直流系統蓄電池組失效分析

李振軍

(國神集團秦皇島發電有限責任公司，河北 秦皇島 066003)

0 概述

直流電源是電力系統中控制、保護、自動裝置及重要輔機最穩定、可靠的電源，而蓄電池組作為直流系統中的后備電源，當電力系統出現故障時，電力系統中的直流系統可以通過蓄電池供電來維持其正常工作。因此，蓄電池的穩定性對保障電力設備的正常運行具有重要意義。

1 系統配置

某廠220 kV系統接線方式為雙母線帶旁路，正常運行中2條母線并聯運行，母聯開關合入。2臺發電機組分別接入2條220 kV母線，2條220 kV線路也分別接入2條220 kV母線。2臺發電機組配有1臺啟動變。

220 kV系統設2套母線差動保護，分別為南京南瑞的RCS-915和深圳南瑞的BP-2B型母差保護。線路設2套縱聯差動保護，分別為南京南瑞的RCS-931AM和北京四方的CSC-103B型保護，及1套南京南瑞的RCS-923C型斷路器失靈保護。

發變組電量保護采用雙重化配置，保護A，B兩柜相互獨立，A，B柜采用南瑞的PCS-985B型發電機變壓器成套保護裝置；保護C柜為非電量保護，采用南瑞的PCS-974A-G型非電量保護裝置；2臺機組配有北京四方的CSC-821廠用電源快速切換裝置；啟動變配備2套許繼的WFB802A型電量保護和一套FCZ-832型操作箱。

220 kV升壓站直流系統設2段動力與控制混用母線，采用單母線供電，1號浮充柜與1號蓄電池組帶網控直流A段母線，2號浮充柜與2號蓄電池組帶網控直流B段母線，A，B段母線之間設聯絡刀閘，每組蓄電池由104個電瓶組成。

1，2號浮充柜配備雙電源自動切換，設為常用電源和備用電源兩路。1號浮充柜的常用電源取自1號機組保安段，備用電源取自2號機組保安段；2號浮充柜的常用電源取自2號機組保安段，備用電源取自1號機組保安段。1，2號浮充柜雙電源自動切換裝置可以實現常用電源異常時自動向備用電源切換，常用電源恢復后再切換至常用電源運行。

2 故障概況

2020-10-27，1號機組停備，2號機組正常運行。220 kV系統雙母線并聯運行，2條220 kV線路運行正常無操作，啟動變聯動備用。

17：15，接電網調度命令，1號機組準備啟動并網。1號機組鍋爐上水啟動1號電動給水泵時，220 kV網控盤發“母線保護B柜報警”“網控1號浮充柜失電”光字牌，2號發電機電氣盤發“2號發變組A柜保護故障”光字牌。檢查母差保護B柜開入變位，開入異常報警燈亮，2條線路保護A柜發“保護裝置異常”報警。

查看各保護裝置的報文得到詳細報警信息，2號發變組保護A柜報文為“強電開入電源監視1→0”，220 kV母差保護B柜報文為“刀閘位置變化”，2條線路RCS931AM保護裝置報文為“閉重三跳0→1”，2號機組廠用電快速切換裝置報文為“電源失電Ugz=96.11 V，Uby=0 V”，網控直流1號浮充柜報文為“交流失壓”。

2020-10-28T01：36，1號機組鍋爐上水再次啟動1號電動給水泵時，上述信號再次發出。

3 報警行為分析

3.1 初步分析

故障發生后，對所有報警信息進行了初步分析，因發變組保護、母差保護、線路保護均發出報警，而且報警似乎都與電壓量有關，分析后判斷應是由電網系統電壓波動所致。而電動給水泵在機組以往的啟動過程中和正常運行中啟動時，從未發出過這些報警，因此未將兩者聯系在一起。

3.2 報警信息分析

2020-10-28T01：36，啟動1號電動給水泵時，上述信號再次發出。判斷應從給水泵啟動入手，分析給水泵啟動與所有報警信息的聯系，最終得到正確的故障原因。

(1) 保護裝置失電。2號發變組保護A柜PCS-985B型發變組保護裝置的報文“強電開入電源監視1→0”，是由于保護裝置電源失電導致裝置開入量電源消失而發出相應報警信息，說明保護裝置的直流電源曾經失電。

案例2：某大學針對某項政策的態度調查，隨機抽取300名該校不同身份的被調查者，了解其對該政策的觀點，調查結果如表2所示。

(2) 開關操作箱失電。BP-2B型母差保護裝置的刀閘切換是通過接于母線的各元件刀閘的輔助接點啟動開關操作箱，再啟動母差保護開入量單元的光隔實現的。刀閘切換回路由母線刀閘位置接點和電壓切換繼電器組成，當相關元件的開關操作箱直流電源失電后，電壓切換繼電器返回，常開接點斷開，電源恢復后常開接點再次閉合。相對于母差保護裝置的刀閘位置指示來說，相當于刀閘由合閘變為分閘再回到合閘狀態。刀閘位置狀態發生變化時，裝置會發刀閘位置變位報警。報文“刀閘位置變化”說明相關開關操作箱直流電源曾經失電。

(3) 重合閘裝置失電。南瑞RCS-931AM保護裝置中溝通三跳為常閉接點，重合閘裝置故障或直流電源消失，將溝通三跳接點閉合，發“閉重三跳”信號報警。報文“閉重三跳0→1”也說明重合閘裝置直流電源曾失電。

(4) 啟動變高壓側開關操作箱失電。CSC821微機型廠用電快速切換裝置中，備用電源電壓檢測的是220kV母線電壓。220 kV母線電壓經過啟動變高壓側開關操作箱的電壓切換回路開入，操作箱電壓切換回路由母線刀閘位置接點和電壓切換繼電器組成。當操作箱直流電源消失時，電壓切換繼電器返回，常開接點斷開，快切裝置的備用電壓檢測回路檢測到的電壓為0。因此，報文“電源失電Ugz=96.11 V，Uby=0 V”，說明啟動變高壓側開關操作箱曾經失電。

通過以上報文分析，得出這些保護裝置或開關操作箱的直流電源都曾經短暫失電。

4 原因分析

4.1 保護裝置電源接線方式分析

對2號發變組保護A柜、線路重合閘裝置和220 kV線路開關、220 kV母聯開關和啟動變開關操作箱的直流電源進行篩查，發現這些電源均取自網控直流A段，且該A段母線曾短暫失電，失電的原因應與電動給水泵啟動有關系。

4.2 電動給水泵啟動對浮充柜的影響

電動給水泵電機功率為5 500 kW，額定電壓為6 kV，額定電流為599 A。每次電機啟動時，對廠用電電壓影響較大，6 kV廠用母線電壓會大幅下降。本次啟動時，6 kV廠用母線電壓下降到4.88 kV，380 V廠用母線電壓下降到309 V。1號組電動給水泵接于6 kV工作A段母線，而該機組380 V保安段的上級電源380 V工作A段母線同樣取自6 kV工作A段母線。因此，在啟動1號電動給水泵時，380 V保安段的電壓也下降到了309 V左右。

網控直流1號浮充柜因保安段母線電壓降低，發生了交流電源切換，故網控盤發“網控1號浮充柜失電”光字牌，網控直流1號浮充柜發“交流失壓”報文是正確的。

4.3 浮充柜交流電源切換工作原理

浮充柜的交流電源輸入分為手動控制和自動切換控制2種輸入方式，兩路交流電源輸入時采用自動切換方式，使用交流電源自動切換控制盒并輔以2個交流電源接觸器組成自動切換電路，實現系統兩路交流電源的自動切換輸入。

經查閱說明書發現，電源切換設定的電壓偏低，切換點定值為相電壓170 V，換算到380 V電壓等級為293 V。定值在出廠時被固化在電源投切模塊中，運行中不能更改。

查閱相關行業標準，發現標準的規定與電壓切換的設定值有所偏差，如DL/T 724—2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》規定，充電裝置的基本參數交流輸入額定電壓為(380±10 %) V；DL/T 857—2004《發電廠、變電所蓄電池用整流逆變設備技術條件》規定，交流電網電壓波動范圍，380 V電網為342～437 V。由此可見，設定值相較于上述標準偏低。

在實際運行中，啟動1號電動給水泵時，380 V保安段電壓都會下降到310 V左右，但每次浮充柜交流電源都會切換，說明電源投切模塊的電壓采樣并不準確，而且每次交流電源切換都會使浮充柜中斷輸出。

4.4 直流母線蓄電池失效分析

直流系統因有蓄電池組存在，浮充柜輸出中斷并不會使直流母線失電，如出現直流母線失電，則說明蓄電池組可能失效。

檢查網控直流1號蓄電池組的電流表顯示為0，浮充柜控制器顯示浮充電流為-0.3 A，說明浮充電運行方式下蓄電池組工作狀態可能異常。對每個單體蓄電池進行電壓測量，發現4號、68號瓶單體電壓為0，69號瓶單體電壓為12 V。倒換直流母線運行方式后，測量1號蓄電池組出口端電壓在20～30 V擺動，進一步驗證了1號蓄電池組已經失效。1號網控浮充柜兩路交流電源切換過程中，切換的時間約為15 s，因1號蓄電池組失效，網控直流A段母線也就失電大約15 s，這樣就可以合理解釋電動給水泵啟動時，各保護裝置所發報警是由1號蓄電池組失效所致。

更換4號、68號及69號瓶之后，蓄電池組電壓恢復至232 V，浮充電流也指示正常，蓄電池組恢復正常功能。

5 風險預控措施

5.1 風險分析

本次事件因設備啟動引起，直流母線失電時間較短，未引發嚴重不利影響。但是，交流電源如發生長時間故障，直流母線會因蓄電池組失效而失電。從網控直流A段所接帶負荷來看，2臺機組的A套發變組電量保護、線路保護、母差保護及啟動變保護的其中1套保護和線路重合閘裝置均失電，線路開關、母聯開關及啟動變高壓側開關的操作箱均失電。如發生系統故障，將因直流電源失電造成保護及自動裝置拒動，各開關無法正常操作而致事故影響擴大，嚴重威脅系統及設備安全。

5.2 預控措施

本次失效的蓄電池組為閥控蓄電池，已運行8年，按DL/T 724—2000《電力系統用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程》規定，應每年做1次核對性放電試驗。試驗中如發現工作狀態不佳的單體蓄電池，應更換為備用蓄電池，或根據試驗情況整體更換蓄電池組。

在運行中，應重點監視蓄電池組的端電壓值、浮充電流值、蓄電池組及直流母線的對地電阻值和絕緣狀態。每周測量1次每只蓄電池的電壓值，如發現異常，及時更換。

在此基礎上，可視條件安裝蓄電池組在線監測裝置，做到實時了解蓄電池運行狀況，如有異常及時發現和處理，避免因蓄電池組失效引發更嚴重的后果。

6 結束語

蓄電池組相對于直流系統乃至整個發電廠電氣系統的重要性不言而喻，而蓄電池組失效有著不易發現的隱蔽性，在運行中應對蓄電池組的工作狀態多加關注，以保證直流系統的不間斷供電，從而保證電力系統的安全、可靠、高效運行。