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UPS在高压开关柜操作电源中的应用 - 电力配电知识
在小型用户变电所以及开闭所中，由于开关柜的数量较少，线路结构简单，多为单回路进线，通常没有所用电或外电源，这给
断路器的操作电源的选取带来了一定的困难。目前，小型变电所的断路器操作电源主要有以下几种方式：TV供电方式、DC供电
方式、UPS供电方式。 典型的用户方案见图1，单回进线二条出线。高压用户的电费计量方式通常是高供高计，考虑到计
量的独立性，要配置一台单独的高压计量柜，这样就需要四台高压柜。较为经济的方法是采用三台高压开关柜，将计量功能加
到进线柜中。本文以三台10kV高压开关柜来讨论，结论适用于35kV高压开关柜，同时由于电磁操作机构很少使用，本文涉及到
的操作机构指弹簧操作机构。 1、TV供电方式 TV为电压互感器，用来进行电压信号变换的电力设备。TV供电方式主要是
利用TV向操作回路提供电源。一种方法是直接利用TV提供100V操作电源；另一种方式是由TV经过中间变压器提供220V操作电源
。
因为TV的二次侧额定电压通常为100V，在选用断路器操作机构及其它元件时应将其工作电压定为100（110）V。考虑到断
路器操作机构的分合闸及电机储能和保护设备的功率5，TV采取V形接线时，每只TV二次绕组容量应不小于500VA，采取Y形接线
每只TV二次绕组容量应不小于300VA。 在企业用户中，进线柜通常还承担电能计量的功能。而根据电能计量的要求，计量
用TA或TV必须用独立的二次线圈，不能加装其它设备。TV供电方式，虽然断路器在分合闸时通常没有负荷，但电机储能可达数
十秒钟，同时用来指示断路器分合闸状态的指示灯，以及保护元件的工作都会形成压降，致使电能计量误差，这是供电部门所
不允许的。如果计量和操作回路分别使用一组TV，很难安装在一台高压开关柜中，势必要增加一台单独的高压计量柜而增加工
程造价。对于这种情况，可以对TV采用二次侧双绕组的方式。一组精度为0.2级的绕组用于计量，另一组大容量绕组用于提供
操作电源，见图2。
图2中如果操作回路有整流器件，将在BK中产生谐波并耦合到计量回路中，对计量精度产生影响。操作回路电压的变化都
有可能对计量产生影响。 在高压电源正常的情况下，TV供电可以满足断路器的分合闸要求。当电压互感器、变压器发生
近区故障时，特别是高压母线或出线处发生两相或三相短路时，电压互感器安装处的残压非常低，二次电压迅速下降到低于断
路器的分闸线圈的最低动作电压（额定工作电压的70%）。此时，若采有微机保护，保护设备将不能正常工作；若采用DL或GL
系列电流继电器构成的保护，即使电流继电器动作，但由于操作电源电压过低，断路器将拒分，从而扩大事故范围，上一级保
护动作，扩大停电范围。实践中，我们除了利用保护的出口跳断路器，同时把断路器的过流脱扣线圈串入电流回路。在发生故
障时，直接利用断路器操作机构上的过流脱扣器跳断路器。 使用过流脱扣器构成保护，也有潜在的不安全因素。故障时
一旦GL电流断电器或ZJ5型中间继电器的接点配合不好，以及接点卡涩出现常开接点不能及时闭合，TA二次绕组还会出现开路
的情况。由于此时流经TA一次侧的故障电流很大，会在二次侧产生很高的电压，会破坏TA的绝缘，烧毁二次回路，引起上一级
保护动作扩大故障范围。 2、DC供电方式 DC供电方式，是采用蓄电池通过直流电源屏向操作回路提供电源。在电力系统
中变电所基本都是DC供电方式。系统正常运行时，由整流电路或高频开关电源提供直流操作电源；交流失电时，由蓄电池经稳
压回路提供直流操作电源。在变电所中使用直流电源供电，完全可以避免TV供电时可能出现的上述问题。 直流电源，可
靠性好造价高，通常一套50Ah直流电源屏价格近十万元。开闭所由于结构紧凑，放置直流电源屏也很困难。目前，市场上有一
种小型直流电源设备，即直流电源箱和壁挂直流电源。直流电源箱和壁挂直流电源与标准的直流电源屏一样，通常都是由高频
开关电源和微机监控装置组成，可以对蓄电池、直流电压、电流、绝缘进行监控，甚至具有“四遥”功能。直流电源箱和壁挂
直流电源的容量一般在10～36Ah之间，完全可以满足16台以内断路器的操作要求。这种小型直流电源体积较小，可挂在墙上或
在墙角安装，适合装在小型变电所的高压配电房内，价格一般为同类直流电源屏的1/3～1/2。 以图1的方案考虑，一只
10Ah的壁挂式直流电源就足可以够用了。在很多的项目中已开始采用此种操作电源供电方式，都取得了很好的效益。 3、UPS
供电方式 UPS也就是不间断电源，当交流输入电源（市电）发生异常或断电时，它还能继续向负载供电，使负载供电不受
影响。UPS供电方式是正常情况下低压系统交流电通过UPS向操作回路供电；当系统发生故障时，UPS通过将蓄电池的直流电逆
变成交流电不间断地向操作回路和保护设备供电。参考UPS在相关行业作为失电时的备用电源的情况，其应用方式完全适用于
变电所断路器的操作电源。高压电源正常时，由低压电源向操作回路供电，系统失电或故障时由UPS供电。 由于UPS供电
方式中，操作电源不受与高压母线电压的影响，可避免TV供电方式时出现的计量问题和保护拒动现象。只要订货时将断路器和
保护设备的操作电源订为交流220V，其它可视同于直流操作电源。那么怎样选择UPS操作电源呢？我们还是以图1的方案来分析
。 通常断路器的操作机构中分合闸线圈的功率为220～300VA（W），电流1.2～2A（220V时），储能电机的功率为150～
300VA（W），电流1.2～2A（220V时）。小型UPS的容量有0.5、1、3kVA等几种规格，标准配置的工作时间为15min。考虑到如
图1情况下的变电所中，高压失电到恢复送电，每台断路器分别分合闸和电机储能一次，分合闸以2s计，电机储能以60s计，三
台断路器操作一次耗能为16.11Wh，1kVA的UPS标准配置可进行这样的操作15次。如果进一步考虑到蓄电池的自放电，选用1h的
1kVA UPS更可高枕无忧了。UPS又分后备式和在线式两种。后备式UPS正常时由交流输入供电，输入中断或异常时切换至蓄电池
供电，切换时间一般在10ms以内。在线式UPS在交流输入故障和恢复时，市电模式和电池模式切换时间为零。在线式UPS价格为
后备式的5～10倍，后备式UPS切换时间10ms，仅为半个周波，小于保护的响应时间，对保护工作和断路器的分合闸没有影响。
在工程实践中，用UPS向高压开关柜操作回路提供工作电源已在多个工程实践中得到了应用，使用情况非常稳定。UPS为操
作电源供电的方式为用户节约了设备投资，同时具有很好的可靠性。 根据上述讨论，以图1方案为准对三种不同的断路器
操作电源供电方式的工程造价及性能作简略的比较，
在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰;在停电时则使用备用直流电源(蓄电池组)给逆变器供电。由于逆
变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。在线式UPS电源不同于后备式的一大优点是供
电持续长，一般为几个小时，也有大到十几个小时的，它的主要功能是可以让您在停电的情况可像平常一样工作，比较适用于
计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，因为这些领域的电脑一般不允许出现停电现象。
2) 离线式不间断电源(Off Line UPS)
离线式不间断电源只是“备援”性质的UPS，市电直接供电给用电设备也为电池充电(Normal Mode)，一旦市电供电品质不
稳或停电了，市电的回路会自动切断，电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务(Battery Mode)，直到市电恢复正常，
“UPS只有在市电停电了才会介入供电”，不过从直流电转换的交流电是方波，只限于供电给电容型负载，如电脑和监视器。
平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此后
备式UPS也被称为离线式UPS。后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对
供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用。
3) 在线交互式不间断电源(Line interactive UPS)
在线交互式不间断电源基本运作方式和离线式一样，不同之处在于线上交错式虽不像在线式全程介入供电，但随时都在监
视市电的供电状况，本身具备升压和减压补偿电路，在市电的供电状况不理想时，即时校正，减少不必要的“Battery Mode”
切换，延长电池寿命。
这是一种智能化的UPS电源，所谓在线互动式UPS，是指在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作(即整流工作状态)
，给电池组充电;在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此在线互动式UPS也有转换
时间。同后备式UPS相比，在线互动式UPS电源的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，而其最大的优点是
具有较强的软件功能，可以方便地上网，进行UPS的远程控制和智能化管理。
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