兩段站用直流母線自動(dòng)并列裝置研發(fā)與應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)永州供電公司變電檢修公司 楊先輝 唐 民 文鋮漢

近幾年在我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了幾次變電事故，造成直流全停、保護(hù)拒動(dòng)，主要原因?yàn)樾铍姵毓收系耐瑫r(shí)站用交流失壓。隨著科技的進(jìn)步變電站也在朝智能方向發(fā)展，站用直流電源系統(tǒng)的安全性和可靠性愈發(fā)重要。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，220kV及以上電壓等級(jí)的重要變電站都配備了兩套直流系統(tǒng)。但盡管在這種情況下，依然會(huì)在某段直流充電機(jī)上出現(xiàn)交流失壓或蓄電池故障、開(kāi)路等問(wèn)題，帶來(lái)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)造成某段直流母線失壓，出現(xiàn)直流負(fù)荷失電、保護(hù)拒動(dòng)的情況。

我國(guó)某一供電公司下屬有十幾座220kV變電站，都設(shè)置了兩段直流母線手動(dòng)并列切換開(kāi)關(guān)，但一旦出現(xiàn)某段直流母線失壓，正常段母線不能立即對(duì)該段母線提供正常直流電壓。為解決變電站內(nèi)某段直流充電機(jī)出現(xiàn)交流失壓，并在直流蓄電池故障、開(kāi)路下直流母線失壓，從而造成保護(hù)裝置失電、保護(hù)拒動(dòng)的難題，本研究在直流充電機(jī)原理基礎(chǔ)上進(jìn)行兩段站用直流母線自動(dòng)并列裝置的研制。若站內(nèi)直流充電機(jī)失壓、蓄電池故障或開(kāi)路，可通過(guò)該裝置無(wú)延時(shí)、自動(dòng)進(jìn)行切換為故障母線實(shí)現(xiàn)正常的電壓供給，從而讓故障母線可恢復(fù)正常電壓，避免直流負(fù)荷損失，保障電網(wǎng)可以更加穩(wěn)定的運(yùn)行[1]。

1 改進(jìn)型直流充電機(jī)原理分析及研制

1.1 原理分析

充電模塊通過(guò)交流電源輸入，經(jīng)過(guò)裝置內(nèi)部整流濾波后，由DC/DC變換及其控制電路、整流濾波輸出穩(wěn)定可靠的直流電壓，為站內(nèi)直流設(shè)備提供穩(wěn)定電源，其原理如下：三相交流輸入-輸入保護(hù)-橋式整流-平滑濾波-DC/DC變換-平滑濾波-輸出保護(hù)-直流輸出。考慮站用交流失壓后直流充電機(jī)將失去其作用，因此若以站用直流母線為電源輸入，通過(guò)改進(jìn)內(nèi)部回路，從而實(shí)現(xiàn)直流電源輸入且直流電源輸出，故該方案從源頭解決了兩端直流母線互聯(lián)的難題。改進(jìn)型直流充電機(jī)原理圖如圖1所示[2]。

圖1 改進(jìn)型直流充電機(jī)原理圖

相比直流充電模塊，改進(jìn)型直流充電機(jī)內(nèi)部回路只對(duì)變壓器匝比及功率進(jìn)行了調(diào)整，改造容易、成本低且具備以下功能：該裝置接在兩段母線之間，實(shí)現(xiàn)了兩段母線物理隔離，無(wú)電氣連接，避免出現(xiàn)兩段直流系統(tǒng)互竄；該裝置可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置輸出電壓，當(dāng)兩段母線電壓正常時(shí)裝置處于熱備用狀態(tài)，一旦某段母線電壓低于設(shè)定值時(shí)裝置無(wú)延時(shí)啟動(dòng)，正常段母線對(duì)電壓降低段母線供電，保證了兩段母線正常運(yùn)行，同時(shí)又由于裝置內(nèi)部的電氣隔離，確保當(dāng)某段發(fā)生母線短路故障時(shí)不會(huì)影響另一段直流母線正常運(yùn)行。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上原理分析，對(duì)裝置整體進(jìn)行構(gòu)思及主要部件進(jìn)行分析。

充電模塊部分。結(jié)合變電站較常應(yīng)用直流充電模塊進(jìn)行內(nèi)部功能改造后，通過(guò)電力行業(yè)直流充電機(jī)特性測(cè)試儀對(duì)其穩(wěn)壓、穩(wěn)流、紋波系數(shù)，開(kāi)展測(cè)試，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果符合原模塊各項(xiàng)數(shù)據(jù)要求；顯示部分。在確定整流模塊以后選擇了配套使用的監(jiān)控器，通過(guò)監(jiān)控器能夠?qū)Ω鞫文妇€電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合觸摸可以進(jìn)行故障、直流信息、系統(tǒng)控制、參數(shù)設(shè)置等多種功能實(shí)現(xiàn)；箱體部分。箱體需整合和容納所選設(shè)備，通過(guò)具體的分析得知，在選擇箱體材料時(shí)，相比塑料材質(zhì)而言金屬箱體雖然較重，但是在應(yīng)用過(guò)程中也并不用多次移動(dòng)，而且金屬材質(zhì)更加容易在其中進(jìn)行整流模塊的加裝，提高其耐用程度，所以選擇金屬材質(zhì)的箱體[3]。通過(guò)各設(shè)備整合，最終成品如圖2所示。

圖2 成品圖

2 效果檢查

2.1 裝置測(cè)試

在成功研制出兩段站用直流母線自動(dòng)并列裝置后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，按照?qǐng)D3所示完成裝置接線。接線完成后設(shè)置兩段母線運(yùn)行電壓為232V，并將2號(hào)主機(jī)輸出電壓設(shè)為220V。模擬Ⅰ段母線失壓：退出#1蓄電池總保險(xiǎn)讓#1蓄電池停止供電；退出Ⅰ段站用交流電源讓Ⅰ段充電模塊退出運(yùn)行，使得Ⅰ段的直流母線失去電源，觀察I段母線實(shí)際電壓變化情況以判斷裝置實(shí)際工作情況。

圖3 裝置與直流系統(tǒng)連接原理拓?fù)鋱D

調(diào)取直流母線電壓錄波記錄，如圖4所示，在T1時(shí)刻模擬Ⅰ母失電時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)跌落或中斷Ⅰ母電壓，而是電壓逐漸降低，直到所設(shè)定的220V。在T2時(shí)刻，此時(shí)電壓保持在裝置設(shè)定的220V?；謴?fù)Ⅰ段充電模，其母線電壓繼續(xù)穩(wěn)定在232V。同理模擬Ⅱ母失壓，直流母線電壓錄波記錄如圖5所示。

圖4 實(shí)時(shí)錄波效果圖1

圖5 實(shí)時(shí)錄波效果圖2

通過(guò)測(cè)試，證實(shí)了本次項(xiàng)目所研制的裝置在兩段直流母線系統(tǒng)發(fā)生單段母線直流電源故障時(shí)，可以對(duì)電源故障段母線提供無(wú)延時(shí)直流供電，并具有較高的安全性和可靠性。而且在故障恢復(fù)之后也不會(huì)對(duì)兩段直流母線的正常運(yùn)行造成不利影響。同時(shí)該裝置可適用于各種電壓等級(jí)的雙段直流系統(tǒng)（110V系統(tǒng)、通訊用48V系統(tǒng)等），經(jīng)簡(jiǎn)單改進(jìn)也可適用于多段直流系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍及前景都極其廣大。

2.2 安全經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)該自動(dòng)并列裝置的使用，能夠在站內(nèi)的直流母線出現(xiàn)失壓、故障情況時(shí)起到保護(hù)效果，防止出現(xiàn)裝置失電、保護(hù)拒動(dòng)的情形，對(duì)于站內(nèi)直流運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性作出了重要保障，使得電網(wǎng)供電更具可靠性，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

在本次項(xiàng)目中進(jìn)行了站用兩段直流自動(dòng)并列裝置的研發(fā)和制作，在很大程度上增加了站用直流系統(tǒng)的可靠性，確保電網(wǎng)穩(wěn)定供電，也能夠避免在直流母線失壓以后出現(xiàn)保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)而帶來(lái)大規(guī)模事故，降低安全風(fēng)險(xiǎn)的出現(xiàn)幾率。目前該裝置已獲得國(guó)家專(zhuān)利，并已在一座220kV變電站安裝了該裝置，開(kāi)展為期一年的試運(yùn)行。借由試運(yùn)行中運(yùn)維檢修人員反映的問(wèn)題及建議，在接下來(lái)的研究中將會(huì)繼續(xù)深入的試驗(yàn)與改進(jìn)當(dāng)前裝置，對(duì)該裝置的不足與可能的隱患之處進(jìn)行修正，以期獲得更大規(guī)模的實(shí)際試用機(jī)會(huì)，最終通過(guò)相關(guān)部門(mén)的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)實(shí)用化推廣。