事故照明逆變電源為UPS備用方法研究與應用

吳小鋒，劉鵬龍，張 鑫，孫曉偉

（河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng)463636）

1 前言

目前，國內抽水蓄能電站廠房多采用地下式結構，廠房都布置在人工開挖數(shù)公里遠的山洞之中，廠房內安裝有事故照明系統(tǒng)和UPS（不間斷供電系統(tǒng)）。事故照明系統(tǒng)，即當正常照明因故障中斷時，供事故情況下的照明，事故照明配電盤平時由工作照明母線供電，事故時自動切換至DC220 V/AC380 V直流逆變電源，由直流系統(tǒng)逆變成交流電源供電。UPS系統(tǒng)在公用電源失電的非正常情況下，蓄電池電能經(jīng)逆變器仍能連續(xù)向用戶提供優(yōu)質的220 VAC電源。

2 故障情況及分析

某抽水蓄能電站UPS采用克勞瑞德工業(yè)機CP系列產(chǎn)品，投入運行將近10年。電站UPS系統(tǒng)設計為拓撲結構如圖1所示，2組UPS系統(tǒng)并行連接，共同向負荷提供電能，如果其中一組故障，另一組能無擾動地承擔全部負荷。近年來，隨著電站UPS系統(tǒng)運行年久老化，設備故障頻發(fā)，逐漸出現(xiàn)一些不可逆故障，最終發(fā)生并列運行的2套UPS系統(tǒng)逆變器同時故障，負荷轉由備用電源（靜態(tài)旁路）供電。因為備用電源取自普通廠用電220 VAC供給，所以UPS系統(tǒng)已經(jīng)失去不間斷供電能力。然而，地下廠房UPS主要為電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)操作員站、機組現(xiàn)地控制單元設備、電站計量主機等重要設備供電，由于UPS旁路供電不可靠性，極易造成機組事故停機、計量系統(tǒng)故障等事故，需要找到解決辦法。

圖1 UPS系統(tǒng)簡圖

電站UPS系統(tǒng)拓撲結構如圖1，每一組UPS系統(tǒng)由4部分構成，充電器、電池、逆變器和靜態(tài)開關，其中2套UPS共用1組蓄電池。UPS系統(tǒng)正常運行時，逆變器持續(xù)向關鍵負載供應穩(wěn)定的交流電，充電器將交流輸入電源轉換為規(guī)定的直流電源，該直流電源轉而用于逆變器輸入和其連接的蓄電池充電，蓄電池通過內置CVCC充電器控制電路始終保持完全充電最佳運行條件，當交流輸入電壓驟降至低于規(guī)定限值或電源故障時，逆變器將繼續(xù)使用蓄電池作為電源向設備負載提供恒定電壓。備用電源（也稱旁路電源）作為2組UPS的共同的后備電源，當2套UPS逆變器均無法正常輸出電能時，系統(tǒng)自動切換至靜態(tài)旁路供電，人為操作可以切換至檢修旁路供電，然后將UPS系統(tǒng)隔離出來消缺或檢修。JD1作為UPS系統(tǒng)總輸出開關，Q1、Qn為具體負荷饋線開關。

電站事故照明所用DC220 V/AC380 V直流逆變電源系統(tǒng)如圖2，直流輸入電源取自電站220 V直流系統(tǒng)，為純凈的直流電源，220 V直流電源經(jīng)逆變器、濾波器等環(huán)節(jié)，轉換成純凈的正弦波電源，最后經(jīng)由靜態(tài)開關送至用戶設備使用。經(jīng)測定電壓（220 VAC）和頻率（50 Hz）穩(wěn)定，電能質量良好。電站地下廠房2組220 V直流系統(tǒng)均設置了事故照明用直流逆變電源裝置，事故照明逆變電源容量充裕。電站事故照明配電盤配置有1個交流進線開關和1個直流逆變進線開關，交流進線開關取電自正常照明配電盤，直流逆變進線開關取電自地下廠房220 V直流事故照明逆變柜。系統(tǒng)正常運行時，事故照明配電盤自動選擇交流進線開關合閘，直流逆變進線開關分閘；當系統(tǒng)檢測到交流進線失電時，自動切換為直流逆變進線開關合閘，交流進線開關分閘，以實現(xiàn)交流廠用電發(fā)生事故時，事故照明系統(tǒng)繼續(xù)工作。

圖2 事故照明所用直流逆變電源系統(tǒng)簡圖

2015年01月18日，受強風天氣影響，電站戶外架空線路故障導致廠用電跳閘，進而造成地下廠房UPS系統(tǒng)逆變器1、逆變器2同時大故障，UPS系統(tǒng)自動轉為靜態(tài)旁路電源帶負荷運行。后期檢查發(fā)現(xiàn)，逆變器1、逆變器2多個控制板卡變形損壞，充電器2存在大故障，經(jīng)與原設備廠家工程師共同研判，2組UPS均已不具備修復可能。然而，2組UPS備用電源取自普通廠用電220 VAC，已經(jīng)不具備不間斷供電能力，而且電站所處位置屬于大風、雷電多發(fā)地區(qū)，戶外架空線路多次因惡劣天氣導致跳閘，電站安全生產(chǎn)面臨嚴重威脅，急需尋找其他不間斷電源替代UPS系統(tǒng)。

3 解決方案

3.1 方案設計

電站技術人員通過對地下廠房現(xiàn)場實際仔細勘測，充分研究UPS系統(tǒng)及事故照明逆變電源接線圖紙，查閱技術資料，發(fā)現(xiàn)UPS和事故照明逆變電源輸出電源參數(shù)相似，從而設計出一種用事故照明逆變電源為UPS系統(tǒng)備用的方法。當發(fā)生UPS逆變器故障時，在事故照明逆變電源總輸出開關JD2出線側與UPS系統(tǒng)總輸出開關JD1進線側連接一根電纜，將UPS系統(tǒng)隔離出來，采用事故照明直流逆變電源為原UPS系統(tǒng)負荷供電，實現(xiàn)備用（如圖3所示）。

3.2 方案實施

圖3 事故照明逆變電源為UPS系統(tǒng)備用接線圖

（1）容量復核：電站原UPS總負荷電流7.4 A（測量值），額定容量10 kVA；地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變裝置額定容量為50 kVA；地下廠房220 V第一組直流系統(tǒng)整流裝置額定電流200 A，實際負荷電流25 A，直流系統(tǒng)蓄電池容量1 200 A·h（C10）；由此可見，事故照明直流逆變裝置和直流系統(tǒng)容量可以滿足為UPS負荷供電要求。

（2）電纜走線布置：電纜從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜接至地下廠房UPS旁路與配電柜；電纜走副廠房三樓空調泵房電纜橋架，兩端分別從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜和地下廠房UPS旁路與配電柜下部穿出。

（3）接線：按照設計方案接線，具體為從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜10LAA001DL交流輸出開關JD2下側（交流輸出端子B:N）接至地下廠房UPS旁路與配電柜10LNA001TB輸出開關JD1進線側，如圖4、圖5所示。

圖4 事故照明逆變柜接線

圖5 UPS旁路與配電柜接線

（4）送電：按照圖紙和方案設計接線后，先合上地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜交流輸出開關JD2，再合上地下廠房UPS輸出開關JD1，最后逐個合上UPS各負荷開關（事先全部斷開），檢查UPS各負荷供電正常。

4 風險分析與控制

4.1 風險分析

上述備用方案實施后，地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變裝置由 原來的空載備用轉為負載工作，并將長期保持帶載運行模式，而且事故照明逆變電源電能質量的穩(wěn)定性有待更為長久的觀察，設備運行方式的改變在客觀上增加了一定的安全風險。

事故照明逆變電源取自地下廠房220 V直流系統(tǒng)，也就意味著原來UPS供電負荷全部轉移由地下廠房220 V直流系統(tǒng)間接供電，大幅增加了直流系統(tǒng)的負擔，一旦直流系統(tǒng)故障，將造成機組緊急停機、保護誤動、自動化設備失去控制等，后果不堪設想。

4.2 控制措施

加強事故照明直流逆變電源及UPS供電系統(tǒng)的監(jiān)視，定期測量事故照明直流逆變裝置交流輸出端子電壓，定期測量UPS負荷母線電壓，加強該臨時供電回路的專業(yè)巡視，發(fā)現(xiàn)異常及時消除。

加強220 V直流系統(tǒng)日常維護，定期檢查各整流模塊工作狀態(tài)、輸出電壓、輸出電流等，定期測量蓄電池電壓和內阻，保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

為確保UPS負荷供電可靠，在上述備用方案實施后，暫不開展事故照明定期切換試驗，采用正常照明帶事故照明運行，將事故照明直流逆變進線開關控制方式保持在手動。

鑒于原UPS系統(tǒng)改造需要重新設計、采購、施工等環(huán)節(jié)，周期較長，僅依靠事故照明直流逆變電源風險較大，電廠可以采購相同容量的便攜后備式UPS作為備用。

5 結語

通過上述備用方案現(xiàn)場實施，自2015年3月至2016年5月期間，電站事故照明逆變電源為UPS負荷供電穩(wěn)定，多次發(fā)揮為重要設備不間斷供電作用，實現(xiàn)了電站UPS系統(tǒng)改造前保障電站安全生產(chǎn)的良好過渡，取得令人滿意的效果。

這種方法的創(chuàng)新，在于充分考慮地下式廠房水電站現(xiàn)有設備安裝情況，同時具備UPS系統(tǒng)和事故照明系統(tǒng)，并且兩系統(tǒng)均具備一定不間斷供電能力，且輸出電源類型和電能質量類似。這種備用方法操作簡單，效果明顯，具有很強的實用性，對地下水電站UPS系統(tǒng)專業(yè)管理具有參考意義。