單電單充直流系統(tǒng)改進

張永生

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

直流系統(tǒng)的可靠與否對變電站的安全運行起著至關重要的作用，目前，110 kV及以下電壓等級變電站直流系統(tǒng)一般都使用單組蓄電池、單組充電機(以下簡稱“單電單充”)接線方式，這種接線方式結(jié)構簡單、投資較低，能夠基本滿足110 kV及以下電壓等級變電站運行要求。

但這種接線方式在交流電源切換過程中，需要蓄電池作為直流電源對直流系統(tǒng)供電，一旦交流切換失敗，需要蓄電池長時間供電。考慮到蓄電池運行一定時間以后容量下降，可能無法滿足直流用電設備的要求，甚至出現(xiàn)開路的情況，導致設備失電。因此，有必要研究一種新的直流系統(tǒng)接線方式，提高直流系統(tǒng)供電可靠性。

1 單電單充直流系統(tǒng)概述

單電單充直流系統(tǒng)典型接線方式如圖1所示。兩路交流電源分別從1號、2號交流母線引出，經(jīng)交流切換裝置切換后，選擇其中一路電源作為充電模塊電源[1]。一般情況下，由1號交流母線作為主電源供電，2號交流母線作為備用電源，當1號交流母線失電時切換至2號交流母線供電。某些直流系統(tǒng)不使用硅鏈，充電模塊及蓄電池組直接接到直流母線上，但充電模塊的交流電源都是經(jīng)過交流切換裝置切換后得到的。

圖1 單電單充直流系統(tǒng)接線方式

當1號交流母線失電或運維人員進行交流切換試驗時，通過雙路交流切換裝置進行切換，轉(zhuǎn)由2號交流母線供電。在切換過程中，由于無交流電源，充電模塊無法正常工作，全站直流電源需要由蓄電池組供電。一旦雙路交流切換裝置切換失敗，蓄電池組需要長時間供電。因此，該種接線方式一旦蓄電池出現(xiàn)故障，直流系統(tǒng)就無法正常供電，可靠性較低。現(xiàn)場多次發(fā)生交流失電時蓄電池故障導致保護裝置無法正常動作而造成越級跳閘的事故，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。且在浮充電情況下性能不良的蓄電池不易被發(fā)現(xiàn)，但在大電流沖擊時就容易發(fā)生開路等故障，導致發(fā)生事故的關鍵時刻反而直流失電。

2 單電單充直流系統(tǒng)改進方案

單電單充直流系統(tǒng)接線方式的主要缺點是在交流切換過程中及切換失敗時需要蓄電池組作為直流電源對外供電。如果設計一組備用充電模塊，其交流電源不經(jīng)交流切換裝置切換而是直接接在2號交流電源上，這樣即使切換過程中及切換失敗時原充電模塊無法正常工作，備用充電模塊仍可以正常對直流母線供電，保證直流系統(tǒng)運行穩(wěn)定。只有當兩路交流電源同時失電時，才需要蓄電池組作為直流電源對外供電。

由于兩路交流電源同時失電的概率遠遠小于單組交流電源失電的概率，因此所有充電模塊同時失電概率大大降低，直流供電可靠性得到顯著提升。另外，當雙路交流電源切換裝置故障或檢修時，直流系統(tǒng)將失去充電模塊，由蓄電池供電，增加備用充電模塊后，此時可由備用充電模塊供電，提高直流系統(tǒng)的可靠性。

改進后的直流系統(tǒng)接線方式如圖2所示。備用充電模塊交流電源取自2號交流母線饋線支路(也可取至2號交流母線進線處)，直流輸出直接接在直流母線。備用充電模塊容量及數(shù)量選擇滿足相關規(guī)范及直流系統(tǒng)運行要求，在原充電模塊失電時，可由備用充電模塊對直流母線供電。

圖2 單電單充直流系統(tǒng)改進接線方式

3 單電單充直流系統(tǒng)改進方案試驗驗證

為驗證該方案的有效性，在試驗室搭建了直流系統(tǒng)平臺，模擬變電站單電單充接線方式。調(diào)節(jié)原充電模塊輸出電壓為230 V，備用充電模塊輸出電壓為225 V，此時由于備用充電模塊輸出電壓低于原充電模塊的輸出電壓，直流母線由原充電模塊供電，直流母線負荷約10 A。

為模擬交流切換過程中直流蓄電池故障的情況，試驗前斷開蓄電池組輸出開關，使蓄電池退出運行。在此狀態(tài)下斷開原充電模塊的交流電源，使其無電流輸出，直流母線電壓由229.4 V降至224.7 V，電流為10.28 A，母線負荷由備用充電模塊提供電源。在此切換過程中，直流母線電壓未出現(xiàn)閃變或間斷，直流用電設備未出現(xiàn)斷電重啟現(xiàn)象，直流系統(tǒng)運行正常。

在蓄電池組未退出情況下重復上述試驗，試驗結(jié)果顯示直流母線電壓穩(wěn)定無間斷，可以保證設備的正常運行。說明在蓄電池組無故障情況下進行交流電源切換時，增加備用充電模塊后未影響原直流系統(tǒng)的正常運行。

綜合以上2種試驗結(jié)果，增加備用充電模塊后，不論蓄電池組是否故障，都可以保證交流電源切換過程中直流母線的正常供電，提高了供電可靠性，保證了變電站安全運行。

4 單電單充直流系統(tǒng)改進實施

現(xiàn)場實施過程中，若原直流屏柜內(nèi)有空余安裝位置則將備用充電模塊安裝在原直流屏內(nèi)，否則單獨加裝一面屏柜或在合適的位置加裝一個備用充電模塊掛箱(該方案現(xiàn)場實施時使用掛箱)。為保證備用充電模塊的安全運行，備用充電模塊交流電源側(cè)安裝防雷器進行保護。通過電壓表和電流表測量備用充電模塊輸出電流及電壓，方便運維人員觀察備用充電模塊的運行狀態(tài)。備用充電模塊直流輸出端經(jīng)過逆止二極管接到直流母線上，這樣只能備用充電模塊對直流母線供電，直流母線不會對備用充電模塊供電，保證備用充電模塊故障時不會影響直流母線正常運行。為盡量減少對原直流設備的影響，調(diào)節(jié)備用充電模塊輸出電壓，使其低于直流母線電壓0.5～1 V，這樣正常運行時由原直流設備對直流母線供電，備用充電模塊不輸出電流。備用充電模塊故障告警輸出接點接入原直流屏充電模塊故障告警回路，保證備用充電模塊故障時能將告警信號送達后臺及監(jiān)控。

5 單電單充直流系統(tǒng)改進驗證

由于現(xiàn)場直流母線電壓為226 V，將備用充電模塊直流輸出電壓調(diào)節(jié)為225 V，此時直流負荷全部由原充電模塊供電，備用充電模塊輸出電流為0 A。

將直接接于直流母線的充電模塊退出運行，將硅鏈控制調(diào)節(jié)開關調(diào)整至手動位置，調(diào)節(jié)原直流屏充電模塊電壓，使經(jīng)過硅鏈后輸出至直流母線的電壓低于備用充電模塊的電壓，此時，原充電模塊輸出電流為0 A，全部直流負荷由備用充電模塊提供。直流系統(tǒng)切換的過程中未出現(xiàn)電壓閃變或間斷，現(xiàn)場所有二次設備未發(fā)生斷電重啟或告警現(xiàn)象，直流系統(tǒng)運行正常，說明改進后直流系統(tǒng)能夠滿足正常及1號交流進線失電時的運行要求。

6 結(jié)束語

該改進方案已實施1年，現(xiàn)場經(jīng)歷過多次交流切換試驗及交流進線失電情況，直流系統(tǒng)運行穩(wěn)定，未發(fā)生過直流失電事故。該方案降低了直流系統(tǒng)對雙路交流切換裝置的依賴性，滿足現(xiàn)場運行要求，具有一定的推廣價值。