直流電源屏與變配電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變配電站現(xiàn)代化管理。無(wú)人值班的變配電站直流電源屏的報(bào)警信號(hào)還應(yīng)及時(shí)向調(diào)度發(fā)送。設(shè)計(jì)選用時(shí)只需提出電壓等級(jí)與蓄電池容量就可以了。蓄電池容量按照停電后繼續(xù)運(yùn)行1小時(shí)來(lái)考慮。采用彈簧儲(chǔ)能或永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)后，不考慮站內(nèi)事故照明時(shí)，蓄電池容量一般為10到20AH就可以了。考慮站內(nèi)事故照明時(shí)，蓄電池容量需要增加到38AH以上。
交流操作電源屏還沒(méi)有定型產(chǎn)品可以直接選用，UPS不間斷電源或逆變電源的蓄電池容量可以按照上述原則來(lái)選擇。無(wú)人值班的變配電站報(bào)警信號(hào)也應(yīng)及時(shí)向調(diào)度發(fā)送。

9 結(jié)束語(yǔ)

操作電源在變配電站運(yùn)行中占有非常重要的地位，其設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格遵守電氣設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊(cè)的規(guī)定。變電站綜合自動(dòng)化裝置（微機(jī)保護(hù)）、智能化交直流電源屏以及永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)等新產(chǎn)品在變電站中已經(jīng)得到推廣使用。在電氣設(shè)計(jì)規(guī)范與設(shè)計(jì)手冊(cè)還沒(méi)有隨著新產(chǎn)品的出現(xiàn)而及時(shí)修訂時(shí)，給變配電站設(shè)計(jì)帶來(lái)一些困難，因次需要大家在變配電站電氣設(shè)計(jì)與運(yùn)行中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，展開(kāi)廣泛的討論，從而使變配電站設(shè)計(jì)與運(yùn)行不斷得到改進(jìn)，新產(chǎn)品應(yīng)用不斷得到推廣。