淺析水電站直流系統安全運行防控措施

楊 恒，龐希斌，宋太平，韓 軻，趙聚平

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 引言

在抽水蓄能電站中，直流系統為開關控制操作、繼電保護及自動裝置等系統提供電源[1]，直流系統的可靠與否，直接決定著電站能否安全運行，若其發生故障未及時處理，可能會造成大面積停電，甚至全廠停機，后果不堪設想。如2016年陜西某330 kV變電站因直流系統運維不到位，導致變電站起火爆炸，造成了大面積停電事故。

目前，我國的抽水蓄能電站直流系統的配置與能源局下發的25項反措要求還有差異，直流系統的運維精細化管控與上級單位管理要求還存在一定差距[2]，主要表現為：直流系統“兩充一備”、交流串入檢測功能不完善、直流接地、整流模塊故障、絕緣檢測裝置異常、蓄電池電壓異常等問題。故選取黑麋峰公司、張河灣公司、天荒坪公司等為調研對象，進行直流系統配置情況調研，統計缺陷設備、缺陷發生時間、頻次等，從設計、安裝、運維、檢修等維度分析原因，并制定針對性預防措施，為直流系統運維及設備升級改造選型提供指導性建議。

2 直流系統配置概況及存在的問題

現場調研發現3個電廠直流系統布置較分散，相互之間距離較遠，全站直流系統按供電范圍一般設置3套，即：地下主廠房、開關站、上庫分別各設置1套，分別對地下主廠房、開關站及下庫、上庫的用電設備提供直流供電電源。

抽水蓄能電站直流系統主要由蓄電池組、充電裝置、直流饋電回路、絕緣監測裝置等組成。2010～2016年，新源公司直流系統共發生直流缺陷630個。其中，蓄電池組缺陷發生率為7.14%、充電裝置缺陷發生率為10.16%、直流饋電回路缺陷發生率為76.35%、絕緣監測裝置缺陷發生率為6.35%。

由圖1可知，直流系統缺陷主要集中在直流饋電回路，主要包括直流系統絕緣降低、直流回路接地兩方面，另外蓄電池容量降低、充電模塊故障也較常見。

圖1 2010～2016直流系統缺陷統計

2.1 蓄電池組

某主廠房直流系統為密封閥控式鉛酸蓄電池，型號為HZY2-1500，一共有2組，分別接入主廠房直流系統I、II段，每只蓄電池的標稱電壓2 V，使用GZDW高頻開關電源模塊為其充電，控制電源模塊的中央控制器RM2201有均充和浮充兩種充電模式，正常情況下為浮充狀態，每3個月進行一次均充，均充和浮充為自動轉化，均充電壓為2.35 V，浮充電壓為2.25 V。電池的設計壽命在理想情況下（20℃恒溫）為10～18年，充電裝置具備溫度補償功能，電池密封良好，未發生過充和過放，無氣體溢出，無化學物質損失。

2.1.1 蓄電池組故障

從定期單電壓測量和放電試驗數據情況來看，主廠房蓄電池2014年來設備健康水平開始惡化，如表1、圖2、圖3所示。

表1 2014～2015年放電試驗不合格蓄電池數量

圖2 主廠房I組蓄電池第6 h的放電數據

圖3 主廠房II組蓄電池第5 h的放電數據

通過2012年、2014年與2015年相同放電小時后的試驗數據對比，發現隨著運行年數的增加蓄電池單體電壓絕大部分都有下降，從圖中可以發現2014年蓄電池電壓與2012年蓄電池電壓比較接近，從2015年放電數據看劣化趨勢愈加明顯，且I組電池與II組電池保持同步劣化。

2.1.2 原因分析

（1）環境溫度

電池的使用壽命與環境溫度有很大關系，溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，消耗更多的水，使電池壽命縮短[3]。閥控蓄電池高于25℃時，每升高6～9℃，電池壽命縮短一半，由于直流室相對封閉，而充電裝置發熱量較大，雖采取了通風和降溫措施，但環境溫度仍然維持在28℃左右，較理想的20℃偏高，降低了電池組的使用壽命。

（2）過充電

蓄電池充放電過程的化學反應公式表示如下：

在浮充情況下，氧氣穿過隔板由正極板到負極板，并同負極板中的活性物質發生反應，生成氧化鉛。氧化鉛同硫酸反應生成硫酸鉛。硫酸鉛再與負極形成的氫氣結合生成鉛和硫酸。以上反應概括了氣體再合成的過程，正常情況下氣體再合成的效率為95%～99%。

環境溫度升高，氧氣和氫氣再化合效率隨充電電流增大而變小，過充電將使產生的氣體不可能完全再化合，從而引起電池內部壓力增加，當到達一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導致硫酸的濃度升高，使電池的自放電增加，加速了板柵的腐蝕，也促使二氧化鉛的松散脫落，使蓄電池的循環壽命下降[4]。

（3）放電深度

電池的壽命與每次放電的深度有很大關系，化學物質無損失，放電深度為20%時電池壽命可達2000次循環，放電深度為100%時電池使用壽命為350次[3]。在進行深度放電時，單體電池的電壓和容量都會出現不平衡的現象，完成深度放電后，整組電池中就會出現落后電池，當對電池進行恢復充電時，由于落后電池的化學物質不足，無法達到電壓平衡的目的，下一次放電差異將會進一步擴大[5]。

2.2 直流系統絕緣監測儀

2.2.1 絕緣監測儀的工作原理

目前絕緣監測儀多采取雙電源供電，其控制電源供電如圖4所示。

圖4中直流電源I、II的正極用正向并聯的二極管D1和D3進行隔離，負極用反向并聯的二極管D2和D4進行隔離，在正常情況下只要兩回電源的電壓完全一致，沒有出現波動，則兩回電源就不產生影響[6]。

圖4 雙電源供電系統控制電源供電圖

監測儀自動巡回檢測直流系統的電壓和電阻，當母線對地絕緣電阻降低時，裝置自動報警，如果支路的漏電流超過限定值2 mA，裝置自動報警。絕緣監測儀的直流傳感器套接在直流支路上，它與直流系統沒有任何電的聯系，不影響直流系統的運行；在不發生接地時，支路KM流出的電流I1=I2，此時傳感器所感應到的電流差為0 mA，絕緣監測儀不會產生告警。當發生了如圖5所示的直流110 V系統接地情況時，則此時：

如此實現了直流支路的接地監測。

圖5 雙電源供電回路直流接地示意圖

當使用環路供電時（兩路開關的輸出饋線都接在一個負載上，并且兩路同時供電），由于很難保證兩條環路的線路電阻對稱相等，導致每個傳感器上所檢測到的磁通大小不同方向相反，即便該環路沒有絕緣過低，只要負載上有電流流過，環路上的兩個傳感器就會報警，并且報警是恒定的，不會消失。

2.2.2 原因分析

當直流系統兩段出現不同程度的接地后，兩路電源之間將出現環流供電的現象，這樣容易出現電壓的疊加，導致負載過電壓，同時還產生接地告警，環路不間斷的供電，如果直流系統電壓穩定，這樣的供電方式是可靠的。但是任何直流系統都不能保證兩段對地電阻完全相同，也不能保證系統不發生接地現象。

2.3 直流接地

2.3.1 放電儀工作電源混入直流系統

某廠曾發生過合上蓄電池放電儀開關時，發生了10 kV進線開關310、320跳閘事件，對報警信息分析，初步確定是由于直流系統充放電試驗引起跳閘。現場檢查發現試驗前直流系統負極和蓄電池負極電壓相等，對放電儀進一步分析，在穩壓電源輸出電壓為DC±58 V的基礎上，接上放電儀電纜，用數字示波器測量放電儀對穩壓電源的影響。

（1）當放電儀AC 220 V開關和放電儀電池組開關都為分閘時，測量穩壓電源的電壓

V正對地=58 V V負對地=-58 V

（2）當放電儀AC 220 V開關分閘但放電儀電池組開關合閘時，測量穩壓電源的電壓

V正對地=45.7 V V負對地=-45.7 V

（3）當放電儀AC 220 V開關合閘但放電儀電池組開關分閘時，測量穩壓電源的電壓

V正對地=57.8 V V負對地=-57.8 V

（4）當放電儀AC 220 V開關合閘和放電儀電池組開關合閘時，測量穩壓電源的電壓

V正對地=129 V V負對地=-129 V由以上的試驗數據可得出如下結論：當AC 220 V開關合上而放電儀電池組開關分時，穩壓電源電壓基本保持不變。

當AC 220 V開關分而放電儀電池組開關合時，穩壓電源的正負極電壓都有12.3 V的下降，所以如果是接入到直流系統中表現為正負極電壓的絕對值都下降。

當AC 220 V開關合而放電儀電池組開關合時，造成穩壓電源的正極電壓升高，負極電壓的絕對值也升高。

綜合以上試驗數據得出：直流系統的蓄電池負極通過2ZK1接入系統負極，而蓄電池的正極與系統分開，當合上放電儀AC 220 V開關和放電儀電池組開關時將造成負極電壓下降正極電壓上升，10 kV系統控制電源正負極電壓不正常發生接地，導致10 kV進線開關310、320跳閘。

2.3.2 母線聯絡開關合閘

某廠曾發生地下直流系統II段絕緣低告警，隨即復歸，上位機告II/III段母線聯絡開關304合閘。現場檢查聯絡開關304確在合閘位置，直流系統II段15支路接地告警，漏電流為-3.1 mA。15支路為10 kV II段開關控制電源2KM9。拉開直流系統10 kV II段及III段的儲能電源開關及控制電源開關，對直流電纜搖絕緣，搖測結果均大于500 MΩ。

現場模擬直流系統接地狀態，試驗304開關的動作情況發現：

304開關在試驗位置，分閘，閉鎖條件滿足：解開X3：12端子，將304開關控制電源正極瞬時接地，動作結果：304未動作，其他開關未動作。

304開關在試驗位置，分閘，閉鎖條件滿足：恢復 X3：12端子，解開 X3：13端子，將304開關控制電源正極瞬時接地，動作結果：304合閘，其他開關未動作。

從試驗中可以看出，304開關合閘為保護回路因直流接地導致誤動，REF542保護裝置受直流接地干擾，存在誤動現象。但304開關在工作位置，由于合閘閉鎖條件滿足，開關不會合閘；開關在合閘位置，直流系統接地未引起開關誤分現象，因此在直流系統控制電源系統中存在另一處接地，從而形成了兩點接地，故導致了304開關動作。

2.3.3 5001跳閘事件

某電廠更換完開關站直流系統I段1ZM1模塊，更換模塊顯示正常。不久直流系統I/II段中央控制單元報交流失壓報警，接著新更換模塊內發生爆炸；查詢得知500 kV 5001斷路器跳閘，5001斷路器保護裝置動作，根據現場設備的檢查分析得知，是由于1ZM1模塊故障引起開關站直流系統1號段電壓異常造成用于5001開關操作箱第2組跳閘的繼電器誤動作。

經技術人員對設備進行檢查和分析，對于5001開關誤跳閘得出以下分析及結論：1號、2號發變組保護5001開關跳閘II回路至5001開關操作箱II組跳閘的電纜長度超過400 m，屬于長電纜，對地分布電容較大，當開關站直流系統I段1ZM1模塊故障引起直流系統電壓異常，對地形成電容電壓，達到繼電器線圈動作電壓，造成5001開關操作箱用于第2組跳閘繼電器誤動作，從而導致5001開關誤跳閘。

2.3.4 50016跳閘分析

某日某電廠上位機報“1號機主變高壓側無壓”信號，緊接著顯示“隔離開關50016位置分閘”，現場檢查發現主廠房直流系統正極母線電壓為27 V，正極發生了接地現象。對地下50016分閘回路進行檢查發現由監控LCU6分50016的電纜發生了接地，對地電阻為500 Ω，該點為直接接在分閘回路的負極上。在對50016閉鎖回路進行分析中發現50016刀閘根據現場的設備運行狀態，閉鎖是被解除的，且50016刀閘的閉鎖回路未加入與5001斷路器的閉鎖關系。

根據以上情況可以得出結論，由于直流系統控制電源存在正極接地，而在50016分閘回路中存在負極接地，從而造成了兩點接地，且閉鎖邏輯滿足條件，所以50016刀閘有偷跳。

3 防控措施

3.1 直流系統蓄電池組

（1）蓄電池在放電過程中要考慮到整組電池的電壓平衡，避免小電流深度放電或過放電[7]。

（2）進一步采取降溫措施盡可能使電池室的環境溫度在20～25℃的范圍內[8]，①能避免極板的老化；②能使電池在額定條件下運行；③能有效提高氫氣和氧氣的重新化合能力。

（3）將主廠房兩組蓄電池進行有效物理隔離，防止兩組電池故障后互相影響[9]。

（4）及時清理蓄電池表面及接線柱，防止電池自放電現象[10]。

（5）做好蓄電池單體電壓定期測量工作，對于浮充電壓低于2.2 V的蓄電池加強監視，如持續下降，對其更換。

3.2 雙電源供電回路

采用允許長期帶電的直流繼電器進行切換（圖6），當I路直流電源有效時，則選擇I路直流電源進行供電，當I路電源失電后繼電器復歸，其常閉觸點接通，II路直流電源供電，兩路直流電源徹底隔離，直流系統不會產生因環流而造成的誤告警，同時克服了負載的過電壓供電。此外在回路中加裝了一個小型的UPS（不間斷電源），維持繼電器的輔助觸點在切換的過程中保證負荷側的電壓短時間不變，在繼電器復位成功以后直流電源II開始給負荷供電，同時給UPS充電，兩路直流電源沒有發生相互影響的現象，因此不會造成絕緣監測儀誤發告警信號，也不會給直流系統造成過電壓，而且由于UPS的不間斷供電的使得負荷能夠不斷電。

圖6 雙直流電源供電回路優化

3.3 直流接地缺陷防控措施

（1）在電纜選型的時候要選擇性能優越、質量可靠、運行穩定且具有良好售后服務的廠家所提供的設備。某廠型號為ZR-KVVP2-22電纜曾多次接地，經過對電纜的分析發現是由于電纜自身的屏蔽線造成了電纜的絕緣降低[11]。

（2）如果接地發生在控制或保護回路，應通知保護人員協助，查找接地要慎重，斷開電源前，要采取防止保護誤動的措施，如退出出口壓板等[12]。

（4）查找直流系統的接地時應注意：查找時應謹防造成短路和造成另一點接地，應使用高內阻電壓表進行測量[11]。

（5）在直流系統電壓異常時，如有微機保護的電源自動切除，異常排除后，恢復電源重新啟動前，應做好防止保護誤動措施。

（6）由于直流系統中很多負荷屬于會影響機組運行的重要負荷，因此處理直流系統故障時最好選擇機組停機時進行。

4 結語

本文對抽水蓄能電站典型直流系統缺陷進行了分析、處理研究，并提出了預控措施，為直流系統的設計提供了參考。結合電站運行的經驗，對直流系統配置提出了改進措施，其研究思路和成果可為后續研究提供基礎，具有較好的參考意義。在抽水蓄能電站社會責任越來越重大的背景下，有利于電站的安全穩定運營，更好的服務電網、服務社會，確保社會的長治久安。

由于直流系統典型缺陷原因多樣，難以一一剖析，加之水平有限，本文總結出的針對性預防措施及設備運維、升級改造建議存在一定局限性，需在后續工作中進一步完善。