500 kV變電站通信專用高頻開關電源不停電更換

馮兆輝，韓方韜

（烏海超高壓供電局，內蒙古 烏海 016000）

0 引言

通信專用高頻開關電源是500 kV 變電站通信傳輸系統中的重要設備，為通信傳輸、通信接入、線路保護等設備提供安全、穩定、可靠的不間斷直流電源[1-3]。截至2019 年年底，內蒙古巴彥淖爾地區、烏海地區、阿拉善地區、鄂爾多斯西部地區9 座500 kV 變電站共計配置通信專用高頻電源系統9套。每套通信專用高頻開關電源由1 面交流分配屏、2 面高頻開關電源屏、2 面直流分配屏及4 組96節通信蓄電池組成。由于內蒙古電網500 kV 網架結構分散，各站點投運時間較長，變電站超期服役的通信電源系統暴露出許多問題。位于巴彥淖爾地區烏拉特中旗境內的500 kV 德嶺山變電站2005年投運后，高頻開關電源已連續不間斷運行了14年，存在許多嚴重隱患急需解決。

1 存在的問題

500 kV 德嶺山變電站通信電源系統主要存在以下問題。

（1）500 kV 德嶺山變電站是巴彥淖爾烏拉特中旗地區主要電源點，也是河套地區與包頭地區電量交換的樞紐站點，變電站通信電源系統承載著包頭地區與巴彥淖爾地區電力通信的重要任務，是蒙西環狀電力通信網的北通道，不允許存在任何斷電風險。因高頻開關電源已不間斷運行多年，存在電源模塊元器件嚴重老化、絕緣失效、設備停產等嚴重隱患[4-5]。

（2）變電站位于烏拉特中旗德嶺山鎮附近，站點與維護單位之間的距離超過300 km。若發生通信電源故障導致通信設備失電，檢修人員不能在短時間內到達站點開展檢修工作，將影響500 kV主網線路安全穩定運行。

（3）由于通信電源獨立于變電站直流電源系統運行，且老舊站點尚未將通信電源輸入告警信號接入主控計算機，因此存在通信高頻開關電源失電導致通信蓄電池電量耗盡無人知曉的風險[6]。

鑒于500 kV 電力系統中通信電源負載的重要性，并結合老舊通信電源系統的運行現狀，決定以500 kV德嶺山變電站為試點，對超期服役的通信高頻開關電源等設備進行不停電更換。

2 電源設備更換存在的風險

由于電壓等級高、運行穩定性要求高等原因，500 kV站點一般配置獨立運行的通信電源系統，每套電源系統均由交流分配、高頻整流、直流分配及蓄電池4個部分組成[7-8]。以下針對交流分配及高頻整流部分屏位在不停電過程中可能存在的風險進行分析。

2.1 電源割接

不停電對通信高頻電源進行割接的最大危險為負載意外失電[9]。內蒙古電網500 kV變電站通信電源系統示意圖見圖1。

圖1 500 kV變電站通信電源系統示意圖

從圖1 可以看出，通信設備等電源接入全部集中于兩個直流分配屏，眾多負載的失電風險點全部集中于直流分配屏，因此，做好直流分配屏的不間斷供電即可保障通信設備的穩定運行。

2.2 屏位拆除及安裝

更換屏位時的風險存在于屏柜搬遷、屏位拆除、屏位安裝、設備接線等過程中，鑒于本文重點分析設備更換部分，故屏柜搬遷風險不再討論。以500 kV德嶺山變電站為例，由于舊屏柜與槽鋼架采用焊接固定方法，因此拆除屏位的第1 個風險便是焊點的拆除。因屏柜的安裝空間狹小及槽鋼架下布置了運行線纜，拆除焊點應特別注意對相鄰屏柜及地下運行線纜的保護[10-11]。在使用電動工具時，應在運行線纜上放置隔離擋板，防止工器具意外損壞線纜。

2.3 電源類設備帶電操作

電源類設備帶電操作過程中最常見的危險點是工作中電源發生意外短路或接地故障，對設備和操作人員造成傷害[12]。由于通信高頻電源系統中的整流模塊單元具備短路保護功能，操作過程中若發生短路故障，整流器監控模塊能夠迅速響應（短路瞬態只有電容微秒級的放電，大功率放電被抑制）并關閉整流器，使得整流器無輸出。因此，通信高頻電源系統的短路能量主要來源于蓄電池，短路電流的大小取決于電池容量，電池內阻以及回路電阻的大小。電池的容量越大、內阻越小，則發生短路時短路電流越大[1]。

目前內蒙古電網500 kV 變電站配置的獨立通信電源系統蓄電池通過動力電纜分別接入高頻開關電源的兩個屏位，通過200 A 容量的熔斷器與高頻開關電源輸出、負載輸入并聯接入。在更換該高頻電源屏時，需要對蓄電池連接線纜進行拆除，此時蓄電池系統短路或接地的風險最大，因此在電源割接時，做好蓄電池電纜的絕緣處理是防范電源系統意外短路或接地風險的重要措施。

3 通信專用高頻開關電源更換方案

500 kV 德嶺山變電站通信專用高頻開關電源更換需同屏位帶電替換原有2個高頻開關電源屏和原交流配電屏。交流配電屏的更換相對簡單，在完成高頻開關電源屏更換后，由蓄電池臨時為設備供電，即可直接進行替換。目前，高頻開關電源設備的更換一般有3種備選方案。

3.1 方案一：臨時電源過渡

流程示意圖見圖2，作業過程如下。

（1）在機房空余屏位處建一套電源系統，作為新舊電源屏更換過程中的過渡電源[12-14]。本工程中，可將1臺新高頻開關電源屏（即電源屏3）安裝至機房空余屏位處，由交流屏為新高頻開關電源屏3進行供電，作為備用電源。

（2）將電源屏3 與直流分配屏2 連接，調整電源屏3 的負載輸出電壓，使其等于直流分配屏2 的輸入電壓，此時直流分配屏2 由高頻開關電源屏2、電源屏3同時供電，見圖2b。

（3）依次關閉高頻開關電源屏2 的整流模塊，確認電源屏3 帶負載成功后，退出并拆除高頻開關電源屏2 及其所有接線，注意拆卸過程中需保持高頻開關電源屏2完好。

在原高頻開關電源屏2的位置安裝新高頻開關電源屏4，并與直流分配屏2連接。調整輸出電壓與分配屏2 輸入電壓相等，此時直流分配屏2 由電源屏4、電源屏3同時供電，見圖2c。

（4）退出電源屏3 并拆除所有接線，即完成了一套高頻開關電源屏的更換，見圖2d。

（5）將拆下的原高頻開關電源屏2作為備用電源，以同樣的流程用新高頻開關電源屏3 替換原高頻開關電源屏1，完成兩套高頻開關電源屏的更換。

該方法利用新、舊高頻開關電源屏分別作為備用電源，實現了更換全程滿足“雙電源”要求，但其也存在以下問題：

（1）備用電源屏無配套蓄電池組，若更換過程中備用電源屏出現故障，則其所帶直流用電設備會面臨失電風險。

（2）該變電站通信機房屏位不足，無空余屏位放置備用電源屏；機房屏位間過道寬度為80 cm，在過道擺放備用電源屏不便于開展工作，且易對靜電地板造成傷害。

（3）全過程需要立四面屏（2套新高頻開關電源屏、2套備用電源屏）、拆除4面屏（2套舊高頻開關電源屏、2套備用電源屏），工作量大，流程繁瑣，耗時長。

3.2 方案二：蓄電池供電過渡

作業步驟如下。

（1）斷開并拆除高頻開關電源屏1，此時直流分配屏1由蓄電池組供電。

（2）在原高頻開關電源屏1的位置安裝新高頻開關電源屏3。調整電源屏3的負載輸出電壓，使其等于直流分配屏1 的輸入電壓，隨后合上電源屏3的輸出保險絲，從而完成一套高頻開關電源屏的更換[15-16]。

圖2 臨時電源過渡法更換流程

（3）用相同流程由新高頻開關電源屏4替換原高頻開關電源屏2，完成兩套高頻開關電源屏更換。

該方法步驟較少，流程簡單，但由于更換高頻開關電源屏期間，單套直流系統僅靠蓄電池組供電，若更換機柜時間過長，設備易失電，且蓄電池電量耗盡會對電池組造成不可逆損傷。

3.3 方案三：單套高頻開關屏接雙套直流負載

3.3.1 原理

該方法利用了電源的并聯特性及均流原理。圖3 為2 個電源并聯時的等效電路及其外特性曲線，當兩個高頻開關電源屏的參數相同時，即V1max=V2max，R1=R2，電流在2 個高頻開關電源屏內均勻分配，而當其中1個電源的電壓參考值較高、輸出電阻較小，則該高頻開關電源屏將承擔大部分的電流[4]。根據外特性曲線可知，電壓差下會使電壓較小的高頻開關電源屏流過的電流為0。

圖3 2個電源并聯時的等效電路

3.3.2 更換步驟

更換流程示意圖見圖4，作業過程如下。

（1）將原高頻開關電源屏1連接的兩組蓄電池與原高頻開關電源屏2連接的兩組蓄電池并聯。

（2）將直流分配屏1 與直流分配屏2 的輸入端子并聯，此時原高頻開關電源屏1、原高頻開關電源屏2并列向4組蓄電池及2個直流分配屏供電。

（3）記錄總輸出電流值，根據電源的并聯特性曲線，以0.1 V的步進降低原高頻開關電源屏1的電壓，則原高頻開關電源屏2電流增大，原高頻開關電源屏1 負載減小，繼續降低電壓直至原高頻開關電源屏1電流為0。

（4）原高頻開關電源屏1 輸出電流降為0 時，已不帶負載，斷開原高頻開關電源屏所有接線、拆除設備，并在其位置上安裝新高頻開關電源屏3；將輸出電壓設定為與原高頻開關電源屏2 相同，隨后恢復原高頻開關電源屏1 的接線方式，即由電源屏3、原高頻開關電源屏2 并列向4 組蓄電池及2 個直流分配屏供電。

（5）記錄總輸出電流值，根據電源的并聯特性曲線，以0.1 V的步進降低原高頻開關電源屏2的電壓，則電源屏3 輸出電流增大，原高頻開關電源屏2負載電流減小，繼續降低電壓直至原高頻開關電源屏2電流輸出為0。

（6）原高頻開關電源屏2電流輸出降為0，表明其已不帶負載，斷開原高頻開關電源屏所有接線、拆除設備，并在其位置上安裝新高頻開關電源屏4，將輸出電壓設定為與原高頻開關電源屏2 相同，隨后恢復原高頻開關電源屏2 的接線方式，即由電源屏3、電源屏4 并列向4 組蓄電池及2 個直流分配屏供電。

（7）在保持電源屏3、電源屏4電壓相等的情況下，斷開直流分配屏1與直流分配屏2的短接線，斷開原高頻開關電源屏1連接的兩組蓄電池與原高頻開關電源屏2 連接的兩組蓄電池之間的短接線，兩套高頻開關電源屏的更換工作全部完成（如圖4）。

圖4 單套高頻開關屏接雙套直流負載法更換流程

需要注意的是，在新電源屏安裝過程中，為避免拔插熔斷器時產生電火花，必須確保插入熔絲時負載開關在關位，先插熔絲再合負載開關，在插入蓄電池主熔絲前，要測量熔絲兩端電壓差小于0.5 V[5]。

相比于方案一，該方案無需占用空余屏位，工作量小，不會對靜電地板造成損傷；相比于方案二，避免了更換過程中完全靠蓄電池組供電，工作時長不受電池供電時間限制，顯著提高了穩定性與可靠性。但使用該方法也有前提條件：單個高頻開關電源屏容量須大于通信機房總負載電流值，且滿足整流模塊“N+1”配置要求。以500 kV德嶺山變電站為例，原高頻開關電源屏整流容量為50 A×4=200 A，總負載電流為34+36=70 A，滿足上述要求，最終按照方案三實施更換工作。

4 實施效果

2019 年3 月將方案三首次應用于500 kV 德嶺山變電站，實踐證明電源割接過程安全可靠。隨后將該方案推廣應用至500 kV千里山、烏海、河套、吉蘭太等幾座需進行電源改造的變電站，各站至今已運行1年多，變電站內設備運行情況良好，表明該方案合理可行、實際操作性好，可推廣使用。

5 結語

以500 kV 德嶺山變電站通信機房高頻開關電源系統的高頻開關電源屏和交流分配屏不停電更換實際工程為例，對更換風險進行了分析，探討了更換步驟和注意事項。在實際工作中，由于通信電源不停電割接工程復雜，工作流程環環相扣，為了杜絕電源割接、設備更換過程中出現突發狀況，影響500 kV主網架安全穩定運行，必須在現場作業前制訂詳盡的施工作業措施，作業過程中需特別關注設備負載在電源割接時的轉移，以確保整體工作能夠安全、平穩開展。