沙河抽水蓄能電站直流系統(tǒng)改進(jìn)分析

崔 石，張博倫

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 概述

沙河抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市，總裝機(jī)容量為100 MW，由兩臺單機(jī)50 MW可逆式水泵水輪機(jī)組成。電站直流系統(tǒng)主要由交流輸入、充電裝置、蓄電池、監(jiān)控系統(tǒng)、放電裝置、饋線屏等基本單元構(gòu)成。

1.1 直流系統(tǒng)作用

（1）直流系統(tǒng)是給信號及遠(yuǎn)動設(shè)備、保護(hù)及自動裝置、事故照明、斷路器（開關(guān)）分合閘操作提供直流電源的電源設(shè)備。直流系統(tǒng)是一個獨(dú)立的電源，在外部交流電中斷的情況下，由蓄電池組繼續(xù)提供直流電源，保障系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行。

（2）直流系統(tǒng)的用電負(fù)荷極為重要，對供電的可靠性要求很高，直流系統(tǒng)的可靠性是保障電站安全運(yùn)行的決定性條件之一。

（3）在系統(tǒng)發(fā)生故障、廠用電中斷的情況下，如果直流電源系統(tǒng)不能可靠地為工作設(shè)備提供直流工作電源，將會產(chǎn)生不可估計(jì)的損失。

1.2 直流系統(tǒng)組成

（1）充電模塊

將交流電整流成直流電的一種換流設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)正常負(fù)荷供電及蓄電池的均/浮充功能。直流充電電源先后經(jīng)歷了線性調(diào)壓充電電源、相控充電電源、高頻開關(guān)充電電源3個階段。目前，充電裝置已全部采用高頻開關(guān)充電電源充電裝置。

（2）蓄電池組

用電氣方式連接起來的兩個或多個單體蓄電池。

（3）監(jiān)控模塊

直流系統(tǒng)的充電模塊統(tǒng)一受控于一臺中央控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“四遙”功能，這樣的系統(tǒng)稱為監(jiān)控模塊。

（4）其他配套設(shè)備

其他配套的設(shè)備一般包括：交流進(jìn)線單元、雷擊保護(hù)模塊、降壓裝置、蓄電池巡檢儀、數(shù)字電壓電流表計(jì)、放電裝置等。

1.3 直流系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）電壓穩(wěn)定，不受電網(wǎng)運(yùn)行方式和電網(wǎng)故障的影響，發(fā)生單極接地故障時仍能正常工作；

（2）單套系統(tǒng)一般有2路輸入（自動切換），另有1套蓄電池組，相當(dāng)于有3個電源供電，供電可靠性高；

（3）由于直流繼電器無電磁振動和交流阻抗，故損耗較小，且可小型化，易于集成化。

1.4 直流系統(tǒng)劃分

電站的直流系統(tǒng)主要分為48 V系統(tǒng)、110 V系統(tǒng)、220 V系統(tǒng)。

（1）48 V系統(tǒng)主要用于通信、遠(yuǎn)動裝置，保護(hù)通道接口裝置及載波機(jī)等。

（2）110 V系統(tǒng)主要用于保護(hù)、自動裝置、信號、斷路器的分合閘控制等。其中，110 V直流系統(tǒng)要求絕緣水平較低，由于110 V直流網(wǎng)絡(luò)較小，接地幾率相對220 V的直流網(wǎng)絡(luò)要小。此外，110 V蓄電池個數(shù)少，占地面積小，安裝和維護(hù)工作簡單。

（3）電站照明電壓一般采用220 V，如使用110 V直流系統(tǒng)照明，由于所帶設(shè)備多，負(fù)荷功率較大，供電距離較長，因而電纜截面較大，投資增加，需要采用逆變裝置或其它辦法來解決事故照明的供電問題，較為復(fù)雜。使用220 V直流系統(tǒng)照明則接線簡單，對電站的事故照明比較有利。

1.5 直流電源系統(tǒng)接線方式

直流系統(tǒng)電源接線應(yīng)根據(jù)電力工程的規(guī)模和電源系統(tǒng)的容量確定。根據(jù)各種容量的發(fā)電廠以及不同電壓等級的變電站的特點(diǎn)，主要有4種接線方式：一組充電機(jī)一組蓄電池單母線接線、二組充電機(jī)一組蓄電池單母分段接線、二組充電機(jī)二組蓄電池雙母接線和三組充電機(jī)二組蓄電池雙母接線。

一電一充單母線接線的特點(diǎn)：接線簡單、清晰。

適用于110 kV以下小型變（配）電所和小容量發(fā)電廠，以及大容量發(fā)電廠中某些輔助車間。

圖1 一電一充單母線接線

一電兩充單母分段接線的特點(diǎn)：蓄電池經(jīng)分段開關(guān)接至兩端母線，二套充電機(jī)分別接至兩段母線。分段開關(guān)設(shè)保護(hù)元件，限制故障范圍，提高安全可靠性。具有一組蓄電池的固有特點(diǎn)，使直流母線電壓高于負(fù)荷允許范圍的運(yùn)行方式受到限制。

適用于110 kV以下小型變（配）電所和小容量發(fā)電廠，以及大容量發(fā)電廠中某些輔助車間，對電壓波動范圍要求不嚴(yán)格的直流負(fù)荷。

圖2 一電兩充單母分段接線

兩電兩充雙母接線的特點(diǎn)：接線方式比較復(fù)雜。

適用于500 kV以下大、中型變電所和大、中型容量發(fā)電廠。負(fù)荷對直流母線電壓的要求和對運(yùn)行方式的要求不受限制。

圖3 兩電兩充雙母接線

兩電三充雙母接線的特點(diǎn)：最復(fù)雜。

適用于500 kV及以上大型變電站和大容量發(fā)電站。適合對直流母線電壓有各種要求的負(fù)荷和各種類蓄電池，也能夠適應(yīng)蓄電池在各種工況運(yùn)行的要求。

圖4 兩電三充雙母接線

1.6 直流饋線接線方式

直流系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)有兩種供電方式：環(huán)形供電方式和輻射形供電方式。

在大型直流網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)操作切換較復(fù)雜、尋找接地故障點(diǎn)也較困難；環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)路徑較長，電纜壓降也較大。因此，變電站直流系統(tǒng)的饋線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用輻射狀供電方式，不宜采用環(huán)狀供電方式。

圖5 環(huán)形供電接線

輻射型接線方式的優(yōu)點(diǎn)是減少了干擾源（主要是感應(yīng)耦合和電容耦合）。一個設(shè)備或系統(tǒng)由1～2條饋線直接供電，當(dāng)設(shè)備檢修時或調(diào)試時，可方便地退出，不影響其他設(shè)備。當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，便于接地故障點(diǎn)的查找。缺點(diǎn)是饋線數(shù)量增加，電纜總長度增加，可能使直流主屏數(shù)增加，投資較大。

圖6 輻射型接線1

圖7 輻射型接線2

2 沙河抽水蓄能電站直流系統(tǒng)改造

2.1 改造原因

（1）直流系統(tǒng)改造前配置為機(jī)組、變電站共用一套直流系統(tǒng)供電，機(jī)組、變電站直流系統(tǒng)沒有完全獨(dú)立，不符合《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國能安全【2014】161號）第22.2.3.2條的要求；

（2）直流系統(tǒng)改造前系統(tǒng)為兩套充電裝置為2段直流母線供電，未配置備用充電屏，不符合《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國能安全【2014】161號）第22.2.3.4條的要求；

（3）直流系統(tǒng)在線絕緣檢測裝置不具備檢測交流電竄直流電的功能。

2.2 改造過程

改造內(nèi)容包括變電站直流系統(tǒng)獨(dú)立、機(jī)組直流系統(tǒng)改造兩部分內(nèi)容。

2.2.1 新增變電站直流系統(tǒng)

2017年5月，結(jié)合春季檢修新增了變電站直流系統(tǒng)，采用控制負(fù)荷和動力負(fù)荷合并供電方式，兩段單母線接線。母線之間設(shè)置一個聯(lián)絡(luò)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)母線的聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，正常運(yùn)行時直流母線分別獨(dú)立運(yùn)行。改造后實(shí)現(xiàn)了機(jī)組直流和變電站直流的相互獨(dú)立。

2.2.2 機(jī)組直流系統(tǒng)改造

2018年5月，結(jié)合春季檢修進(jìn)行了機(jī)組直流系統(tǒng)改造，由兩電兩充系統(tǒng)改為兩電三充系統(tǒng)，正常運(yùn)行時兩段母線分別獨(dú)立運(yùn)行。改造后，系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果合格，驗(yàn)收合格。

通過為期兩年的改造，直流系統(tǒng)經(jīng)歷了從全廠共用一套直流且為兩電兩充到機(jī)組、變電站直流系統(tǒng)完全獨(dú)立且均為兩電三充的升級改造過程，設(shè)備性能得到了有效提升，運(yùn)行可靠性也產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

2.2.3 技術(shù)改進(jìn)

（1）增設(shè)備用充電屏以及備用屏雙投開關(guān)將直流系統(tǒng)原有的兩電兩充運(yùn)行方式改為兩電三充運(yùn)行方式，在1、2號充電裝置故障時通過備用屏雙投開關(guān)可以及時切換使用備用充電屏為直流母線供電，提高了直流系統(tǒng)供電可靠性；

圖8 改造后直流系統(tǒng)接線圖

（2）優(yōu)化在線絕緣檢測裝置，在原有的功能基礎(chǔ)上增加了交流竄電故障報警以及報警選線功能，使故障發(fā)生時可以及時確定故障點(diǎn)，提高了故障消除的效率和準(zhǔn)確性。

2.3 取得成效

（1）重新規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站與機(jī)組直流系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。通過機(jī)組、變電站直流系統(tǒng)的分離，增加備用充電屏的改造，切實(shí)提高了直流系統(tǒng)的供電可靠性。

（2）升級設(shè)備功能，確保系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。在線絕緣裝置、電池巡檢裝置、屏柜主監(jiān)控裝置都在原有功能基礎(chǔ)上有了明顯提升。整流模塊作為直流系統(tǒng)的核心部件，增加了風(fēng)冷功能，提升了散熱性能，確保系統(tǒng)更加可靠，為黑啟動起勵、繼保、控制等直流負(fù)荷提供可靠電源。

（3）節(jié)省改造費(fèi)用，降本增效從點(diǎn)滴做起。選用了容量為141 A·h的進(jìn)口蓄電池組，在容量滿足要求的前提下節(jié)約了設(shè)備成本，同時也提高了設(shè)備的運(yùn)行壽命。重新核算了不間斷電源的供電負(fù)荷容量，節(jié)約設(shè)備成本約兩萬元。在改造中將該系統(tǒng)配電屏改為充饋一體的緊湊型結(jié)構(gòu)，由5面屏設(shè)計(jì)為3面屏，節(jié)約空間的同時也縮減了改造費(fèi)用。

3 結(jié)語

沙河抽水蓄能電站直流系統(tǒng)改造是設(shè)備系統(tǒng)改造的又一嘗試，消除了原設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，直流系統(tǒng)運(yùn)行安全性大幅增強(qiáng)，設(shè)備使用壽命得到延長，日常維護(hù)難度得到降低，提高了日常維護(hù)的便利性，確保了全站設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。