兩段站用直流母線自動并列裝置研發與應用

國網永州供電公司變電檢修公司 楊先輝 唐 民 文鋮漢

近幾年在我國電網系統中出現了幾次變電事故，造成直流全停、保護拒動，主要原因為蓄電池故障的同時站用交流失壓。隨著科技的進步變電站也在朝智能方向發展，站用直流電源系統的安全性和可靠性愈發重要。根據設計規范，220kV及以上電壓等級的重要變電站都配備了兩套直流系統。但盡管在這種情況下，依然會在某段直流充電機上出現交流失壓或蓄電池故障、開路等問題，帶來嚴重的安全風險，可能會造成某段直流母線失壓，出現直流負荷失電、保護拒動的情況。

我國某一供電公司下屬有十幾座220kV變電站，都設置了兩段直流母線手動并列切換開關，但一旦出現某段直流母線失壓，正常段母線不能立即對該段母線提供正常直流電壓。為解決變電站內某段直流充電機出現交流失壓，并在直流蓄電池故障、開路下直流母線失壓，從而造成保護裝置失電、保護拒動的難題，本研究在直流充電機原理基礎上進行兩段站用直流母線自動并列裝置的研制。若站內直流充電機失壓、蓄電池故障或開路，可通過該裝置無延時、自動進行切換為故障母線實現正常的電壓供給，從而讓故障母線可恢復正常電壓，避免直流負荷損失，保障電網可以更加穩定的運行[1]。

1 改進型直流充電機原理分析及研制

1.1 原理分析

充電模塊通過交流電源輸入，經過裝置內部整流濾波后，由DC/DC變換及其控制電路、整流濾波輸出穩定可靠的直流電壓，為站內直流設備提供穩定電源，其原理如下：三相交流輸入-輸入保護-橋式整流-平滑濾波-DC/DC變換-平滑濾波-輸出保護-直流輸出。考慮站用交流失壓后直流充電機將失去其作用，因此若以站用直流母線為電源輸入，通過改進內部回路，從而實現直流電源輸入且直流電源輸出，故該方案從源頭解決了兩端直流母線互聯的難題。改進型直流充電機原理圖如圖1所示[2]。

圖1 改進型直流充電機原理圖

相比直流充電模塊，改進型直流充電機內部回路只對變壓器匝比及功率進行了調整，改造容易、成本低且具備以下功能：該裝置接在兩段母線之間，實現了兩段母線物理隔離，無電氣連接，避免出現兩段直流系統互竄；該裝置可根據實際情況設置輸出電壓，當兩段母線電壓正常時裝置處于熱備用狀態，一旦某段母線電壓低于設定值時裝置無延時啟動，正常段母線對電壓降低段母線供電，保證了兩段母線正常運行，同時又由于裝置內部的電氣隔離，確保當某段發生母線短路故障時不會影響另一段直流母線正常運行。

1.2 裝置結構

根據以上原理分析，對裝置整體進行構思及主要部件進行分析。

充電模塊部分。結合變電站較常應用直流充電模塊進行內部功能改造后，通過電力行業直流充電機特性測試儀對其穩壓、穩流、紋波系數，開展測試，各項測試結果符合原模塊各項數據要求；顯示部分。在確定整流模塊以后選擇了配套使用的監控器，通過監控器能夠對各段母線電壓、電流進行實時監控，結合觸摸可以進行故障、直流信息、系統控制、參數設置等多種功能實現；箱體部分。箱體需整合和容納所選設備，通過具體的分析得知，在選擇箱體材料時，相比塑料材質而言金屬箱體雖然較重，但是在應用過程中也并不用多次移動，而且金屬材質更加容易在其中進行整流模塊的加裝，提高其耐用程度，所以選擇金屬材質的箱體[3]。通過各設備整合，最終成品如圖2所示。

圖2 成品圖

2 效果檢查

2.1 裝置測試

在成功研制出兩段站用直流母線自動并列裝置后開展現場測試，按照圖3所示完成裝置接線。接線完成后設置兩段母線運行電壓為232V，并將2號主機輸出電壓設為220V。模擬Ⅰ段母線失壓：退出#1蓄電池總保險讓#1蓄電池停止供電；退出Ⅰ段站用交流電源讓Ⅰ段充電模塊退出運行，使得Ⅰ段的直流母線失去電源，觀察I段母線實際電壓變化情況以判斷裝置實際工作情況。

圖3 裝置與直流系統連接原理拓撲圖

調取直流母線電壓錄波記錄，如圖4所示，在T1時刻模擬Ⅰ母失電時，并沒有出現跌落或中斷Ⅰ母電壓，而是電壓逐漸降低，直到所設定的220V。在T2時刻，此時電壓保持在裝置設定的220V。恢復Ⅰ段充電模，其母線電壓繼續穩定在232V。同理模擬Ⅱ母失壓，直流母線電壓錄波記錄如圖5所示。

圖4 實時錄波效果圖1

圖5 實時錄波效果圖2

通過測試，證實了本次項目所研制的裝置在兩段直流母線系統發生單段母線直流電源故障時，可以對電源故障段母線提供無延時直流供電，并具有較高的安全性和可靠性。而且在故障恢復之后也不會對兩段直流母線的正常運行造成不利影響。同時該裝置可適用于各種電壓等級的雙段直流系統（110V系統、通訊用48V系統等），經簡單改進也可適用于多段直流系統，其應用范圍及前景都極其廣大。

2.2 安全經濟效益

通過該自動并列裝置的使用，能夠在站內的直流母線出現失壓、故障情況時起到保護效果，防止出現裝置失電、保護拒動的情形，對于站內直流運行的安全性和穩定性作出了重要保障，使得電網供電更具可靠性，保障設備安全穩定運行。

3 結語

在本次項目中進行了站用兩段直流自動并列裝置的研發和制作，在很大程度上增加了站用直流系統的可靠性，確保電網穩定供電，也能夠避免在直流母線失壓以后出現保護拒動、誤動而帶來大規模事故，降低安全風險的出現幾率。目前該裝置已獲得國家專利，并已在一座220kV變電站安裝了該裝置，開展為期一年的試運行。借由試運行中運維檢修人員反映的問題及建議，在接下來的研究中將會繼續深入的試驗與改進當前裝置，對該裝置的不足與可能的隱患之處進行修正，以期獲得更大規模的實際試用機會，最終通過相關部門的認可，實現實用化推廣。