UPS在電廠事故照明系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

杜陳君，鄧佑清，李繼平

（天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

1 概述

某水電廠廠房區(qū)域照明系統(tǒng)接線分為三段，其中兩段a、b段為工作照明段，工作照明段采用380 V/220 V三相四線制交流供電，a段由10 kV廠用電Ⅳ段經(jīng)400 V變壓器29B降壓后供電，b段由10 kV廠用電Ⅴ段經(jīng)400 V變壓器30B降壓后供電，a、b段之間有母聯(lián)開關(guān)，正常情況下工作照明a、b段分段運行，其備投控制方式置“自動”位置，當任一段失電后，跳開失電回路的400 V母線進線開關(guān)，自動投入母聯(lián)開關(guān)；第三段為事故照明段，正常情況下由工作照明b段供電,當工作照明b段完全失電后，經(jīng)延時自動切至220 V直流系統(tǒng)供電。

2 故障分析及改造處理的必要性

在一起事件中，該水電廠400 V工作照明a、b段完全失電，事故照明由交直流事故切換裝置自動切換至220 V直流系統(tǒng)供電，結(jié)果導(dǎo)致220 V直流系統(tǒng)一點接地。而且該水電廠事故照明系統(tǒng)在進行定期試驗切換至220 V直流系統(tǒng)供電的過程中，上位機經(jīng)常會報220 V直流系統(tǒng)接地故障及復(fù)歸信號，經(jīng)試驗排查發(fā)現(xiàn)，該水電廠事故照明系統(tǒng)原來的設(shè)計中，交直流切換裝置是采用繼電器作為切換開關(guān)，事故照明交直流切換原理如圖1，原事故照明系統(tǒng)通過KM1和KM2兩個繼電器來實現(xiàn)事故照明的電壓監(jiān)視和交直流回路自動切換功能。從原理圖來看，這種傳統(tǒng)的交直流切換裝置沒有太大問題，但是該水電廠交流系統(tǒng)采用380 V/220 V三相四線制供電且變壓器中性點是接地的，所以事故照明系統(tǒng)220 V交流回路的零線也是接地的，當事故照明通過繼電器切換至220 V直流系統(tǒng)供電時，經(jīng)常會導(dǎo)致220 V直流系統(tǒng)瞬時的單相接地故障。

圖1 事故照明交直流切換原理圖

綜上所述，該水電廠事故照明切換導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地原因是該水電廠事故照明系統(tǒng)原來的設(shè)計存在缺陷，交直流切換裝置是采用繼電器作為切換開關(guān)，而交流回路與直流回路之間卻沒有進行電氣隔離，而事故照明系統(tǒng)220 V交流回路的零線是接地的，當事故照明段切換至220 V直流系統(tǒng)供電時，就會導(dǎo)致220 V直流系統(tǒng)一點接地，直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時對設(shè)備系統(tǒng)不會造成太大影響，但如果不及時處理, 直流接地會造成繼電保護的拒動或誤動,在復(fù)雜情況下產(chǎn)生高阻接地、環(huán)路接地、平衡接地及交直串接地等嚴重后果[1]，存在極大的安全隱患。

電力生產(chǎn)安全工作規(guī)程中要求，工作場所必須設(shè)有符合規(guī)定照度的照明。主控制室、重要表計、主要樓梯、通道等地點，必須設(shè)有事故照明[2]。在電廠中事故照明也是安全保障的一種技術(shù)措施，在廠用交流電源全失的情況下，為運行人員故障處理、恢復(fù)供電以及事故搶修提供照明，所以事故照明不能單采用交流電源，它必須還有可靠的直流電源作為備用電源。而且電廠中的直流系統(tǒng)不僅在廠用交流電源全失電時為事故照明提供電源，還承擔(dān)著為繼電保護、自動裝置、控制信號等提供可靠電源的任務(wù)。在廠用交流電源全失電時，直流系統(tǒng)的可靠性對電廠的事故處理和安全運行起著至關(guān)重要的作用。因此，對于事故照明投入后造成直流系統(tǒng)一點接地故障的問題，需要針對事故照明存在的缺陷進行技術(shù)改造[3]。

3 事故照明系統(tǒng)改造方案

該水電廠為解決事故照明切至直流供電會引起200 V直流系統(tǒng)接地的設(shè)計缺陷，提出了在事故照明系統(tǒng)中增加UPS或逆變器來實現(xiàn)事故照明系統(tǒng)交直流回路間的電氣隔離功能的改造方案。

3.1 UPS選型與事故照明系統(tǒng)接線

該水電廠事故照明系統(tǒng)設(shè)計總負荷35.8 kW，正常運行負荷為20 kW，事故照明燈均為220 V交/直流兩用燈具且容量沒有較大變動。經(jīng)調(diào)研，額定容量為30 kVA左右的單獨功能的逆變器及其盤柜在市場上沒有成品，需要定制，相對于UPS主機來說，盤柜占地面積大，造價高、維保差。綜合考慮現(xiàn)場盤柜布置情況及選型設(shè)計成本問題，確定選用成品UPS主機產(chǎn)品來實現(xiàn)事故照明系統(tǒng)交直流回路間的電氣隔離功能。經(jīng)多次咨詢產(chǎn)品選型技術(shù)專家，確認具有滿足該水電廠事故照明改造需求的UPS主機產(chǎn)品，最終選用施耐德Galaxy PWi系列三進單出產(chǎn)品，容量為30 kVA，型號為G1W30SU6PUTS的UPS主機。

UPS又稱不間斷電源，在礦山，醫(yī)院，通信，計算機網(wǎng)絡(luò)等對電源可靠性要求較高的行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。UPS（不間斷電源）是將蓄電池(多為鉛酸免維護蓄電池)與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成交流市電的系統(tǒng)設(shè)備[4]。通常情況下,電力系統(tǒng)控制室都配備有直流屏或蓄電池組,電力專用UPS就利用這些蓄電池組作為其逆變器的直流輸入,以減少重復(fù)投資[5]。該水電廠改造后的事故照明系統(tǒng)接線如圖2，其中交流/交流電源切換裝置及配套的2只交流進線開關(guān)加裝在400 V照明電b段10號饋電柜（事故照明饋電柜）內(nèi)，當由廠用交流電源供電時，逆變的交流電源應(yīng)完全隔離；反之，當由逆變交流電源供電時，廠用交流電源應(yīng)完全隔離，交流/交流雙電源切換設(shè)有延時裝置，以便躲過400 V交流系統(tǒng)的瞬時故障而不誤啟動，延時0.5～5 s且可調(diào)，交流進線開關(guān)額定電流為100 A 4P，采用三相四線制的接線方式，事故照明系統(tǒng)交流回路與直流系統(tǒng)通過UPS和雙電源切換裝置連接起來，實現(xiàn)交直流回路的電氣隔離，來解決事故照明切換導(dǎo)致直流接地問題。

圖2 改造后的事故照明接線圖

3.2 事故照明系統(tǒng)運行方式

此接線設(shè)計有以下幾種運行方式：

正常情況下，事故照明由取自400 V照明電b段的220 V交流電源供電。

當400 V照明電b段失電時，雙電源切換裝置經(jīng)延時后動作，由取自400 V照明電a段的220 V交流電源經(jīng)UPS主機先整流再逆變?yōu)?20 V交流電源供電。

當400 V照明電交流電源因故全失時，由取自220 V直流系統(tǒng)的直流電源逆變?yōu)?20 V交流電源供電。

3.3 接線方式的優(yōu)點

相對于直接采用UPS主機輸出供應(yīng)事故照明負荷，該設(shè)計有以下優(yōu)點：

（1）正常情況下，事故照明負荷由400 V照明電b段供應(yīng)，220 V直流系統(tǒng)僅在400 V照明電全失時才逆變輸出。這樣盡可能減少直流系統(tǒng)的負載供應(yīng)需求，同時可盡量避免交流系統(tǒng)與直流220 V系統(tǒng)的互相影響。

（2）事故照明UPS主機承擔(dān)220 V直流供事故照明負荷時的電氣隔離作用，作為事故照明的熱備用電源，不帶經(jīng)常性負載。這樣可以避免UPS主機單一故障對整個事故照明系統(tǒng)的影響。

4 UPS應(yīng)用中遇到的問題及解決方法

UPS原理圖如圖3，回路①為主用交流回路，回路②為200 V直流輸入回路，回路③為交流旁路。即UPS系統(tǒng)的運行方式分為：正常運行方式、蓄電池供電運行方式、自動旁路運行方式、手動旁路運行方式4種[6]。

圖3 UPS原理圖

4.1 UPS無法使用交流旁路上電開機

該水電廠事故照明系統(tǒng)改造接線完成后對UPS主機上電調(diào)試過程中，主用交流開機正常，單獨使用220 V直流輸入開機試驗正常，而無法使用交流旁路上電開機。經(jīng)技術(shù)人員排查，確認原因為該水電廠400 V廠用電為TN-C接地系統(tǒng)（即N線和PE線是一根PEN線），而UPS主機要求交流旁路N線懸空（即不能接PE線）。為了不影響UPS主機的使用，交流旁路未接入。

4.2 UPS主機整流充電模塊存在對220 V直流系統(tǒng)浮充電的可能性

如圖3主用交流回路①供電時，220 V交流電源經(jīng)UIB輸入開關(guān)、輸入變壓器、整流器、直流電感、電池斷路器BB與220 V直流系統(tǒng)蓄電池相連，可能存在UPS主機整流充電模塊對220 V直流蓄電池浮充電的問題，針對此問題，廠家技術(shù)人員在UPS主機設(shè)置里將充電模塊禁用，同時UPS主機運行中保持UIB主用交流輸入開關(guān)斷開，取消220 V主用交流電源經(jīng)UPS主機先整流再逆變?yōu)?20 V交流電源供電的運行方式。UPS主用交流進線暫且接入，僅在UPS主機維護時使用，220 V直流電源正常接入，運行中UPS主機只作為逆變器使用。

4.3 UPS輸出的N相存在干擾電勢

現(xiàn)場使用UPS后，進行事故照明雙電源切換調(diào)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙電源切換裝置不能正常切換，經(jīng)分析排查，確認原因為UPS輸出的N相受到附近電氣設(shè)備和電子元件的干擾，導(dǎo)致N相有一定的電勢存在。該電勢使雙電源切換裝置的控制器誤判UPS輸出的N相有電，從而影響雙電源切換裝置正常切換。

為了消除UPS輸出的N相存在的干擾電勢，現(xiàn)場采取將UPS輸出的N相接地的方法。經(jīng)試驗驗證，將UPS輸出的N相接地后，N相干擾電勢消失，UPS主機運行正常，事故照明雙電源切換調(diào)試正常，如圖2 UPS主機輸出1路交流電源的N相是接地的，確認此方法可行。

5 結(jié)語

該水電廠事故照明系統(tǒng)改造完成后，進行事故照明雙電源切換調(diào)試，并用400 V照明電b段校核事故照明系統(tǒng)實際總負荷為19 kW,滿足UPS主機容量要求,然后將事故照明切至220 V直流系統(tǒng)供電，逐個點位投入事故照明直至全部投入，來校驗UPS的帶負荷能力，并觀察對220 V直流系統(tǒng)的影響。

經(jīng)試驗驗證，該水電廠改造后的事故照明系統(tǒng)雙電源切換滿足技術(shù)要求及現(xiàn)場使用需要，UPS的帶負荷能力滿足需要，UPS裝置投入使用正常，改造后的事故照明系統(tǒng)實現(xiàn)了交直流系統(tǒng)的電氣隔離，解決了事故照明切換導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地的缺陷，事故照明切至220 V直流系統(tǒng)供電時對220 V直流系統(tǒng)的影響滿足技術(shù)要求，達到改造的預(yù)期目的。