淺析水電站直流系統(tǒng)安全運(yùn)行防控措施

楊 恒，龐希斌，宋太平，韓 軻，趙聚平

（國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 引言

在抽水蓄能電站中，直流系統(tǒng)為開關(guān)控制操作、繼電保護(hù)及自動裝置等系統(tǒng)提供電源[1]，直流系統(tǒng)的可靠與否，直接決定著電站能否安全運(yùn)行，若其發(fā)生故障未及時處理，可能會造成大面積停電，甚至全廠停機(jī)，后果不堪設(shè)想。如2016年陜西某330 kV變電站因直流系統(tǒng)運(yùn)維不到位，導(dǎo)致變電站起火爆炸，造成了大面積停電事故。

目前，我國的抽水蓄能電站直流系統(tǒng)的配置與能源局下發(fā)的25項(xiàng)反措要求還有差異，直流系統(tǒng)的運(yùn)維精細(xì)化管控與上級單位管理要求還存在一定差距[2]，主要表現(xiàn)為：直流系統(tǒng)“兩充一備”、交流串入檢測功能不完善、直流接地、整流模塊故障、絕緣檢測裝置異常、蓄電池電壓異常等問題。故選取黑麋峰公司、張河灣公司、天荒坪公司等為調(diào)研對象，進(jìn)行直流系統(tǒng)配置情況調(diào)研，統(tǒng)計(jì)缺陷設(shè)備、缺陷發(fā)生時間、頻次等，從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)維、檢修等維度分析原因，并制定針對性預(yù)防措施，為直流系統(tǒng)運(yùn)維及設(shè)備升級改造選型提供指導(dǎo)性建議。

2 直流系統(tǒng)配置概況及存在的問題

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)3個電廠直流系統(tǒng)布置較分散，相互之間距離較遠(yuǎn)，全站直流系統(tǒng)按供電范圍一般設(shè)置3套，即：地下主廠房、開關(guān)站、上庫分別各設(shè)置1套，分別對地下主廠房、開關(guān)站及下庫、上庫的用電設(shè)備提供直流供電電源。

抽水蓄能電站直流系統(tǒng)主要由蓄電池組、充電裝置、直流饋電回路、絕緣監(jiān)測裝置等組成。2010～2016年，新源公司直流系統(tǒng)共發(fā)生直流缺陷630個。其中，蓄電池組缺陷發(fā)生率為7.14%、充電裝置缺陷發(fā)生率為10.16%、直流饋電回路缺陷發(fā)生率為76.35%、絕緣監(jiān)測裝置缺陷發(fā)生率為6.35%。

由圖1可知，直流系統(tǒng)缺陷主要集中在直流饋電回路，主要包括直流系統(tǒng)絕緣降低、直流回路接地兩方面，另外蓄電池容量降低、充電模塊故障也較常見。

圖1 2010～2016直流系統(tǒng)缺陷統(tǒng)計(jì)

2.1 蓄電池組

某主廠房直流系統(tǒng)為密封閥控式鉛酸蓄電池，型號為HZY2-1500，一共有2組，分別接入主廠房直流系統(tǒng)I、II段，每只蓄電池的標(biāo)稱電壓2 V，使用GZDW高頻開關(guān)電源模塊為其充電，控制電源模塊的中央控制器RM2201有均充和浮充兩種充電模式，正常情況下為浮充狀態(tài)，每3個月進(jìn)行一次均充，均充和浮充為自動轉(zhuǎn)化，均充電壓為2.35 V，浮充電壓為2.25 V。電池的設(shè)計(jì)壽命在理想情況下（20℃恒溫）為10～18年，充電裝置具備溫度補(bǔ)償功能，電池密封良好，未發(fā)生過充和過放，無氣體溢出，無化學(xué)物質(zhì)損失。

2.1.1 蓄電池組故障

從定期單電壓測量和放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況來看，主廠房蓄電池2014年來設(shè)備健康水平開始惡化，如表1、圖2、圖3所示。

表1 2014～2015年放電試驗(yàn)不合格蓄電池?cái)?shù)量

圖2 主廠房I組蓄電池第6 h的放電數(shù)據(jù)

圖3 主廠房II組蓄電池第5 h的放電數(shù)據(jù)

通過2012年、2014年與2015年相同放電小時后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)行年數(shù)的增加蓄電池單體電壓絕大部分都有下降，從圖中可以發(fā)現(xiàn)2014年蓄電池電壓與2012年蓄電池電壓比較接近，從2015年放電數(shù)據(jù)看劣化趨勢愈加明顯，且I組電池與II組電池保持同步劣化。

2.1.2 原因分析

（1）環(huán)境溫度

電池的使用壽命與環(huán)境溫度有很大關(guān)系，溫度升高時，蓄電池的極板腐蝕將加劇，消耗更多的水，使電池壽命縮短[3]。閥控蓄電池高于25℃時，每升高6～9℃，電池壽命縮短一半，由于直流室相對封閉，而充電裝置發(fā)熱量較大，雖采取了通風(fēng)和降溫措施，但環(huán)境溫度仍然維持在28℃左右，較理想的20℃偏高，降低了電池組的使用壽命。

（2）過充電

蓄電池充放電過程的化學(xué)反應(yīng)公式表示如下：

在浮充情況下，氧氣穿過隔板由正極板到負(fù)極板，并同負(fù)極板中的活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成氧化鉛。氧化鉛同硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛。硫酸鉛再與負(fù)極形成的氫氣結(jié)合生成鉛和硫酸。以上反應(yīng)概括了氣體再合成的過程，正常情況下氣體再合成的效率為95%～99%。

環(huán)境溫度升高，氧氣和氫氣再化合效率隨充電電流增大而變小，過充電將使產(chǎn)生的氣體不可能完全再化合，從而引起電池內(nèi)部壓力增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定壓力時，安全閥打開，氫氣和氧氣逸出，同時帶出酸霧，消耗了有限的電解液，導(dǎo)致硫酸的濃度升高，使電池的自放電增加，加速了板柵的腐蝕，也促使二氧化鉛的松散脫落，使蓄電池的循環(huán)壽命下降[4]。

（3）放電深度

電池的壽命與每次放電的深度有很大關(guān)系，化學(xué)物質(zhì)無損失，放電深度為20%時電池壽命可達(dá)2000次循環(huán)，放電深度為100%時電池使用壽命為350次[3]。在進(jìn)行深度放電時，單體電池的電壓和容量都會出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，完成深度放電后，整組電池中就會出現(xiàn)落后電池，當(dāng)對電池進(jìn)行恢復(fù)充電時，由于落后電池的化學(xué)物質(zhì)不足，無法達(dá)到電壓平衡的目的，下一次放電差異將會進(jìn)一步擴(kuò)大[5]。

2.2 直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測儀

2.2.1 絕緣監(jiān)測儀的工作原理

目前絕緣監(jiān)測儀多采取雙電源供電，其控制電源供電如圖4所示。

圖4中直流電源I、II的正極用正向并聯(lián)的二極管D1和D3進(jìn)行隔離，負(fù)極用反向并聯(lián)的二極管D2和D4進(jìn)行隔離，在正常情況下只要兩回電源的電壓完全一致，沒有出現(xiàn)波動，則兩回電源就不產(chǎn)生影響[6]。

圖4 雙電源供電系統(tǒng)控制電源供電圖

監(jiān)測儀自動巡回檢測直流系統(tǒng)的電壓和電阻，當(dāng)母線對地絕緣電阻降低時，裝置自動報(bào)警，如果支路的漏電流超過限定值2 mA，裝置自動報(bào)警。絕緣監(jiān)測儀的直流傳感器套接在直流支路上，它與直流系統(tǒng)沒有任何電的聯(lián)系，不影響直流系統(tǒng)的運(yùn)行；在不發(fā)生接地時，支路KM流出的電流I1=I2，此時傳感器所感應(yīng)到的電流差為0 mA，絕緣監(jiān)測儀不會產(chǎn)生告警。當(dāng)發(fā)生了如圖5所示的直流110 V系統(tǒng)接地情況時，則此時：

如此實(shí)現(xiàn)了直流支路的接地監(jiān)測。

圖5 雙電源供電回路直流接地示意圖

當(dāng)使用環(huán)路供電時（兩路開關(guān)的輸出饋線都接在一個負(fù)載上，并且兩路同時供電），由于很難保證兩條環(huán)路的線路電阻對稱相等，導(dǎo)致每個傳感器上所檢測到的磁通大小不同方向相反，即便該環(huán)路沒有絕緣過低，只要負(fù)載上有電流流過，環(huán)路上的兩個傳感器就會報(bào)警，并且報(bào)警是恒定的，不會消失。

2.2.2 原因分析

當(dāng)直流系統(tǒng)兩段出現(xiàn)不同程度的接地后，兩路電源之間將出現(xiàn)環(huán)流供電的現(xiàn)象，這樣容易出現(xiàn)電壓的疊加，導(dǎo)致負(fù)載過電壓，同時還產(chǎn)生接地告警，環(huán)路不間斷的供電，如果直流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，這樣的供電方式是可靠的。但是任何直流系統(tǒng)都不能保證兩段對地電阻完全相同，也不能保證系統(tǒng)不發(fā)生接地現(xiàn)象。

2.3 直流接地

2.3.1 放電儀工作電源混入直流系統(tǒng)

某廠曾發(fā)生過合上蓄電池放電儀開關(guān)時，發(fā)生了10 kV進(jìn)線開關(guān)310、320跳閘事件，對報(bào)警信息分析，初步確定是由于直流系統(tǒng)充放電試驗(yàn)引起跳閘?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)前直流系統(tǒng)負(fù)極和蓄電池負(fù)極電壓相等，對放電儀進(jìn)一步分析，在穩(wěn)壓電源輸出電壓為DC±58 V的基礎(chǔ)上，接上放電儀電纜，用數(shù)字示波器測量放電儀對穩(wěn)壓電源的影響。

（1）當(dāng)放電儀AC 220 V開關(guān)和放電儀電池組開關(guān)都為分閘時，測量穩(wěn)壓電源的電壓

V正對地=58 V V負(fù)對地=-58 V

（2）當(dāng)放電儀AC 220 V開關(guān)分閘但放電儀電池組開關(guān)合閘時，測量穩(wěn)壓電源的電壓

V正對地=45.7 V V負(fù)對地=-45.7 V

（3）當(dāng)放電儀AC 220 V開關(guān)合閘但放電儀電池組開關(guān)分閘時，測量穩(wěn)壓電源的電壓

V正對地=57.8 V V負(fù)對地=-57.8 V

（4）當(dāng)放電儀AC 220 V開關(guān)合閘和放電儀電池組開關(guān)合閘時，測量穩(wěn)壓電源的電壓

V正對地=129 V V負(fù)對地=-129 V由以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：當(dāng)AC 220 V開關(guān)合上而放電儀電池組開關(guān)分時，穩(wěn)壓電源電壓基本保持不變。

當(dāng)AC 220 V開關(guān)分而放電儀電池組開關(guān)合時，穩(wěn)壓電源的正負(fù)極電壓都有12.3 V的下降，所以如果是接入到直流系統(tǒng)中表現(xiàn)為正負(fù)極電壓的絕對值都下降。

當(dāng)AC 220 V開關(guān)合而放電儀電池組開關(guān)合時，造成穩(wěn)壓電源的正極電壓升高，負(fù)極電壓的絕對值也升高。

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：直流系統(tǒng)的蓄電池負(fù)極通過2ZK1接入系統(tǒng)負(fù)極，而蓄電池的正極與系統(tǒng)分開，當(dāng)合上放電儀AC 220 V開關(guān)和放電儀電池組開關(guān)時將造成負(fù)極電壓下降正極電壓上升，10 kV系統(tǒng)控制電源正負(fù)極電壓不正常發(fā)生接地，導(dǎo)致10 kV進(jìn)線開關(guān)310、320跳閘。

2.3.2 母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘

某廠曾發(fā)生地下直流系統(tǒng)II段絕緣低告警，隨即復(fù)歸，上位機(jī)告II/III段母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)304合閘。現(xiàn)場檢查聯(lián)絡(luò)開關(guān)304確在合閘位置，直流系統(tǒng)II段15支路接地告警，漏電流為-3.1 mA。15支路為10 kV II段開關(guān)控制電源2KM9。拉開直流系統(tǒng)10 kV II段及III段的儲能電源開關(guān)及控制電源開關(guān)，對直流電纜搖絕緣，搖測結(jié)果均大于500 MΩ。

現(xiàn)場模擬直流系統(tǒng)接地狀態(tài)，試驗(yàn)304開關(guān)的動作情況發(fā)現(xiàn)：

304開關(guān)在試驗(yàn)位置，分閘，閉鎖條件滿足：解開X3：12端子，將304開關(guān)控制電源正極瞬時接地，動作結(jié)果：304未動作，其他開關(guān)未動作。

304開關(guān)在試驗(yàn)位置，分閘，閉鎖條件滿足：恢復(fù) X3：12端子，解開 X3：13端子，將304開關(guān)控制電源正極瞬時接地，動作結(jié)果：304合閘，其他開關(guān)未動作。

從試驗(yàn)中可以看出，304開關(guān)合閘為保護(hù)回路因直流接地導(dǎo)致誤動，REF542保護(hù)裝置受直流接地干擾，存在誤動現(xiàn)象。但304開關(guān)在工作位置，由于合閘閉鎖條件滿足，開關(guān)不會合閘；開關(guān)在合閘位置，直流系統(tǒng)接地未引起開關(guān)誤分現(xiàn)象，因此在直流系統(tǒng)控制電源系統(tǒng)中存在另一處接地，從而形成了兩點(diǎn)接地，故導(dǎo)致了304開關(guān)動作。

2.3.3 5001跳閘事件

某電廠更換完開關(guān)站直流系統(tǒng)I段1ZM1模塊，更換模塊顯示正常。不久直流系統(tǒng)I/II段中央控制單元報(bào)交流失壓報(bào)警，接著新更換模塊內(nèi)發(fā)生爆炸；查詢得知500 kV 5001斷路器跳閘，5001斷路器保護(hù)裝置動作，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的檢查分析得知，是由于1ZM1模塊故障引起開關(guān)站直流系統(tǒng)1號段電壓異常造成用于5001開關(guān)操作箱第2組跳閘的繼電器誤動作。

經(jīng)技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行檢查和分析，對于5001開關(guān)誤跳閘得出以下分析及結(jié)論：1號、2號發(fā)變組保護(hù)5001開關(guān)跳閘II回路至5001開關(guān)操作箱II組跳閘的電纜長度超過400 m，屬于長電纜，對地分布電容較大，當(dāng)開關(guān)站直流系統(tǒng)I段1ZM1模塊故障引起直流系統(tǒng)電壓異常，對地形成電容電壓，達(dá)到繼電器線圈動作電壓，造成5001開關(guān)操作箱用于第2組跳閘繼電器誤動作，從而導(dǎo)致5001開關(guān)誤跳閘。

2.3.4 50016跳閘分析

某日某電廠上位機(jī)報(bào)“1號機(jī)主變高壓側(cè)無壓”信號，緊接著顯示“隔離開關(guān)50016位置分閘”，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)主廠房直流系統(tǒng)正極母線電壓為27 V，正極發(fā)生了接地現(xiàn)象。對地下50016分閘回路進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)由監(jiān)控LCU6分50016的電纜發(fā)生了接地，對地電阻為500 Ω，該點(diǎn)為直接接在分閘回路的負(fù)極上。在對50016閉鎖回路進(jìn)行分析中發(fā)現(xiàn)50016刀閘根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，閉鎖是被解除的，且50016刀閘的閉鎖回路未加入與5001斷路器的閉鎖關(guān)系。

根據(jù)以上情況可以得出結(jié)論，由于直流系統(tǒng)控制電源存在正極接地，而在50016分閘回路中存在負(fù)極接地，從而造成了兩點(diǎn)接地，且閉鎖邏輯滿足條件，所以50016刀閘有偷跳。

3 防控措施

3.1 直流系統(tǒng)蓄電池組

（1）蓄電池在放電過程中要考慮到整組電池的電壓平衡，避免小電流深度放電或過放電[7]。

（2）進(jìn)一步采取降溫措施盡可能使電池室的環(huán)境溫度在20～25℃的范圍內(nèi)[8]，①能避免極板的老化；②能使電池在額定條件下運(yùn)行；③能有效提高氫氣和氧氣的重新化合能力。

（3）將主廠房兩組蓄電池進(jìn)行有效物理隔離，防止兩組電池故障后互相影響[9]。

（4）及時清理蓄電池表面及接線柱，防止電池自放電現(xiàn)象[10]。

（5）做好蓄電池單體電壓定期測量工作，對于浮充電壓低于2.2 V的蓄電池加強(qiáng)監(jiān)視，如持續(xù)下降，對其更換。

3.2 雙電源供電回路

采用允許長期帶電的直流繼電器進(jìn)行切換（圖6），當(dāng)I路直流電源有效時，則選擇I路直流電源進(jìn)行供電，當(dāng)I路電源失電后繼電器復(fù)歸，其常閉觸點(diǎn)接通，II路直流電源供電，兩路直流電源徹底隔離，直流系統(tǒng)不會產(chǎn)生因環(huán)流而造成的誤告警，同時克服了負(fù)載的過電壓供電。此外在回路中加裝了一個小型的UPS（不間斷電源），維持繼電器的輔助觸點(diǎn)在切換的過程中保證負(fù)荷側(cè)的電壓短時間不變，在繼電器復(fù)位成功以后直流電源II開始給負(fù)荷供電，同時給UPS充電，兩路直流電源沒有發(fā)生相互影響的現(xiàn)象，因此不會造成絕緣監(jiān)測儀誤發(fā)告警信號，也不會給直流系統(tǒng)造成過電壓，而且由于UPS的不間斷供電的使得負(fù)荷能夠不斷電。

圖6 雙直流電源供電回路優(yōu)化

3.3 直流接地缺陷防控措施

（1）在電纜選型的時候要選擇性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠、運(yùn)行穩(wěn)定且具有良好售后服務(wù)的廠家所提供的設(shè)備。某廠型號為ZR-KVVP2-22電纜曾多次接地，經(jīng)過對電纜的分析發(fā)現(xiàn)是由于電纜自身的屏蔽線造成了電纜的絕緣降低[11]。

（2）如果接地發(fā)生在控制或保護(hù)回路，應(yīng)通知保護(hù)人員協(xié)助，查找接地要慎重，斷開電源前，要采取防止保護(hù)誤動的措施，如退出出口壓板等[12]。

（4）查找直流系統(tǒng)的接地時應(yīng)注意：查找時應(yīng)謹(jǐn)防造成短路和造成另一點(diǎn)接地，應(yīng)使用高內(nèi)阻電壓表進(jìn)行測量[11]。

（5）在直流系統(tǒng)電壓異常時，如有微機(jī)保護(hù)的電源自動切除，異常排除后，恢復(fù)電源重新啟動前，應(yīng)做好防止保護(hù)誤動措施。

（6）由于直流系統(tǒng)中很多負(fù)荷屬于會影響機(jī)組運(yùn)行的重要負(fù)荷，因此處理直流系統(tǒng)故障時最好選擇機(jī)組停機(jī)時進(jìn)行。

4 結(jié)語

本文對抽水蓄能電站典型直流系統(tǒng)缺陷進(jìn)行了分析、處理研究，并提出了預(yù)控措施，為直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。結(jié)合電站運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對直流系統(tǒng)配置提出了改進(jìn)措施，其研究思路和成果可為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)，具有較好的參考意義。在抽水蓄能電站社會責(zé)任越來越重大的背景下，有利于電站的安全穩(wěn)定運(yùn)營，更好的服務(wù)電網(wǎng)、服務(wù)社會，確保社會的長治久安。

由于直流系統(tǒng)典型缺陷原因多樣，難以一一剖析，加之水平有限，本文總結(jié)出的針對性預(yù)防措施及設(shè)備運(yùn)維、升級改造建議存在一定局限性，需在后續(xù)工作中進(jìn)一步完善。