變電所直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場運(yùn)行問題分析

劉海燕

摘要:文章對變電所直流系統(tǒng)接線方式以及直流系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行簡單介紹,結(jié)合變電所直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)情況,對變電所直流系統(tǒng)各相關(guān)的問題展開討論和分析,并提出了提高直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性一些建議。

關(guān)鍵詞:變電所;直流系統(tǒng);設(shè)計(jì);維護(hù);分析; 可靠性

中圖分類號:TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-8937(2009)24-0013-02

1 概 述

直流系統(tǒng),是電力系統(tǒng)各變電所不可缺少的必要裝備。在日常運(yùn)行中,為繼電保護(hù)、控制、信號、計(jì)算機(jī)監(jiān)控、事故照明、交流不間斷電源等提供電源。直流系統(tǒng)各直流用戶都是非常重要的,直流系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到變電所安全運(yùn)行。變電所直流系統(tǒng)安全可靠性,首先取決于直流系統(tǒng)的接線方式,包括直流母線配置、直流供電方式;其次,取決于構(gòu)成直流系統(tǒng)各個設(shè)備的選擇和配置,包括直流充電裝置、蓄電池組、直流絕緣監(jiān)測裝置、直流熔斷器(直流斷路器)等等。另外,提高直流系統(tǒng)可靠性還需要不斷提高日常運(yùn)行維護(hù)水平。下面文章從設(shè)計(jì)以及運(yùn)行維護(hù)角度對變電所直流系統(tǒng)相關(guān)的問題展開討論和分析。希望通過分析能提高對變電所直流系統(tǒng)重要性的認(rèn)識以及對提高直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供有益參考。

2分析與討論

變電所直流系統(tǒng)的可靠性與直流系統(tǒng)的接線方式,蓄電池、充電器的配置以及直流各負(fù)荷配置密切相關(guān)。當(dāng)然不同電壓等級的變電所,對直流系統(tǒng)提出了不同的要求。原則上,在滿足直流供電可靠性的前提下,直流系統(tǒng)接線方式應(yīng)盡可能的簡單,設(shè)備盡可能的簡化。同時,還應(yīng)考慮日常檢修維護(hù)安全性、方便性等因素。

2.1直流電壓選擇

變電所直流系統(tǒng)的電壓一般有110V和220V兩種規(guī)格,現(xiàn)場變電所直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓選擇應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。實(shí)際直流系統(tǒng)電壓采用110V和220V都有優(yōu)缺點(diǎn)。如電壓選用110V主要有以下特點(diǎn):蓄電池可以減少一半,直流電壓低對絕緣以及人身都有好處,干擾電壓以及分布電容影響小,控制電纜壓降要大,電纜投資大,直流系統(tǒng)容量要少一半,供給事故照明以及動力負(fù)荷等一些特殊負(fù)荷時要額外增加投資,以上6個特點(diǎn)均相對電壓為220V直流系統(tǒng)而言。

對比兩者均有優(yōu)缺點(diǎn),前3點(diǎn)是電壓等級110V直流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),而后3點(diǎn)則是電壓等級為220V直流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。那么現(xiàn)場實(shí)際如何選取?對于早期的變電所絕大多數(shù)采用220V直流電壓等級,主要考慮直流動力負(fù)荷的壓降影響而選擇220V電壓等級。當(dāng)前由于技術(shù)發(fā)展,變電所均采用集中控制,保護(hù)控制就地化以后,電纜壓降已經(jīng)不是主要問題。因此,目前較多的新建變電所采用電壓等級為110V直流系統(tǒng)。現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)變電所實(shí)際情況,綜合比較上述兩種電壓的優(yōu)缺點(diǎn)合理選取。

2.2 直流系統(tǒng)接線方式

變電所直流系統(tǒng)接線方式一般應(yīng)根據(jù)變電所重要性確定,目前新建的主要有單母線、單母線分段等幾種方式。其中單母線僅包括單段母線,配置1套充電器和1組蓄電池及相應(yīng)直流配電屏。單母線分段又可分為:①單母線分段,有兩個分段直流母線,中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān),兩段母線總共配置1套充電器和1組蓄電池。②單母線分段,有兩個分段直流母線,中間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān),每段母線各配置1套充電器和1組蓄電池。這里所說的充電器均能實(shí)現(xiàn)浮充、初充以及均充的功能,即目前新直流充電器均能將以上功能實(shí)現(xiàn)。對于單母線分段聯(lián)絡(luò)開關(guān)切換應(yīng)保證切換不斷電,同時充電器能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)給蓄電池組充電。

對于單母線接線方式首先不能實(shí)現(xiàn)直流雙路供電的要求,因此該方式一般較多使用在110kV及以下變電所。對于單母線分段且只有1組蓄電池和1套充電器的接線方式,從形式上雙路直流電源可以從不同的分段母線上獲取,但是直流系統(tǒng)本身就一套電源配置,一般在110kV變電所或者一些不是很重要的220kV變電所采用。對于單母分段且能實(shí)現(xiàn)直流電源按分段母線配置的直流系統(tǒng),真正實(shí)現(xiàn)了雙路直流電源供電,且這兩路直流電源相互獨(dú)立,一般在220kV及以上變電所采用,在一些特別重要的變電所另配置1套充電器作為各分段充電器的備用。

對于直流配電屏各個直流負(fù)荷的布置,應(yīng)盡可能的合理配置負(fù)荷,宜采用直流輻射網(wǎng)絡(luò),不宜采用直流小母線方式。在一些老變電所較多的使用了直流小母線方式,即屏頂小母線,這勢必需要考慮直流各級熔斷器(或者直流斷路器)的配合問題。目前,最理想的方式采用直流輻射網(wǎng)絡(luò)各個直流負(fù)荷與直流配電屏上負(fù)荷開關(guān)一一對應(yīng)。既可簡化直流熔斷器(或者直流斷路器)配合問題,同時又可方便運(yùn)行人員直流系統(tǒng)接地查找和判斷。此外,直流負(fù)荷分布應(yīng)充分考慮雙路電源相互獨(dú)立性,即對有雙路直流電源要求的設(shè)備設(shè)計(jì)時,應(yīng)能實(shí)現(xiàn)冗余的配置,切忌雙重化配置設(shè)備直流電源交叉配置。

直流系統(tǒng)接線方式對直流系統(tǒng)可靠性、運(yùn)行靈活性起關(guān)鍵作用,當(dāng)然這里面又涉及到經(jīng)濟(jì)性問題以及現(xiàn)場用戶運(yùn)行習(xí)慣。因此,現(xiàn)場設(shè)計(jì)時,也應(yīng)綜合考慮上述各種因素。

2.3直流充電器

直流充電器是變電所直流系統(tǒng)一個重要組成設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對蓄電池組進(jìn)行充電和浮充電,其性能好壞將關(guān)系到蓄電池組的長期可靠運(yùn)行。目前,直流充電器既有微機(jī)相控式硅整流充電裝置,又有高頻開關(guān)電源模塊構(gòu)成的充電裝置。

直流充電器選擇時應(yīng)考慮以下技術(shù)要求:①輸出電壓、電流范圍能滿足蓄電池組的初充、均充、浮充等運(yùn)行工況要求。②具備恒壓、恒流充電功能。③穩(wěn)壓精度以及紋波系數(shù)滿足規(guī)程要求。④限流、過壓等保護(hù)功能。此外,新型微機(jī)型充電器在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)手動充電、自動均衡充電、浮充電功能,當(dāng)蓄電池事故放電后,應(yīng)能對蓄電池自動進(jìn)行補(bǔ)充電;實(shí)現(xiàn)了能適應(yīng)蓄電池組初充電要求和根據(jù)溫度變化自動補(bǔ)償浮充電電壓的功能,確保蓄電池組不會因環(huán)境溫度的變化而造成過充電或欠充電;實(shí)現(xiàn)了對蓄電池故障檢測功能,能對蓄電池回路的開路或短路進(jìn)行檢測;實(shí)現(xiàn)與變電所監(jiān)控系統(tǒng)接口通信功能。

在早期的現(xiàn)場應(yīng)用中,由于高頻開關(guān)模塊故障率較高,沒有全面推廣使用。但隨著高頻開關(guān)模塊技術(shù)發(fā)展、元器件質(zhì)量提高及制造工藝改進(jìn),微機(jī)型高頻開關(guān)模塊構(gòu)成的直流充電器的優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn),在近年來的設(shè)計(jì)中已經(jīng)逐步取代相控式硅整流充電器而成為變電所直流充電器的首選。其主要有以下優(yōu)點(diǎn):①結(jié)構(gòu)緊湊,體積小、重量輕、容量大;②技術(shù)指標(biāo)高,模塊本身能承受多次或長時間短路沖擊,穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高,紋波系數(shù)小;③(N+1)冗余模塊并聯(lián)組合方式供電,模塊可帶電插拔,任一模塊退出運(yùn)行均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;④模塊自動均流,充電電流自動可調(diào)。

2.4 直流蓄電池

蓄電池組是構(gòu)成直流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,其性能好壞將直接影響到變電所的可靠運(yùn)行。近幾年來,蓄電池技術(shù)發(fā)展很快,新建變電所主要采用閥控式密封鉛酸蓄電池和免維護(hù)電池兩種類型的蓄電池。其中閥控式密封鉛酸蓄電池克服了開口式和防酸及隔爆蓄電池的缺點(diǎn),以優(yōu)越的技術(shù)性能,如大電流放電性能優(yōu)良、自放電小、使用中無需加水和酸液、不漏液、無酸霧、內(nèi)阻小和安裝方便及少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而得到了更為廣泛應(yīng)用。

在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中需注意以下幾點(diǎn):①蓄電池組的容量應(yīng)滿足變電所最嚴(yán)重事故下直流母線電壓不低于規(guī)定要求。②合理配置蓄電池組的數(shù)量,并根據(jù)不同廠家要求正確選擇蓄電池的浮充電壓,這個是保證直流系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行和蓄電池壽命的關(guān)鍵所在。③日常維護(hù)中需要定期的進(jìn)行均衡充電,以及定期進(jìn)行核對性放電試驗(yàn),同時需要考慮溫度補(bǔ)償充電。④目前所選用微機(jī)型直流充電器都具備了上述功能,應(yīng)用中直流充電器必須按照蓄電池的技術(shù)要求,合理設(shè)置參數(shù)。

2.5直流熔斷器(直流斷路器)配置

在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)比較普遍的問題就是直流熔斷器(直流斷路器)選擇配置以及上下級配合的問題,在系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了較多影響比較嚴(yán)重的事故。近年來這個問題已經(jīng)普遍引起了設(shè)計(jì)、運(yùn)行以等相關(guān)單位的重視,并且被列為現(xiàn)場反措檢查(或者安全性評價)的一個重要內(nèi)容。但限于現(xiàn)場人員由于認(rèn)識不同,可能對該問題的存在或者嚴(yán)重性尚沒有深入了解。因此,新變電所設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)對直流熔斷器(直流斷路器)予以明確和規(guī)范,而對于已投運(yùn)變電所應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行及早檢查并整改。

變電所內(nèi)各電氣成套設(shè)備、保護(hù)屏、控制屏以及高壓斷路器等的直流熔斷器(直流斷路器)分別由各自生產(chǎn)廠家自行配置,這其中可能有采用不同品牌的直流斷路器、直流熔斷器或交直流兩用斷路器,甚至有些還采用交流斷路器代替直流斷路器使用。這就導(dǎo)致了目前變電所直流熔斷器(直流斷路器)上下級無法配合。既有上下級采用不同廠家的直流熔斷器,又有上下級直流熔斷器和直流斷路器共存的現(xiàn)象,還有交直混用的實(shí)際情況。如果直流供電網(wǎng)絡(luò)沒有采用一一對應(yīng)的輻射方式的話,必然會導(dǎo)致上下級失配越級。因此,對于設(shè)計(jì)和運(yùn)行和維護(hù)人員必須要重視以下幾個問題:

①設(shè)計(jì)和改造過程中應(yīng)選用直流專用斷路器,其額定電壓應(yīng)大于或等于整個回路的工作電壓;額定電流應(yīng)大于或等于整個回路的工作電流;其斷流能力應(yīng)滿足直流系統(tǒng)短路電流的要求。推薦使用三段式直流斷路器,可更好的實(shí)現(xiàn)上下級配合問題。

②直流熔斷器必須選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的專業(yè)廠家的熔斷器產(chǎn)品,加強(qiáng)現(xiàn)場對直流熔斷器的運(yùn)行管理,對發(fā)生過直流短路過的熔斷器,也應(yīng)予以及時更換,對運(yùn)行多年的熔斷器應(yīng)定期更換。

③在同一直流回路中應(yīng)選擇單一的斷路器(或者熔斷器),切不可混用。對于由于不同設(shè)備廠家供貨而使用在同一回路中的直流斷路器(熔斷器),必要時可通過試驗(yàn)的來驗(yàn)證上下級的配合關(guān)系。

④盡可能采用輻射直流供電網(wǎng)絡(luò),整個直流回路上下級差配合應(yīng)認(rèn)真校核計(jì)算,避免由于設(shè)計(jì)選用不當(dāng)導(dǎo)致直流停電擴(kuò)大。

2.6 直流接地查找

變電所直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地是最為常見的直流系統(tǒng)故障,根據(jù)規(guī)程規(guī)定發(fā)生接地后應(yīng)在規(guī)定的時間內(nèi)排查,如再發(fā)生另一點(diǎn)的直流接地,兩點(diǎn)接地的后果是非常嚴(yán)重。同時發(fā)生一點(diǎn)接地還會對變電所保護(hù)控制設(shè)備造成不良后果,如保護(hù)的誤動,控制失靈等等。如何查找直流接地,有效保證變電所直流系統(tǒng)的安全性,是直流系統(tǒng)日常維護(hù)中一項(xiàng)重要的工作。因此,在變電所設(shè)計(jì)需考慮此問題。

目前新建變電所都采用了新型的微機(jī)直流絕緣監(jiān)測裝置,該裝置既可實(shí)現(xiàn)常規(guī)5個直流系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測,包括直流母線電壓、正對地電壓、負(fù)對地電壓、正對地絕緣電阻以及負(fù)對地絕緣電阻;同時,可以實(shí)現(xiàn)每個直流負(fù)荷在線接地監(jiān)測。正常運(yùn)行中裝置監(jiān)測5個常規(guī)直流參數(shù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)直流異常時,立即對各個直流支路的巡查,當(dāng)某個支路參數(shù)(絕緣電阻)不正常時,提示運(yùn)行人員。改變了以往逐一拉電的方式進(jìn)行直流接地檢查。保證了直流接地查找安全性和及時性。目前主要的直流絕緣監(jiān)測裝置有兩種原理。一種是采用外加低頻低壓信號源進(jìn)行監(jiān)測,此裝置需要考慮注入信號源對直流系統(tǒng)影響,以及容易受分布電容以及電磁環(huán)境影響。另外一種直接監(jiān)測直流支路直流漏電流,此裝置需要在每個直流支路安裝一個高精度的直流互感器,確保能分辨出毫安級的漏電流。應(yīng)該說這兩種類型的裝置各有特點(diǎn),都有較為廣泛的使用?，F(xiàn)場設(shè)計(jì)時,應(yīng)充分考慮到使直流絕緣在線監(jiān)測裝置選線范圍能涵蓋每一個直流支路,當(dāng)采用采用直流分屏?xí)r,也應(yīng)考慮直流分屏每一個支路的監(jiān)測。同樣如果采用直流小母線形式,就無法實(shí)現(xiàn)每一負(fù)荷的在線直流接地監(jiān)測,不利于運(yùn)行維護(hù)。另外,在現(xiàn)場維護(hù)時,應(yīng)充分認(rèn)識直流接地的危害,合理使用直流絕緣監(jiān)測裝置,及時消除直流接地。

3結(jié) 語

直流系統(tǒng)作為變電所重要組成部分,其可靠與否將直接影響到整個變電所的安全,甚至涉及到電網(wǎng)的安全。因此,合理配置直流系統(tǒng)接線方式并選擇使用性能優(yōu)良的直流系統(tǒng)設(shè)備是必須的。加強(qiáng)直流系統(tǒng)的日常維護(hù)和管理是保證直流系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。