變電站直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)的運行特點及位置判斷

胡 怡

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000)

1 變電站直流系統(tǒng)運行情況

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電力需求也相應(yīng)地逐步提升，為解決人民日益增長的生活需要與電力發(fā)展不平衡之間的矛盾，在“十四五”期間，國家大力推進(jìn)完善電網(wǎng)架構(gòu)，大力推進(jìn)變電站的規(guī)劃及建設(shè)[1-2]。為了維護(hù)電網(wǎng)運行安全，提升變電站的運維管理尤為必要。變電站直流系統(tǒng)是站內(nèi)重要的保護(hù)、測控等裝置的電源，一旦直流母線失壓，有可能會發(fā)生保護(hù)拒動的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電力安全，因此必須保障直流系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的供電。

目前，在廣東電網(wǎng)變電站的直流系統(tǒng)通常采用雙電雙充模式，兩段直流母線中的任一一段母線，都分別配置一組蓄電池組及充電模塊，如圖1所示?？梢钥闯鲈谀嘎?lián)開關(guān)斷開情況時，兩套直流系統(tǒng)相互獨立，不存在相互干擾的情況。常規(guī)情況下，交流電源經(jīng)由高頻整流模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫摧敵?，而蓄電池組則是作為應(yīng)急電源，僅是在交流電源失電的情況下，能夠起到及時補(bǔ)充直流電源的作用，給站內(nèi)重要的直流負(fù)荷輸出電能。

圖1 變電站雙電雙充直流系統(tǒng)

其中蓄電池組是直流系統(tǒng)最為可靠的電源，現(xiàn)變電站多采用閥控式鉛酸蓄電池組[3]，屬于電化學(xué)蓄電池組，通過內(nèi)部活性物質(zhì)鉛及硫酸鉛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而完成化學(xué)能到電能的轉(zhuǎn)換。閥控式鉛酸蓄電池因其容量大、維護(hù)量小的優(yōu)勢在變電站直流系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。蓄電池組是極為可靠的直流電源，承擔(dān)著常規(guī)電源失效的后備作用。因此在蓄電池使用時，特別需要注意其運行狀態(tài)，以防止出現(xiàn)蓄電池開路等威脅系統(tǒng)運行安全的故障。

對于閥控式鉛酸蓄電池而言，其內(nèi)阻由極化電阻及歐姆電阻組成，歐姆電阻主要是蓄電池中的極板、極柱及電解液等部分的電阻，而極化電阻是由于電池中所存在的濃度差異及發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)所引起的電阻。內(nèi)阻大小是判斷閥控式鉛酸蓄電池組老化的重要指標(biāo)，蓄電池老化會伴隨著其內(nèi)阻的上升。同樣，溫度是影響閥控式鉛酸蓄電池性能的重要參數(shù)。閥控式鉛酸蓄電池在充放電過程中會產(chǎn)生較大熱量，導(dǎo)致溫度上升，加速電池內(nèi)部水分解，產(chǎn)生大量氣體。早期該類電池被認(rèn)為是免維護(hù)的電池，不需要人員進(jìn)行相關(guān)校驗及操作，但在后期運行過程中，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)由于該類電池容量是與活性物質(zhì)的濃度等直接相關(guān)，但與直觀的電壓、電流及電阻數(shù)據(jù)并不存在明顯的關(guān)聯(lián)，因此在正常運行狀態(tài)下人員是很難以直接手段了解其具體容量。因此為了明確閥控式鉛酸蓄電池組的容量，通常在一定時間內(nèi)需要對其進(jìn)行核對性放電，目前按照規(guī)程要求，新投運電池在4年內(nèi)需要2年進(jìn)行一次核對性放電，而運行時長超過4年后，需要每一年都對電池容量進(jìn)行測試。為了明確監(jiān)測電池容量，確認(rèn)電池的狀態(tài)，核對性放電要求電池在放電過程中必須退出原母線，從而可以準(zhǔn)確控制電池以一定的電流均衡放電。為了保障母線的穩(wěn)定供電，一般通過合上母聯(lián)開關(guān)的方式，以一組蓄電池組作為兩段母線的電源，這就要求母聯(lián)開關(guān)的合位位置必須可靠，同時位置便于識別和判斷。

2 直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)形式

目前變電站的母聯(lián)開關(guān)的設(shè)置除了兩段母線之間直接用于合閘的類型，早期也有與蓄電池組輸出開關(guān)混用的情況，即是蓄電池輸出開關(guān)是同時兼作母聯(lián)開關(guān)使用，具體形式如圖2所示。當(dāng)將蓄電池輸出開關(guān)切換至合閘另一段母線時，會出現(xiàn)母線短時掉電的現(xiàn)象，這是早期設(shè)計的弊端。目前新設(shè)計的變電站都是采用獨立母聯(lián)開關(guān)的設(shè)計，在倒閘操作時，通過合上母聯(lián)開關(guān)，可以確保兩段直流母線有蓄電池組作為穩(wěn)定可靠的電纜。

圖2 直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)形式

在日常運行中，如果母聯(lián)開關(guān)合上，2套直流系統(tǒng)的蓄電池組會出現(xiàn)并列運行的情況，當(dāng)2組蓄電池組壓差較大時，會出現(xiàn)環(huán)流，對電池組容易造成沖擊，因此正常運行時，直流系統(tǒng)的母聯(lián)開關(guān)應(yīng)始終保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。

3 直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)檢測方法

母聯(lián)開關(guān)作為直流系統(tǒng)中重要的部件，其位置狀態(tài)需要實時監(jiān)控并確認(rèn)?，F(xiàn)有的母聯(lián)開關(guān)通常會配置位置輔助接點，接點連接至直流系統(tǒng)監(jiān)控裝置或開關(guān)量采集模塊等，實時確認(rèn)母聯(lián)開關(guān)位置，但輔助接點的相關(guān)接線仍然存在故障短接等風(fēng)險，并且早期直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)并沒有輔助接點的配置，如果需要增加該接點，必須更換母聯(lián)開關(guān)，改造難度較大。

由于母聯(lián)開關(guān)僅在一段直流母線需要退出運行時才進(jìn)行合閘，因此目前的母聯(lián)刀閘位置的判斷方式是通過在合上母聯(lián)開關(guān)后，將其中一段直流母線轉(zhuǎn)為均充模式，只要直流母聯(lián)開關(guān)在合位，那么相應(yīng)的另一段直流母線的電壓會因此升高。但這種方法仍存在一定的風(fēng)險，首先是操作步驟較為復(fù)雜，要求人員首先掌握蓄電池均浮充轉(zhuǎn)換的方式，同時必須在確認(rèn)完畢后，及時將蓄電池切換為浮充狀態(tài)，以防止蓄電池長期處于均充狀態(tài)，出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，蓄電池?zé)崂匣又兀踔脸霈F(xiàn)熱失控現(xiàn)象。因此在進(jìn)行倒閘操作時，必須嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行操作，執(zhí)行均浮充轉(zhuǎn)換，確認(rèn)電壓情況。這類方法操作較為復(fù)雜， 判斷方式不夠直觀，同時有誤操作監(jiān)控系統(tǒng)的風(fēng)險，因此亟需一種更加靈活、方便辨識母聯(lián)開關(guān)位置的方法。

由于充電模塊是通過將交流輸入經(jīng)整流為直流，再經(jīng)通過高速電子開關(guān)變成高頻率的交流，通過變壓器再經(jīng)過整流輸出另一種電壓的直流電源，其轉(zhuǎn)換過程如圖3所示?？梢钥闯鲈诔潆娔K中，發(fā)生了交-直-交-直的轉(zhuǎn)換，這是由于初始三相交流經(jīng)整流后的直流無法達(dá)到輸出要求，經(jīng)過后續(xù)的高頻交-直轉(zhuǎn)換，直流輸出更為穩(wěn)定。

圖3 充電模塊轉(zhuǎn)換過程

但是在整流逆變再整流的過程中，并不能完全消除交流分量，在實際測量過程中，直流母線的電壓往往會存在一定的交流分量，只是其數(shù)值較小。以某站直流母線為例，經(jīng)過實際對直流電壓測量，檢測到母線會有幾十毫伏的交流電存在。如圖4所示，是通過電壓采集裝置測量兩段直流母線時長為20 min的交流電壓曲線，從圖中可以看出，兩段直流母線電壓的交流分量在15～25 mV變動，但隨機(jī)性較大，沒有明顯的規(guī)律性可言，可能與充電裝置本身運行狀態(tài)及交流進(jìn)線的電壓情況有關(guān)系，由于兩段母線充電裝置不同，同時兩段直流母線的充電裝置多采用不同源的交流進(jìn)線，因此直流母線之間的交流分量并不相同。

圖4 直流母線交流分量電壓

基于上述直流母線所存在的這一特點，可以考慮采集兩段直流母線的交流分量進(jìn)行比較，當(dāng)母聯(lián)開關(guān)確定在合位時，兩段交流分量必然相同。采集兩段直流母線電壓時，以隔直裝置來設(shè)置，通過交流分量來進(jìn)行分析。為了避免電壓的不穩(wěn)定性對判定結(jié)果的干擾，可以增加檢測比較次數(shù)來保障母聯(lián)開關(guān)的準(zhǔn)確性，比較判斷母聯(lián)開關(guān)位置，通過聲光報警告知人員當(dāng)前母聯(lián)開關(guān)位置，便于運維人員高效快捷地處理故障。

4 結(jié)語

直流系統(tǒng)母聯(lián)開關(guān)作為蓄電池組核容放電及系統(tǒng)故障保障直流負(fù)荷不失電的重要部件，必須確認(rèn)其位置狀態(tài)，但現(xiàn)在運行直流系統(tǒng)往往不能夠便于運維人員快速識別并且準(zhǔn)確判斷母聯(lián)開關(guān)位置。因此本文基于兩段直流母線交流分量不等的現(xiàn)象，提出一種監(jiān)測母聯(lián)開關(guān)位置的新方法，有助于提升直流系統(tǒng)運維水平。