变电站操作电源有关问题分析
——访中国航空工业规划设计研究院资深研究员
任何建筑物都需要有供电电源，变电站也不可能例外。变电站除办公与生活用电外，还需要有开关柜柜内照明、除湿器、合分闸操作、信号指示以及数字式（微机）保护与监控装置用电。其中合分闸操作、信号指示以及数字式（微机）保护与监控装置需要的供电电源称为变电站操作电源。在操作电源中又分为断路器操动机构储能装置供电需要的储能电源，习惯上称为合分闸电源、合分闸线圈供电需要的控制电源、信号灯与数字式（微机）保护与监控装置信号输入回路供电需要的信号电源以及数字式（微机）保护与监控装置本身供电需要的装置电源。
变电站操作电源断电后，除永磁操动机构外，其他操动机构可以人工手动储能与人工通过机械连杆进行合分闸操作；但控制、信号与数字式（微机）保护与监控装置电源同时断电，变电站就会在无继电保护情况下运行；此时一旦发生短路事故就会引起越级跳闸，由上一级继电保护动作跳闸，造成全站停电加大经济损失；如果发生过电流或过负荷，继电保护拒动可以会烧毁变压器或相关设备，所以变电站操作电源的可靠性必须保证，变电站负荷等级越高，操作电源的可靠性要求就越高，因此如何做好变电站操作电源设计需要认真研究。为此本刊特地采访了中国航空工业规划设计研究院李英武研究员，请他对变电站操作电源的可靠性、操作电源种类以及设计原则进行了分析与介绍。
变电站操作电源基本概念
记者：请问变电站操作电源如何分类？
资深研究员：变电站操作电源分为交流与直流两种，分别称为交流操作与直流操作。交流操作的操作电源可直接取自所用变、变压器220／380V侧，或电压互感器（需要设计100／220V升压变压器）。由此可见交流操作电源简单、成本低但可靠性差，只能够用于无一二级负荷的中小型变电站。为保证发生事故时可靠跳闸，过去一般采取电容储能或利用电流脱扣器跳闸等提高继电保护动作的可靠性。目前数字式（微机）保护装置已经得到广泛应，由于数字式（微机）保护装置只能够通过跳闸线圈进行跳闸（分励脱扣），所以采用交流操作电源的变电站，选用数字式（微机）保护装置后，必须选用可靠的后备电源。目前一般选用UPS不间断电源作为后备电源。
直流操作的操作电源利用整流技术将来自所用变或变压器220／380V侧的AC380／220V交流电转换为DC220V、DC110V或DC48V直流电作为操作电源，同时配备相应电压等级的蓄电池组，平时由AC380／220V交流电源通过整流后供电，并给蓄电池组浮充电。AC380／220V交流电源断电后，自动而且无延时（又称为无扰动）切换到由蓄电池组供电，所以其供电可靠性非常高，广泛应用于可靠性要求高的变电站。
记者：请问变电站操作电源电压等级应如何选择？
资深研究员：国家《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB/T 14285—2006）第6.1.2条规定：“二次回路的工作电压不宜超过250V，最高不应超过500V”。我国变电站操作电源的电压等级分为：AC220V、DC220V、DC110V与DC48V。
由于UPS不间断电源的标准输出电压为AC220V，所以交流操作电源电压应选用AC220V，如果选用AC110V，就要选用输出电压为AC110V的非标准UPS不间断电源，会给订货与日后维护造成不必要的麻烦。
直流操作电源电压有DC220V、DC110V与DC48V三种。DC220V与DC110V广泛应用于各种变电站，DC48V主要用于有配电网自动化的环网柜与箱式变压器。
记者：变电站操作电源容量选择目前有关电气设计规范与设计规程中还没有作出明确规定，这就给变电站操作电源设计带来一定困难，那么您认为具体工作中应如何选择呢？
资深研究员：中国电力出版社出版的《工业与民用建筑配电设计手册》（第三版）第八章 变电所二次回路，第一节 变、配电所常用操作电源，一 直流操作电源（389页）中对直流负荷计算有比较详细介绍，目前可以作为直流操作电源容量选择的参考。
由于随着科学技术的发展，变电站二次回路中采用的产品功能与技术指标在不断提高，产品本身的功耗也在不断降低，有些还降低的比较多。所以现在变电站设计中直流操作电源容量选择都偏大，造成比较大的浪费。具体工作中应根据变电站二次回路所选用的设备与元件的实际功耗，进行计算后再来确定操作电源的容量比较好。
中国电力出版社出版的《工业与民用建筑配电设计手册》（第三版）第八章 变电所二次回路，第一节 变、配电所常用操作电源，二 交流操作电源（408页）中提出交流操作电源采用UPS不间断电源后，继电保护就可以采用分励脱扣线圈（跳闸线圈）来跳闸，不再采用电流脱扣器线圈（跳闸线圈）来跳闸，从而免去继电器强力切换接点容量校验和电流脱扣器线圈动作可靠性校验两项特殊的继电保护整定计算。UPS不间断电源的容量也可以根据变电站二次回路所选用的设备与元件的实际功耗，进行计算后再来确定。
变电站操作电源设计要点
记者：变电站采用数字式（微机）保护与监控后，是否还采用交流操作一直是需要大家展开讨论的一个问题。对于这个问题，请问您如何看待？
资深研究员：交流操作中，继电保护采用电流脱扣器时，继电保护就可以不考虑备用电源；而采用数字式（微机）保护装置与监控后，发生事故需要通过分闸线圈跳闸，遥控合分闸也需要通过合分闸线圈进行操作，操作电源电源断电后，数字式（微机）保护与监控装置同时断电，因此变电站设计中就必须考虑备用电源。由于数字式（微机）保护与监控装置可以提高继电保护功能与变电站自动化水平，所以一些小型变电站也开始采用数字式（微机）保护与监控装置。
目前交流操作的变电站，采用数字式（微机）保护与监控装置后，都选用UPS不间断电源作为后备电源。按照有关规定变电站UPS不间断电源应采用在线式，但在线式UPS不间断电源价格高，许多设计就采用后备式UPS不间断电源。另外UPS不间断电源不适用于电感性负载，所以交流电源屏设计时只好将弹簧储能电源（合分闸电源）直接引出，不经过UPS电源。在线式UPS不间断电源价格高，后备式UPS不间断电源价格虽然低一些但可靠性差，UPS电源容量根据变电站规模大小一般UPS不间断电源容量可选1～3kVA。工作时间可选用1～1.5h。
变电站采用交流操作后，采用数字式（微机）保护与监控装置的信号回路电压一般也为AC220V，其抗干扰能力较差，如果有变压器瓦斯与温度、高压电动机跳闸信号等距离变电站有一定距离时就可能出现误报。现在已经有单位开发出容量小价格低的微型直流电源，所以变电站采用数字式（微机）保护与监控装置时，就可以直接选用直流操作。
记者：大中型变电站一般都选用直流操作电源，请问直流操作电源电压等级在实际的设计中应如何选择？
资深研究员：断路器曾经采用电磁操动机构，其合闸电流都大于100A，所以直流操作电源都选用DC220V。现在电磁操动机构已经被淘汰，弹簧储能操动机构与永磁操动机构的储能与合分闸操作需要的电流都非常小，一般不超过5A，所以采用直流操作时，应选用DC110V电压等级。国家建筑标准设计图集D203－1～2《变配电所二次接线》说明中已经提出采用弹簧储能操动机构后，直流操作应优先选用DC110V电压等级，但并没有引起大家的重视。
由于目前直流屏内的蓄电池都是串联。例如38AH直流屏，如果操作电压为220V，考虑到浮充电的需要，就需要选用20节电压为12V的38AH蓄电池，形成240V电压作为弹簧储能电源（又称为合分闸电源，简称合母），然后经过降压模块形成220V电压作为控制与信号及保护与监控装置电源（简称控母）。
如果直流操作选用110V电压，同样为38AH的直流屏，只需要9节蓄电池串联。形成118V电压作为弹簧储能电源，然后经过降压模块形成110V电压作为控制与信号电源，这样直流屏的价格就可以降低。
由于弹簧储能操动机构的储能电动机与合分闸线圈功率都比较小，储能电动机最大为200W，随着节能技术的推广，现在一般只有几十瓦；合分闸线圈电流一般都小于5A,，而且都是瞬时工作，虽然电压降低一半，相同功率情况下负载电流会增加一倍，但增加的绝对值并不大。永磁操动机构的储能与合分闸电流更小，一般都小于0.5A，操作电源更应该选用110V电压。
经过各种技术交流与有关杂志不断宣传，直流操作电源采用110V电压的意义逐步被大家认可，但还需要继续做好宣传推广工作。
直流DC48V电压也是操作电源的一个标准，过去在弱电集控中都采用直流DC48V电压，现在配电网自动化中环网柜与箱式变压器有些采用直流DC48V。采用直流DC48V电压作为直流操作电源确实会带来许多好处，也会有较大的社会与经济效益，但在变电站操作电源中推广，储能与合分闸电源的电压等级就要增加一种DC48V，目前要推广还有较大困难。
记者：而直流操作电源蓄电池容量（Ah）又应如何选择呢?
资深研究员：变电站直流操作电源蓄电池容量（Ah）取决于所带的负载大小与蓄电池的工作时间，蓄电池容量（Ah）不仅直接关系到直流屏的造价，还增加了操作电源的故障率。随着变电站二次设备产品功能的不断改进，所消耗的功率也在不断降低，现在举例计算一个有20路进出线的变电站直流操作电源蓄电池容量，供大家讨论。为了简化讨论的内容，暂且不考虑变电站办公等用电，只讨论操作电源用电。
变电站二次回路的负荷分为长期运行、短期运行与瞬时运行三种。采用数字式（微机）保护与监控装置后，长期运行负荷包括信号灯与数字式（微机）保护与监控装置。每路进出线只考虑合分闸状态、手车运行与试验位置状态以及储能状态5个信号灯，以及1数字式（微机）保护或监控装置。5个信号灯只能够有三个同时运行，每个功耗为0.5～1W；数字式（微机）保护与监控装置一般只有一个运行，每个功耗为5～10W。20路进出线的变电站长期运行负荷为：20×（3×1＋10）W＝20×13＝260W。
直流操作电源的长期输出功率一般应为长期运行算负荷的1.5～2倍，当长期运行负荷小于100W时应取2倍，当长期运行负荷大于300W时应取1.5倍。在上述20路进出线的变电站直流操作电源的长期输出功率可取400W。
变电站短期运行负荷为弹簧储能机构的储能电动机、负荷开关的合闸电动机以及永磁操动机构的储能电容器。弹簧储能机构的储能电动机一般功率不大于100W，储能时间不大于8s；负荷开关电动机一般功率不大于300W，储能时间不大于10s，一般变电站采用的比较少；永磁操动机构的储能电容器需要的电流一般功率不大于0.5A，储能时间不大于6s。
变电站瞬时运行负荷为合分闸操作时合分闸线圈需要的电流，一般不大于5A。
高压接触器合闸时的电流为瞬时运行负荷，合闸后接触器线圈的保持电流为长期运行负荷。无短期运行负荷。
现在变电站设计对变电站直流操作电源蓄电池容量（Ah）比较了解，对直流操作电源的输出功率没有引起重视。直流操作电源的输出功主要按照变电站短期运行负荷、短期运行负荷与瞬时运行负荷来考虑。变电站同时出现多路开关同时合分闸的几率非常低，所以变电站短期运行负荷与瞬时运行负荷可按照两路开关同时储能，同时合闸或分闸来考虑。直流操作电源的短期输出功率一般应大于200W，瞬时输出功一般应大于2000W，或10A。
现在有关电气设计规范、技术规程与设计手册，对变电站直流操作电源蓄电池容量（Ah）都没有作出明确规定。对蓄电池工作时间只有在中国电力出版社出版的《工业与民用建筑配电设计手册》（第三版）第八章 变电所二次回路，第一节 变、配电所常用操作电源，一 直流操作电源（389页）中对直流负荷计算时蓄电池最大工作时间按照2h考虑。
变电站设计时一般根据设计经验与当地供电部门的要求，结合变电站规模分别选用38Ah、65Ah与100Ah等。从一下分析可以看出变电站直流操作电源蓄电池容量（Ah）可减少很多。
以上述20路进出线的变电站为例，直流操作电源的长期输出功率为400W。20路进出线的变电站长期运行负荷为260W，操作电源电压为DC220V时，长期运行负荷电流为260/220＝1.2A。如果选用的直流屏蓄电池容量为38Ah，需要20节10倍放电率标称容量为38Ah、额定电压为12V的蓄电池串联。蓄电池10倍放电率标称容量为38Ah，说明放电电流为3.8A时，蓄电池可以工作10h。当长期运行负荷电流为1.2A时，蓄电池大约可以工作30h。比设计手册中直流负荷计算时蓄电池最大工作时间2h大15倍。
如果如果选用的直流屏蓄电池容量为10Ah，蓄电池10倍放电率标称容量为10Ah，当长期运行负荷电流为1.2A时，蓄电池大约可以工作8h。比设计手册中直流负荷计算时蓄电池最大工作时间2h也大4倍。
由以上分析可以看出，采用弹簧储能操动机构后，直流屏蓄电池容量（Ah）完全可以减小，但减少到多少一直没有一个比较权威性的规定。考虑到超过38Ah，直流屏就需要两面屏，现在选用38Ah比较多。最近又出现了蓄电池容量（Ah数）较小的挂墙式直流电源。所以设计时只能够根据经验，结合当地供电部门的要求以及直流屏生产厂家的产品来确定。
记者：在直流操作电源设计还需要注意些什么问题？
资深研究员：我认为还需注意以下2个问题：
（1）负荷开关合分闸控制
在环网柜与箱变中，目前一次系统采用高压熔断器加负荷开关接线方式还比较多。高压熔断器用于短路保护，负荷开关用于过负荷以及有配电网自动化时正常的遥控合分闸操作。
负荷开关合闸由电动机直接驱动，电流比较大，时间也比较长。要保证配电网自动化遥控合分闸操作的可靠性，操作电源的可靠性就要有保证，采用UPS不间断电源驱动为感性负荷的电动机，是不符合有关规定的，应选用可以驱动电动机感性负荷的直流或交流备用电源。
（2）高压接触器控制
高压电动机需要频繁起动或要求正反转控制时，需要选用高压真空接触器。接触器属于电保持，接触器线圈的起动电流比较大，一般为几百瓦，可以按照瞬时负荷考虑；起动后的保持电流比较小，一般只有几十瓦，需要按照长期运行负荷考虑；计算直流操作电源负荷时应注意。
记者：对于变电站照明等其他用电负荷电源设计时应如何考虑?
资深研究员： 变电站照明负荷宜与操作电源分开，因为照明负荷断电，变电站运行会受到影响，但不会引起或扩大事故。照明负荷可以与建筑物内部的事故照明统一考虑，变电站为独立建筑物时，可以选用应急照明电源（EPS）或应急照明灯。变电站照明负荷与操作电源分开设计，可以减小操作电源的容量，提高操作电源的可靠性，降低变电站的工程造价。
柜内照明只有开关柜检修时才使用，而且一般不同时使用，没有应急照明电源（EPS）时，也可以考虑由操作电源供电。
现在开关柜都有自动加热装置，实际上为除湿器，也叫凝露控制。当湿度大时空气中水分就多，温度低时就容易结露，使绝缘强度降低，自动加热后可以降低湿度，保证绝缘强度。开关柜在运行过程中带电导体会发热，所以除湿可能在停电时效果才好，虽然也需要备用电源，但不一定由操作电源供电。
记者：变电站操作电源接地问题应如何考虑?
资深研究员： 为了提高操作电源供电可靠性，变电站操作电源均采用不接地运行方式，在发生一相接地后可以继续运行一定时间。交直流电源屏均应设计对地绝缘监视装置。交流操作采用UPS不间断电源后，就需要在输出端时间220/200V隔离变压器。
变电站操作电源未来发展
记者：您认为变电站操作电源未来发展方向是什么?
资深研究员：变电站操作电源未来发展方向有以下几个方面
（1）现有直流屏存在的问题
现有直流操作电源都为集中式，直流屏容量也比较大。操作电压系统一旦发生故障，整个变电站的继电保护与监控都会失灵，如果此时变电站发生事故，继电保护拒动，迫使上一级继电保护动作，就会造成全站停电，大中型变电站发生此类事故还会影响电力系统稳定运行。变电站发生事故后有时会引起操作电源故障，操作电源故障后又会引起变电站事故跳闸。变电站事故统计中由于操作电源引起的事故，占有较大比例，所以电力系统大中型变电站要求设计两套直流电源系统。但在用户10kV变电站中还很做到设计两套直流电源系统。
现在直流屏蓄电池还为多个蓄电池串联，其中一个蓄电池内阻发生变化加大，就会影响蓄电池的出力，并会因为此蓄电池发热加速内阻变化，造成此蓄电池故障而引起整个操作电源故障。应引起大家注意进行减少蓄电池串联节数的直流操作电源新产品开发。
（2）小容量分布式直流操作电源新产品开发
现在数字式（微机）保护与监控装置已经实现分布式结构，如果能够开发出小容量的分布式微型直流操作电源，变电站操作电源也可以实现分布式结构，就可以减小操作电源故障造成的影响。
（3）大中型变电站分布原则
大中型变电站可以按照不同电压等级设计操作电源，对于大型变压器等设备也可以设计专用的操作的电源，目前在变电站电气设计中采用分布式直流操作电源还有较大困难，可以在老站改造中进行试验，取得一定经验后在逐步推广。
（4）中小型变电站分布原则
中小型变电站可以将直流屏一分为二，安装在电压互感器或隔离柜内，这样也可以减小操作电源故障造成的影响。有些设计已经将操作电源分散安装于每个开关柜内，但造价增加太大，只能够用于对供电可靠性要求特别高的变电站。
上海有一家空压机厂家的空压机采用高压电动机拖动，设计院选用弹簧储能操动机构，由于起动频繁，当现场出现工艺设备故障需要紧急停车时，弹簧储能操动机构跳闸回路机械部分发生故障而无法跳闸，致使工艺设备故障扩大，造成几十万元经济损失。空压机厂家发函至各设计院要求今后设计采用高压真空接触器控制。高压真空接触器控制为电保持，断开控制电源就可以停机。但此时控制电源的可靠性就要求非常高，采用一对一的小型直流电源就比较合理。
（5）蓄电池智能化管理
蓄电池必须定期进行充放电活化处理，应开发利用单片机技术进行自动与远程控制的充放电活化处理，以延长蓄电池的使用寿命。现在已经有这方面的新产品开始应用。为了提高操作电源的可靠性，在发生单相一点接地时可以继续运行，操作电源都采用不接地运行方式，还可以开发利用单片机技术进行操作电源对地绝缘监视的研究。
（6）蓄电池串联与并联
目前直流屏蓄电池还没有并联运行，可以进行蓄电池组并联运行的研究，可以采用高压电容器保护测量不平衡电压或不平衡电流的方法，通过计算来监视每组蓄电池的运行状况，简化蓄电池检测电路。如果蓄电池组能够并联运行，一旦有一组蓄电池发生故障，另外一组蓄电池还可以继续工作，也可以提高操作电源的可靠性。
记者：最后感谢您在百忙之中结合您工作中的设计经验，给我们详细讲解了变电站操作电源设计的有关问题，谢谢！
资深研究员：谢谢！