直流電源分配柜供電可靠性的分析與改進(jìn)

郭 鈞，許 震

直流電源分配柜供電可靠性的分析與改進(jìn)

郭 鈞，許 震

（國(guó)家能源集團(tuán)諫壁發(fā)電廠，江蘇鎮(zhèn)江 212006）

本文分析了直流電源分配柜采用二極管耦合并聯(lián)供電方式的可靠性，在此基礎(chǔ)上提出采用專用直流電源切換裝置以消除二極管耦合對(duì)直流電源可靠性的影響，并對(duì)新切換裝置進(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該裝置滿足了所述分配柜系統(tǒng)運(yùn)行可靠性要求。

直流電源分配柜 供電方式 二極管耦合

0 引言

直流電源分配柜系統(tǒng)能否正常運(yùn)行直接影響到所供負(fù)載的安全性和可靠性，而獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的保護(hù)，如DEH、ETS、MFT等均采用直流電源，其目的是當(dāng)DCS系統(tǒng)失靈時(shí)，不造成機(jī)組設(shè)備的重大故障，故作為直流系統(tǒng)分配柜電源的可靠性則顯得尤為重要。

1 現(xiàn)有直流電源分配柜直流供電方式

為確保供電回路的可靠性，以前采用較多的方法，就是利用二極管單向?qū)ǖ奶匦宰鳛榍袚Q方式，例如：采用兩個(gè)二極管（兩路正極串聯(lián)二極管）負(fù)極直連通，或采用四個(gè)二極管（兩路的正負(fù)極都串有二極管）負(fù)極直連通，如圖1所示。 某廠直流電源分配柜，其直流電源由雙路直流電源供電，采用二極管耦合并聯(lián)供電方式，其原理如圖2所示。其接線方式，違反了《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中的相關(guān)要求。

圖1 四個(gè)二極管回路

圖2 直流電源分配柜電源側(cè)采用二極管耦合原理

2 二極管耦合并聯(lián)供電問(wèn)題分析

2.1 未實(shí)現(xiàn)兩路電源電氣完全隔離

二極管耦合是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，但二極管反向存在漏電流，并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的主、輔電源隔離。正常情況電氣的兩段直流電源之間有聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，但是平時(shí)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，只有在一段直流電源需要停電檢修時(shí)才會(huì)合上聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。二極管相當(dāng)于人為地在兩段直流電源上增加了一個(gè)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，并且這個(gè)“開(kāi)關(guān)”還一直處于“合閘”位置，這對(duì)于110 V直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)很大危害。

2.2 直流接地時(shí)引起誤報(bào)警

直流系統(tǒng)絕緣不良或接地時(shí)，直流I、II母的絕緣在線監(jiān)察裝置均出現(xiàn)報(bào)警，影響故障點(diǎn)的查找。

2.3 違反了相關(guān)的反措要求

根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》的相關(guān)規(guī)定，110V及以上蓄電池供電的雙路直流供電電源應(yīng)防止在分配盤柜合環(huán)運(yùn)行，采用雙向二極管實(shí)現(xiàn)電源無(wú)擾切換的裝置應(yīng)逐步淘汰，淘汰前要定期檢查二極管壓降，若發(fā)現(xiàn)擊穿，立即更換。

從直流電源的特點(diǎn)分析，直流電源的最大特點(diǎn)是：不接地系統(tǒng)，正負(fù)極電壓為110 V或220 V，正對(duì)地和負(fù)對(duì)地電壓是變動(dòng)的，而現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)的直流電源可以測(cè)量出正對(duì)地電壓、負(fù)對(duì)地電壓，目的是為了便于查找直流接地在正負(fù)對(duì)地之間人為地接入了阻值較大的平衡電阻。為維護(hù)直流電源經(jīng)常需要查找直流接地。直流一點(diǎn)接地不可怕，可怕的是兩點(diǎn)接地。當(dāng)出現(xiàn)一點(diǎn)接地會(huì)引起直流接地絕緣監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警，需要及時(shí)查找到接地點(diǎn)，將隱患消除。 二極管具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高、造價(jià)低的特點(diǎn)，但是二極管不具備電氣隔離，容易造成絕緣檢測(cè)裝置的誤報(bào)或亂報(bào)，給查找接地帶來(lái)困難。采用二極管切換方式，由于直流系統(tǒng)可以一點(diǎn)接地運(yùn)行，雙路電源是引自不同的蓄電池組的不同的直流電源系統(tǒng)，任何一路單點(diǎn)接地都可以正常工作。由此我們可以來(lái)分析一下，采用兩個(gè)二極管的模式，會(huì)直流造成正負(fù)短路，引起開(kāi)關(guān)跳閘。采用四個(gè)二極管的模式如圖4所示，假設(shè)第一路負(fù)接地，第二路正接地，會(huì)造成什么結(jié)果呢？

直流電源的特性就是低導(dǎo)通、高截止，也就是說(shuō)從電位高的地方向電位低的方向流，見(jiàn)簡(jiǎn)化圖圖4。

圖3 四個(gè)二極管的模式下接地

圖4 四個(gè)二極管的模式下接地簡(jiǎn)化圖

從圖4中可以看出1路負(fù)接地，相當(dāng)于把第一路電源的負(fù)極電位抬高到0 V，2路的正接地，相當(dāng)于把2路的正電位拉低到0 V。以220 V為例，第一路正負(fù)電壓220 V，正對(duì)地220 V，負(fù)對(duì)地0 V。第二路正對(duì)地0 V，負(fù)對(duì)地-220 V。正常情況下，兩路分別為正對(duì)地+110 V，負(fù)對(duì)地-110 V，正負(fù)之間220 V，當(dāng)發(fā)生直流接地時(shí)，正負(fù)之間電壓不變，只是改變了對(duì)地的電位?？吹谝宦冯娫?，正極出發(fā)看電流流向，通過(guò)D1二極管到負(fù)載，理應(yīng)經(jīng)過(guò)D2二極管回到第一路的負(fù)極，但現(xiàn)在第一路負(fù)極電位抬高到0 V，而負(fù)載的另一支路D4二極管對(duì)第二路電源負(fù)極電位是-220 V，所以低導(dǎo)通高截止，整個(gè)回路就從第一路正極出發(fā)經(jīng)D1二極管到負(fù)載，經(jīng)D4二極管到第二路負(fù)極，相當(dāng)于把第一路電源和第二路電源串聯(lián)施加到負(fù)載，必然造成負(fù)載無(wú)法承受2倍額定電壓，這樣的真實(shí)案例在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)較多。

3 直流電源分配柜配置改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案

該廠利用檢修機(jī)會(huì)結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，將直流兩路電源由二極管耦合并聯(lián)供電方式改為采用進(jìn)口大功率直流真空接觸器作為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，同時(shí)輔助以大功率DC/DC轉(zhuǎn)換電路，來(lái)保證在轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)開(kāi)斷瞬間輸出電壓穩(wěn)定，滿足雙路電源之間的隔離要求，避免直流系統(tǒng)接地故障時(shí)的相互影響。

3.2 直流雙電源轉(zhuǎn)換裝置原理

裝置基本原理框圖如圖5所示，輸入電源回路1（以下簡(jiǎn)稱主電）以及輸入電源回路 2（以下簡(jiǎn)稱備電）分別經(jīng)二極管、接觸器以及直流隔離單元（DC/DC）并聯(lián)到輸出端。兩個(gè)獨(dú)立的裝置電源1，2輸入端分別取自電源1路和電源2路，同時(shí)為裝置內(nèi)部的邏輯回路供電，以保證任何一路輸入失電時(shí)，裝置內(nèi)部邏輯不受影響。

圖5 直流雙電源轉(zhuǎn)換裝置原理框圖

裝置正常工作時(shí)，其中主電源經(jīng)防反二極管直接輸出，備用電源開(kāi)關(guān)ZKJ觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)，直流隔離變換單元（DC/DC）亦處于工作狀態(tài)，與主電源對(duì)負(fù)載并聯(lián)供電。當(dāng)主電源由于故障造成電壓跌落或失電時(shí)，裝置內(nèi)電壓檢測(cè)回路檢測(cè)到輸入端電壓變化。當(dāng)電壓值跌落到額定電壓的 75%Un（±5 V）時(shí)，裝置判斷該路電源出現(xiàn)故障，發(fā)出切換命令，ZKJ接通，將輸出電壓切換到備用電源上。經(jīng)測(cè)試整個(gè)切換過(guò)程約為 1ms，在切換過(guò)程中，裝置的 DC/DC 回路將輸出端電壓變化不超過(guò)±10%。當(dāng)主電源直流系統(tǒng)故障排除，恢復(fù)供電時(shí)，裝置面板對(duì)應(yīng)電源指示燈亮，裝置自動(dòng)切換回主電源供電。當(dāng)切換裝置為冗余雙機(jī)配置時(shí)，兩臺(tái)裝置在主電源失電時(shí)會(huì)同步切換，確保設(shè)備工作狀態(tài)相同。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)存在問(wèn)題

切換裝置在大多采用雙冗余形式（即兩個(gè)切換裝置并列運(yùn)行且認(rèn)主電源），現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝接線時(shí)，每個(gè)切換裝置均設(shè)有各自獨(dú)立兩路進(jìn)線電源開(kāi)關(guān)，而兩切換裝置的輸出則并列運(yùn)行無(wú)輸出開(kāi)關(guān)。如圖6所示。

采用此種方式接線時(shí)，當(dāng)某一切換裝置的某一路進(jìn)線開(kāi)關(guān)跳閘或異常分閘時(shí)，其切換裝置則切換至另一路電源供電，而另一正常切換裝置仍為一電源供電，此時(shí)將會(huì)造成直流系統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ段母線經(jīng)此切換裝置的輸出端進(jìn)行了聯(lián)絡(luò)，環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，特別是發(fā)生直流系統(tǒng)再發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)帶來(lái)較大的安全隱患。

圖6 雙機(jī)冗余電氣連接圖

經(jīng)討論協(xié)商，仍采用雙冗余形式，將四路進(jìn)線開(kāi)關(guān)改為二路進(jìn)線開(kāi)關(guān)（兩個(gè)切換裝置共用電源進(jìn)線開(kāi)關(guān)），避免任一開(kāi)關(guān)失電引起的直流環(huán)網(wǎng)問(wèn)題。

3.4 改進(jìn)結(jié)果

此次直流分配柜電源回路技改后，經(jīng)測(cè)驗(yàn)證，裝置的電壓切換門限值為額定電壓的75%，0秒自動(dòng)切換，切換過(guò)程電壓變化不超過(guò)±10%，滿足了系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行要求。改進(jìn)后解決雙回路直流供電可靠性的同時(shí)，又滿足了雙路電源之間的隔離要求，避免直流系統(tǒng)接地故障時(shí)的相互影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了某直流電源分配柜采用二極管耦合供電方式，分析其電源系統(tǒng)存在的問(wèn)題。為消除采用二極管耦合供電方式下的分直流電源分配柜對(duì)直流電源系統(tǒng)的影響，提高運(yùn)行直流電源可靠性，采用了直流真空接觸器作為切換開(kāi)關(guān)的直流電源切換裝置代替，并對(duì)切換裝置原理進(jìn)行了介紹，為直流電源分配柜可靠性改造提供借鑒。

[1] 中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn): 火力發(fā)電廠熱工電源及氣源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程: DL/T5455-2012[S]. 2012.

[2] 喻從軍. 火電廠汽輪機(jī)DEH控制系統(tǒng)直流電源供電方式改造[J]. 機(jī)電信息, 2018, 543（9）: 65-66.

[3] 汽輪機(jī)ETS裝置跳閘電源可靠性分析與改進(jìn)[J]. 電力安全技術(shù), 2013,15（3）: 37-38.

Analysis and Improvement of Reliability of DC Power Distribution Cabinet

Guo Jun, Xu Zhen

(Jianbi Power Plant of National Energy Group, Zhenjiang 212006, Jiangsu, China )

TN866

A

1003-4862（2021）06-0070-03

2020-10-29

郭鈞(1977-)，男，工程師。研究方向：發(fā)電運(yùn)行管理與維護(hù)。E-mail: 15952889665@163.com