變電站直流系統母聯開關的運行特點及位置判斷

胡 怡

(廣東電網有限責任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000)

1 變電站直流系統運行情況

近年來，隨著我國經濟的不斷發展，電力需求也相應地逐步提升，為解決人民日益增長的生活需要與電力發展不平衡之間的矛盾，在“十四五”期間，國家大力推進完善電網架構，大力推進變電站的規劃及建設[1-2]。為了維護電網運行安全，提升變電站的運維管理尤為必要。變電站直流系統是站內重要的保護、測控等裝置的電源，一旦直流母線失壓，有可能會發生保護拒動的現象，嚴重影響電力安全，因此必須保障直流系統穩定可靠的供電。

目前，在廣東電網變電站的直流系統通常采用雙電雙充模式，兩段直流母線中的任一一段母線，都分別配置一組蓄電池組及充電模塊，如圖1所示。可以看出在母聯開關斷開情況時，兩套直流系統相互獨立，不存在相互干擾的情況。常規情況下，交流電源經由高頻整流模塊轉變為直流電源輸出，而蓄電池組則是作為應急電源，僅是在交流電源失電的情況下，能夠起到及時補充直流電源的作用，給站內重要的直流負荷輸出電能。

圖1 變電站雙電雙充直流系統

其中蓄電池組是直流系統最為可靠的電源，現變電站多采用閥控式鉛酸蓄電池組[3]，屬于電化學蓄電池組，通過內部活性物質鉛及硫酸鉛發生化學反應，從而完成化學能到電能的轉換。閥控式鉛酸蓄電池因其容量大、維護量小的優勢在變電站直流系統得以廣泛應用。蓄電池組是極為可靠的直流電源，承擔著常規電源失效的后備作用。因此在蓄電池使用時，特別需要注意其運行狀態，以防止出現蓄電池開路等威脅系統運行安全的故障。

對于閥控式鉛酸蓄電池而言，其內阻由極化電阻及歐姆電阻組成，歐姆電阻主要是蓄電池中的極板、極柱及電解液等部分的電阻，而極化電阻是由于電池中所存在的濃度差異及發生的化學反應所引起的電阻。內阻大小是判斷閥控式鉛酸蓄電池組老化的重要指標，蓄電池老化會伴隨著其內阻的上升。同樣，溫度是影響閥控式鉛酸蓄電池性能的重要參數。閥控式鉛酸蓄電池在充放電過程中會產生較大熱量，導致溫度上升，加速電池內部水分解，產生大量氣體。早期該類電池被認為是免維護的電池，不需要人員進行相關校驗及操作，但在后期運行過程中，相關人員發現由于該類電池容量是與活性物質的濃度等直接相關，但與直觀的電壓、電流及電阻數據并不存在明顯的關聯，因此在正常運行狀態下人員是很難以直接手段了解其具體容量。因此為了明確閥控式鉛酸蓄電池組的容量，通常在一定時間內需要對其進行核對性放電，目前按照規程要求，新投運電池在4年內需要2年進行一次核對性放電，而運行時長超過4年后，需要每一年都對電池容量進行測試。為了明確監測電池容量，確認電池的狀態，核對性放電要求電池在放電過程中必須退出原母線，從而可以準確控制電池以一定的電流均衡放電。為了保障母線的穩定供電，一般通過合上母聯開關的方式，以一組蓄電池組作為兩段母線的電源，這就要求母聯開關的合位位置必須可靠，同時位置便于識別和判斷。

2 直流系統母聯開關形式

目前變電站的母聯開關的設置除了兩段母線之間直接用于合閘的類型，早期也有與蓄電池組輸出開關混用的情況，即是蓄電池輸出開關是同時兼作母聯開關使用，具體形式如圖2所示。當將蓄電池輸出開關切換至合閘另一段母線時，會出現母線短時掉電的現象，這是早期設計的弊端。目前新設計的變電站都是采用獨立母聯開關的設計，在倒閘操作時，通過合上母聯開關，可以確保兩段直流母線有蓄電池組作為穩定可靠的電纜。

圖2 直流系統母聯開關形式

在日常運行中，如果母聯開關合上，2套直流系統的蓄電池組會出現并列運行的情況，當2組蓄電池組壓差較大時，會出現環流，對電池組容易造成沖擊，因此正常運行時，直流系統的母聯開關應始終保持斷開狀態。

3 直流系統母聯開關狀態檢測方法

母聯開關作為直流系統中重要的部件，其位置狀態需要實時監控并確認。現有的母聯開關通常會配置位置輔助接點，接點連接至直流系統監控裝置或開關量采集模塊等，實時確認母聯開關位置，但輔助接點的相關接線仍然存在故障短接等風險，并且早期直流系統母聯開關并沒有輔助接點的配置，如果需要增加該接點，必須更換母聯開關，改造難度較大。

由于母聯開關僅在一段直流母線需要退出運行時才進行合閘，因此目前的母聯刀閘位置的判斷方式是通過在合上母聯開關后，將其中一段直流母線轉為均充模式，只要直流母聯開關在合位，那么相應的另一段直流母線的電壓會因此升高。但這種方法仍存在一定的風險，首先是操作步驟較為復雜，要求人員首先掌握蓄電池均浮充轉換的方式，同時必須在確認完畢后，及時將蓄電池切換為浮充狀態，以防止蓄電池長期處于均充狀態，出現過熱現象，蓄電池熱老化加重，甚至出現熱失控現象。因此在進行倒閘操作時，必須嚴格按照規定要求進行操作，執行均浮充轉換，確認電壓情況。這類方法操作較為復雜， 判斷方式不夠直觀，同時有誤操作監控系統的風險，因此亟需一種更加靈活、方便辨識母聯開關位置的方法。

由于充電模塊是通過將交流輸入經整流為直流，再經通過高速電子開關變成高頻率的交流，通過變壓器再經過整流輸出另一種電壓的直流電源，其轉換過程如圖3所示?？梢钥闯鲈诔潆娔K中，發生了交-直-交-直的轉換，這是由于初始三相交流經整流后的直流無法達到輸出要求，經過后續的高頻交-直轉換，直流輸出更為穩定。

圖3 充電模塊轉換過程

但是在整流逆變再整流的過程中，并不能完全消除交流分量，在實際測量過程中，直流母線的電壓往往會存在一定的交流分量，只是其數值較小。以某站直流母線為例，經過實際對直流電壓測量，檢測到母線會有幾十毫伏的交流電存在。如圖4所示，是通過電壓采集裝置測量兩段直流母線時長為20 min的交流電壓曲線，從圖中可以看出，兩段直流母線電壓的交流分量在15～25 mV變動，但隨機性較大，沒有明顯的規律性可言，可能與充電裝置本身運行狀態及交流進線的電壓情況有關系，由于兩段母線充電裝置不同，同時兩段直流母線的充電裝置多采用不同源的交流進線，因此直流母線之間的交流分量并不相同。

圖4 直流母線交流分量電壓

基于上述直流母線所存在的這一特點，可以考慮采集兩段直流母線的交流分量進行比較，當母聯開關確定在合位時，兩段交流分量必然相同。采集兩段直流母線電壓時，以隔直裝置來設置，通過交流分量來進行分析。為了避免電壓的不穩定性對判定結果的干擾，可以增加檢測比較次數來保障母聯開關的準確性，比較判斷母聯開關位置，通過聲光報警告知人員當前母聯開關位置，便于運維人員高效快捷地處理故障。

4 結語

直流系統母聯開關作為蓄電池組核容放電及系統故障保障直流負荷不失電的重要部件，必須確認其位置狀態，但現在運行直流系統往往不能夠便于運維人員快速識別并且準確判斷母聯開關位置。因此本文基于兩段直流母線交流分量不等的現象，提出一種監測母聯開關位置的新方法，有助于提升直流系統運維水平。