升船機直流電源系統設計及應用

孔麗君

摘 要：為了提高升船機直流電源系統的可靠性，結合向家壩升船機運行特點，對其直流電源的設計現狀及運行情況進行分析，并提出優化改進建議。

關鍵詞：直流系統;接線方式;設計應用

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0065-02

升船機是為船舶通過航道上集中水位落差而設置的一種“通航建筑物”。向家壩升船機由上游引航道、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室和輔助閘首）等五部分組成，全長約1530m。升船機直流系統主要給10kV開閉所和10kV/0.4kV變電所的控制和保護設備等用電負荷供電，因此直流系統的可靠性是升船機正常運行的必備條件。本文主要結合升船機直流系統的設計及應用情況，提出優化改進措施。

1直流系統的接線方式

直流系統常見的基本接線方式分為單母線接線、單母線分段接線等接線方式。目前直流系統最常用的接線方式是單母線分段接線方式，按照蓄電池和充電裝置與直流系統的不同連接方式，單母線分段接線又可分為一組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線，兩組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線，以及兩組蓄電池、三套充電裝置的單母線分段接線。

向家壩電站升船機直流電源系統成套設備由上海青辰電源有限公司提供。結合實際負荷需求，在10kV/0.4kV變電所配置一套直流系統設備，系統采用單母線接線供電方式，直流電源屏接線示意圖見圖1。系統設計共1套充電/浮充電裝置、1組蓄電池的供電方式。其設備主要由1組蓄電池、直流電源主屏、直流電源分屏、充電/浮充電裝置、微機監控裝置、絕緣監測裝置、配電裝置、放電裝置，以及各種附件等組成。其中升船機10kV開閉所設有1個直流電源屏和1個電池柜;升船機10kV/0.4kV變電所設有1個直流分電屏。

當前單母線接線方式優點是結構簡單，成本低，占用空間小。但是也存在很多缺陷，如交流進線電源采用單路供電，無互投裝置且系統僅配置一組蓄電池，無法有效滿足冗余供電保護及控制的需求;所有負荷電源取自一段母線，當回路出現短路或接地故障后將導致用電負荷無法正常工作;該接線方式不利于設備的運行維護，當充電裝置檢修時，只能靠蓄電池向母線供電，可靠性較低;按照要求蓄電池每年進行10小時核容試驗，試驗時僅充電裝置向母線供電，缺少后備電源。

2 蓄電池的選擇

蓄電池組是直流電源系統中的主要構成部分，當交流電源失電后，由蓄電池向負載供電。蓄電池有堿性蓄電池和酸性電池，向家壩電站升船機直流系統設計為一組閥控密封式鉛酸膠體蓄電池，單體2V，共104瓶，100Ah。由于鉛酸電池維護工作量小，運行穩定，放電性能良好，目前應用廣泛。由于受廠房實際空間限制，蓄電池采用組屏集中安裝的方式。配置在線實時監測電池組的單體電壓，實時記錄分析不同工作狀態下每一只電池的電壓，及時發現落后或異常電池，給蓄電池維護提供重要的參考依據，確保蓄電池組安全運行。

3 充電機的選擇

充電機將交流電變換為直流電，經保護電器輸出，一方面給蓄電池組充電，一方面經直流配電饋電單元給控制負荷和動力負荷提供正常的工作電源。充電裝置型式有高頻開關電源模塊和相控式充電裝置。

相控電源是采用晶閘管作為整流器件的電源系統，工作原理是交流輸入電壓首先經變壓器降壓，然后由控制器計算觸發控制角并通過移相控制晶閘管導通、關閉，以保持輸出電壓的穩定。

高頻開關電源模塊經過高頻變換器將直流電壓變換為脈寬可調的高頻交流脈沖電壓，經過高頻變壓器隔離輸出至高頻整流器，將高頻交流脈沖電壓變換為高頻脈動直流電壓，經LC整流濾波電路得到所需平滑的直流電壓輸出給負載。

由于兩者的工作原理不同，高頻開關電源模塊輸出電壓的穩壓精度、穩流精度以及紋波系數均優于相控電源。相控電源的誕生早于高頻開關電源，其智能化程度較低，同時，相控電源整流模塊當出現故障后，需要將整臺充電裝置退出運行后進行檢修和維護，檢修周期長，影響系統正常供電，直流系統的可靠性低。而高頻開關電源設計都采用N+1冗余方式和模塊化結構，運行中當其中一個模塊出現故障時，不需要整套裝置停電檢修，只需要退出單個故障模塊，其他模塊自動重新分配負荷電流，實現均流運行，提高了系統運行的可靠性，且充電模塊都可帶電拔插，維護方便，安全性高。后期如遇到供電網絡擴容改造時，只需增加整流模塊數量即可實現直流系統的擴容。因此，相控電源已逐步被高頻開關電源模塊所代替。

向家壩電站升船機直流系統充電機由四塊QCF22010型號的高頻開關電源模塊組成，開關模塊包括濾波器、全橋整流器、高頻變換器、高頻變壓器、高頻整流器、LC濾波器、控制電路和保護電路等部分。充電機設計容量滿足滿負荷運行以及同時對蓄電池進行主充的要求，并留有20%的裕量。

4 饋電及其他

饋電回路全部采用空氣斷路器，空氣斷路器具有使用方便，操作安全，工作可靠，安裝簡單，動作后 （如短路故障排除后 ） 不需要更換元件等優點，因此被廣泛應用于饋電網絡中。但是，由于設計時無維修旁路，一旦斷路器、指示燈或監測CT故障后，在不中斷供電狀態下，無法及時進行更換，對設備運行產生一定影響。

5 改進措施

升船機直流電源系統設計雖然可滿足負荷正常供電需求，運行也較為穩定，但該套設備仍存在一些需要優化和改進的地方。

5.1 接線方式優化

鑒于單母線接線方式存在的問題，建議直流電源系統可采取以下優化措施：

（1）系統接線方式調整為單母線分段接線，新增一組充電機，設計母線聯絡開關，具體可采用圖2的接線方式。

（2）從廠房直流系統接入一應急電源回路供短時使用，解決緊急情況下的需要。由于原直流系統蓄電池容量選擇時沒有考慮另一組蓄電池的負荷，故可考慮聯絡回路按照直流饋線設計，裝設直流斷路器，具體設計可見圖3綠色標注。同時，為了便于蓄電池充放電試驗，新增一條充放電小母線，具體設計可見圖3紅色標注。

5.2采用新型模塊化裝配工藝

針對第四節中饋電回路設計存在的問題，可考慮采用模塊化裝配工藝，將斷路器、CT、信號燈及信息采集板組成標準化抽屜單元，實現饋電信息的全面采集。為實現饋電回路供電不中斷狀態下進行維護和更換，可配置維修插接組件，從而解決饋電開關及直流CT更換困難的問題。

5.3升級系統監控網絡

隨著智能化的發展，實現蓄電池充放電智能管控，可通過一鍵順控的方式實現蓄電池自動化維護，從而降低人員維護的工作量。

直流系統應從傳統的分散式系統設計模式改為集中控制模式，并采用遠程開關操控，提高自動化水平，同時為防止誤操作，可采用防誤閉鎖技術，在減少人工維護工作量同時消除人工誤操作風險，大幅提高運維工作安全和工作效率。

擴展現有的監測功能，除了對蓄電池電壓監測外，增加對內阻、開路、短路、溫度等的監測，實現蓄電池全生命周期管控。通過對過程中蓄電池各參數的變化趨勢分析、判斷，建立蓄電池單體剩余電量或健康度預警機制，達到為蓄電池提供全生命的體檢服務。主動預防因蓄電池自身問題導致的直流母線失電故障。

5.4新增防誤報警功能

當直流母線脫離蓄電池或充電裝置時，監控裝置發出告警信息，提示操作人員當前操作可造成母線失壓，避免人員誤操作導致的電力事故發生。

參考文獻：

[1]標準：DLT 5044-2014 電力工程直流電源系統設計技術規程.