錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)研究與改造

杜水霞

（國能神東煤炭有限公司供電中心，陜西 神木 719300）

0 引 言

變電站直流系統(tǒng)是為站內(nèi)控制裝置、保護(hù)裝置、自動化裝置、信號設(shè)備、通信、計量以及事故照明等提供直流電源的供應(yīng)設(shè)備。直流系統(tǒng)是一個獨立的電源，它不受站用電及系統(tǒng)運行方式的影響，能在外部交流電中斷時，由蓄電池組備用電源繼續(xù)提供直流電源，保障系統(tǒng)設(shè)備正常運行。直流系統(tǒng)的用電負(fù)荷極為重要，對供電的可靠性要求很高，直流系統(tǒng)的安全可靠直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。

1 錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)基本情況

錦界風(fēng)井35 kV變電站位于神木市錦界鎮(zhèn)青草界村，于2004年建設(shè)，2005年5月投運，主要擔(dān)負(fù)著錦界煤礦風(fēng)井主扇、強(qiáng)排、皮帶機(jī)、水泵房的用電，日平均負(fù)荷8 000 kW。

站內(nèi)直流系統(tǒng)采用1組蓄電池1組充電裝置的單母線接線，接線圖見圖1。

圖1 錦界風(fēng)井35 kV站直流系統(tǒng)接線圖

錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)主要由直流充饋電屏，蓄電池屏組成。充饋電屏包括交流輸入、直流輸出、充電裝置、絕緣監(jiān)測裝置以及直流電源監(jiān)控裝置[2]。

蓄電池屏包括5層隔板，擺放山東圣陽的18只閥控式密封鉛酸蓄電池，在系統(tǒng)正常情況時蓄電池組是在浮充電模式下運行，當(dāng)交流電源斷電或者充電裝置自身故障時，蓄電池組放電承擔(dān)全部的直流負(fù)荷。

2 錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)存在問題分析

錦界風(fēng)井35 kV變電站隨著投運年限的增加，直流系統(tǒng)內(nèi)部元器件老化，導(dǎo)致直流系統(tǒng)故障頻發(fā)。

2.1 直流充電模塊安全性和可靠性降低

由于產(chǎn)品的升級換代，備件的采購難度大，使故障模塊得不到及時更換。當(dāng)充電裝置的其中1塊模塊故障時，檢修隊很難儲備相同型號的備件，導(dǎo)致更換的模塊與其他模塊型號不同，不同特性的模塊間充電電流不能得到均衡分配，這些因素都會使直流系統(tǒng)的安全性和可靠性大大降低[3]。

2.2 誤報警增多

直流電源監(jiān)控裝置常常會出現(xiàn)連續(xù)誤報警的情況，根據(jù)站內(nèi)運行日志數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2018年站內(nèi)直流監(jiān)控裝置連續(xù)誤發(fā)告警信號多達(dá)56次，每次的誤報值班人員都需認(rèn)真檢查一遍交直流系統(tǒng)的運行情況來查找報警原因，這給值班人員帶來不必要的信息干擾。

2.3 接地故障不能準(zhǔn)確定位

絕緣監(jiān)測裝置由于服務(wù)年限太久，裝置的靈敏性逐漸降低，而且在反應(yīng)接地故障時不能準(zhǔn)確地定位故障的位置，在查找接地故障時只能采用拉路試驗的辦法，當(dāng)拉路試驗操作不當(dāng)時，可能會造成保護(hù)誤動，甚至引起事故范圍的擴(kuò)大。

2.4 變電站蓄電池出現(xiàn)過壓、欠壓告警

蓄電池在正常溫度下的浮充使用設(shè)計壽命是10～15年，近些年，變電站蓄電池曾出現(xiàn)過壓、欠壓告警。在2018年，因上級變電站原因造成的一次全站失壓事故中，在進(jìn)線帶電后因蓄電池電壓過低而導(dǎo)致進(jìn)線開關(guān)無法電動合閘，造成礦井停電時間超過規(guī)定的恢復(fù)送電時間，煤礦不得不啟動應(yīng)急預(yù)案，這起事故不僅給礦井生產(chǎn)帶來經(jīng)濟(jì)損失同時也給井下人員安全帶來了威脅。在隨后的事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有一塊蓄電池內(nèi)部故障造成整個蓄電池組電壓偏低[4]。

2.5 無蓄電池巡檢儀

電池巡檢儀投資不大，系統(tǒng)也不復(fù)雜，可實現(xiàn)檢測單個蓄電池電壓，提升蓄電池的運行維護(hù)綜合管理水平，延長蓄電池的使用壽命。在上述事故中若有蓄電池巡檢儀在線監(jiān)測每塊單體電壓，就可以第一時間發(fā)現(xiàn)蓄電池組中不合格的單體，運維人員能盡快安排檢修處理，避免事故的發(fā)生。

2.6 UPS已無法滿足安全運行需求

近年來隨著中心智能化供電系統(tǒng)的建設(shè)，變電站后臺設(shè)備在不斷增加，監(jiān)控設(shè)備，在線測溫集中管理設(shè)備、通信設(shè)備等智能化設(shè)備的增加使3 kVA容量的不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）已無法滿足現(xiàn)場安全運行需求，UPS曾發(fā)出過負(fù)載和過溫的報警信號。

針對上述直流系統(tǒng)各部分存在的隱患，給變電站安全可靠運行帶來了較大風(fēng)險，為一次性解決這些不穩(wěn)定因素，同時推進(jìn)中心智能化變電站建設(shè)的進(jìn)度，錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)的改造已刻不容緩[5]。

3 直流系統(tǒng)改造方案

3.1 設(shè)備的選型

3.1.1 蓄電池的選擇

閥控式密封鉛酸蓄電池具有放電性能好、維護(hù)工作量小、價格便宜等優(yōu)點，多年運行經(jīng)驗證明，閥控式密封鉛酸蓄電池能夠滿足變電站對直流電源系統(tǒng)安全和可靠性的要求。隨著國家對新能源的倡導(dǎo)和重視，屬于無毒、無污染的磷酸鐵鋰蓄電池具有壽命長、工作溫度范圍寬、維護(hù)工作量小等特點，在新能源項目以及部分電網(wǎng)變電站已有應(yīng)用，但考慮磷酸鐵鋰蓄電池的設(shè)計原型是頻繁充放電的起動型蓄電池，將其轉(zhuǎn)化成浮充方式運行的直流電源，對蓄電池安全性、容量選擇計算以及現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)接線適用性、充放電運行方式等方面的影響還需要作深入研究。根據(jù)目前的實際狀況，磷酸鐵鋰蓄電池雖然在電力工程中已有一定的應(yīng)用，但運行經(jīng)驗尚不成熟。在本次蓄電池電源改造更換工作中，蓄電池選擇新鄉(xiāng)市新電電力科技有限公司的閥控式密封鉛酸蓄電池。

根據(jù)《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5044—2014），錦界風(fēng)井變電站選擇單體12 V蓄電池1 組，蓄電池的浮充電電壓13.5 V。蓄電池數(shù)量根據(jù)公式計算，具體為

由式（1）可知，n取18只。根據(jù)變電站的直流負(fù)荷，包括經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷，錦界風(fēng)井35 kV變電站安裝2臺 20 000 kVA變壓器、5回35 kV線路、29回10 kV線路和2組電容器，事故應(yīng)急照明燈25盞，UPS裝置容量5 kVA，變電站斷路器均采用彈簧儲能操動機(jī)構(gòu)，所以最終選擇100 Ah的閥控式密封鉛酸蓄電池即可滿足現(xiàn)場運行的要求。

3.1.2 充電裝置的選擇

選擇1組蓄電池配置1組充電裝置的直流電源系統(tǒng)，充電裝置設(shè)置2路交流電源，一路失去電源時自動切換至另一路。統(tǒng)計直流經(jīng)常負(fù)荷和蓄電池10 h放電率電流，根據(jù)《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中高頻開關(guān)電流整流模塊數(shù)量的選擇，計算出充電模塊的數(shù)量是3。選用維諦技術(shù)有限公司的ER22010TE 充電模塊。

3.1.3 監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)測裝置的選擇

為適應(yīng)智能化變電站建設(shè)，本站直流監(jiān)控裝置和絕緣檢測裝置選用XDJK7-Z型一體化電源直流監(jiān)控器，它采用智能化“四遙”功能，提供標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，易與諸多設(shè)備進(jìn)行連接，實現(xiàn)模塊化管理，集成多路電源切換、防雷、配電及智能監(jiān)控于一體。它實現(xiàn)了原先裝置沒有的拓?fù)滹@示功能。具有絕緣支路選線功能，可快速準(zhǔn)確地選出接地故障支路，避免了原先拉路實驗帶來的隱患。具有電池在線巡檢功能，可檢測單個蓄電池電壓、溫度等信息。通信功能更加強(qiáng)大，可將直流系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)上傳供電中心調(diào)控一體化平臺，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程指令的下達(dá)和操作，為下一步實現(xiàn)無人值守提供技術(shù)支撐。

3.1.4 UPS的選擇

UPS選擇新鄉(xiāng)市新電電力科技有限公司的3503R-DC220型容量5 kVA設(shè)備。該設(shè)備是先進(jìn)的工業(yè)級超隔離在線式正弦波不間斷供電系統(tǒng)，它可以為精密設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)、可靠、純凈的交流電源。

3.2 改造方案的確定

為確保直流系統(tǒng)成功改造，提供2種方案。

方案1：利用新舊設(shè)備配合完成改造。先將新的充饋電屏、蓄電池屏組裝并測試好，隔離撤出舊的蓄電池屏，將新的充饋電屏安裝到對應(yīng)位置，此過程，直流負(fù)荷由舊的充電裝置供電。第二步，接通新的充電裝置，然后將直流負(fù)荷依次倒入新的充電屏，此過程中直流負(fù)荷在倒出的一段時間直流電源是單回路供電的。第三步，將舊的充饋電屏隔離撤出，新的蓄電池屏裝入對應(yīng)位置并接入新系統(tǒng)。

此方案改造過程存在的問題：一是直流負(fù)荷在改造過程中只有充電裝置供給電源，在交流失去電源時將導(dǎo)致整個直流系統(tǒng)癱瘓；二是在直流負(fù)荷倒出時需要增加聯(lián)絡(luò)斷路器，在負(fù)荷倒出的一段時間直流電源是單回路供電，所以改造中直流系統(tǒng)安全性和可靠性較低。

方案二：加入新的1套臨時直流系統(tǒng)，接線如圖2所示。將臨時直流電源直接提供到受電端端子箱，提前組裝并調(diào)試好新的充饋電屏和蓄電池屏，確認(rèn)臨時直流系統(tǒng)為全部直流負(fù)荷供電后，將舊的充饋電屏和電池屏斷電拆除，在對應(yīng)位置裝設(shè)新的充饋電屏和蓄電池屏，并完成對應(yīng)接線。核對調(diào)試正確無誤后，再依次將臨時系統(tǒng)中的所有直流負(fù)荷倒回到新直流系統(tǒng)中。

圖2 直流系統(tǒng)改造方案二原理

4 改造注意事項

（1）改造前，需做好各項準(zhǔn)備工作。區(qū)隊要組織運行人員對直流系該改造方案和應(yīng)急措施進(jìn)行學(xué)習(xí)，要對變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備做一次全面的隱患排查，發(fā)現(xiàn)問題立即匯報處理，調(diào)度要根據(jù)天氣情況安排改造時間，不再安排其他的檢修工作，并通知錦界煤礦合理安排生產(chǎn)，確保負(fù)荷平穩(wěn)。

（2）改造過程中要派人對臨時直流系統(tǒng)進(jìn)行密切的監(jiān)視，做好記錄?？紤]直流負(fù)荷在倒負(fù)荷過程中所有工作都是在帶電情況下進(jìn)行的，所以在接線時必須核對極性，對打開的饋線要進(jìn)行絕緣處理，并派專人進(jìn)行看護(hù)，以防在支路打開后發(fā)生直流接地、短路故障以及觸電事故。

5 結(jié) 論

錦界風(fēng)井35 kV變電站直流系統(tǒng)在2021年7月改造完成后，運行至今未發(fā)生任何故障或誤報警情況，現(xiàn)場運行效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。本次直流系統(tǒng)的成功改造，為公司礦井其他地面變電站的智能化建設(shè)提供出了參考模板，也為公司智能變電站最終實現(xiàn)無人值守提供了可靠的技術(shù)保障。

隨著供電中心預(yù)裝式智能變電站的研發(fā)與應(yīng)用，在太陽能電源和外部電源一體化熱備用電源系統(tǒng)的管控技術(shù)上，研究交直流電源的無縫切合技術(shù)，通過將整站輔控設(shè)備兩路電源優(yōu)化為直流屏+光伏系統(tǒng)組合方式，將成為保障直流供電可靠性、達(dá)到節(jié)能減排的有力措施。