直流系統(tǒng)配置分析

羅玉平

(銅陵供電公司，安徽銅陵 244000)

1 概述

直流系統(tǒng)應(yīng)能保證在任何事故情況下，都能可靠和不間斷地向其用電設(shè)備供電。在一個(gè)變電站內(nèi)，直流系統(tǒng)至關(guān)重要，直流系統(tǒng)可靠與否直接關(guān)系著變電站的安全運(yùn)行。直流系統(tǒng)的主要負(fù)荷有：繼電保護(hù)、自動(dòng)化裝置、信號(hào)設(shè)備、通信系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)電器操作、直流動(dòng)力負(fù)荷、事故照明等［1］。

直流系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，充電裝置承擔(dān)負(fù)荷電流，同時(shí)向蓄電池組充電，以補(bǔ)充蓄電池的自放電，使蓄電池以滿(mǎn)容量的狀態(tài)處于備用狀態(tài)。在系統(tǒng)發(fā)生故障，站用電中斷的情況下，蓄電池組發(fā)揮其獨(dú)立電源的作用，向繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器跳閘與合閘、載波通信、事故照明等裝置提供工作直流電源。

2 直流系統(tǒng)構(gòu)造

變電站的直流系統(tǒng)多數(shù)由蓄電池、高頻開(kāi)關(guān)充電裝置、合閘電源網(wǎng)絡(luò)、控制電源網(wǎng)絡(luò)等組成。變電站直流系統(tǒng)正常情況下由站用電系統(tǒng)通過(guò)高頻充電裝置對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充，同時(shí)為變電站合閘電源、控制電源以及其他直流負(fù)荷提供可靠電源。直流系統(tǒng)是變電站電氣設(shè)備、繼電保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通信裝置等設(shè)備正常工作的主要電源，高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)的控制操作和信號(hào)傳輸都離不開(kāi)直流電源。直流系統(tǒng)故障危害性較大，可能造成嚴(yán)重后果，如高壓斷路器等一次設(shè)備不能正確分合。繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、控制回路直流失電可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)或者退出正常運(yùn)行，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

直流系統(tǒng)一旦投入運(yùn)行，很難有機(jī)會(huì)可以全部停下來(lái)檢修，因此需要考慮運(yùn)行中設(shè)備維修和故障處理的需求，通常220 kV變電站一般采用控制母線與合閘母線合一的單母線分段接線方式，110 kV變電站一般采用單母線接線方式。而220 kV及以下變電站直流系統(tǒng)多采用輻射形網(wǎng)絡(luò)供電方式，它一般由高頻開(kāi)關(guān)模塊、閥控式密封鉛酸蓄電池、充電機(jī)等幾個(gè)部分組成［2］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

筆者所轄的某變電站是1983年投運(yùn)的老變電站，該變電站有兩臺(tái)所用變，直流系統(tǒng)由兩組蓄電池組成，每組103只電池，3個(gè)充電機(jī)，即所謂的兩電三充模式。該模式的工作方式是正常情況下，若選用Ⅰ電源工作、Ⅱ電源備用的所用變工作模式，此時(shí)由Ⅰ號(hào)電源分別向3組充電模塊提供工作電源。正常情況下，整個(gè)交流系統(tǒng)被分為沒(méi)有電氣聯(lián)系的兩部分，Ⅰ充電模塊帶Ⅰ段直流母線及Ⅰ蓄電池運(yùn)行;Ⅱ充電模塊帶Ⅱ段直流母線及Ⅱ蓄電池運(yùn)行。由Ⅰ，Ⅱ充電模塊分別完成Ⅰ，Ⅱ蓄電池的浮充、均充的運(yùn)行全過(guò)程。當(dāng)Ⅰ充電模塊故障時(shí)，Ⅲ充電模塊帶Ⅰ母及Ⅰ蓄電池運(yùn)行，當(dāng)Ⅱ充電模塊故障時(shí)，Ⅲ充電模塊帶Ⅱ母及Ⅱ蓄電池運(yùn)行。

當(dāng)Ⅰ充電模塊及Ⅲ充電模塊同時(shí)故障時(shí)，電動(dòng)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)自動(dòng)投入運(yùn)行，此時(shí)Ⅱ充電模塊通過(guò)向Ⅰ控制母線及蓄電池供電，當(dāng)Ⅱ充電模塊與Ⅲ充電模塊同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，則Ⅰ充電模塊向Ⅱ控制母線及蓄電池供電。當(dāng)Ⅰ充電模塊與Ⅱ充電模塊同時(shí)故障時(shí)，Ⅲ充電模塊單機(jī)運(yùn)行，兩組電池處于并列運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)所用電失去或充電機(jī)全部發(fā)生故障時(shí)，兩組電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反充電，作為備用直流電源，為直流系統(tǒng)提供電源。

2.1 直流系統(tǒng)長(zhǎng)期工作電壓

220 kV變電站的直流系統(tǒng)大多數(shù)選用110 V或220 V作為額定電壓。額定電壓的選擇依據(jù)一般是綜合考慮受控設(shè)備的范圍、斷路器操作機(jī)構(gòu)類(lèi)型、變電站的布置方式和規(guī)模等幾個(gè)要素。下面以銅陵供電公司某220 kV變電站為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，該站斷路器操作機(jī)構(gòu)為電磁型，站內(nèi)配備有2組蓄電池組，該變電站是地區(qū)電網(wǎng)的重要一環(huán)，故直流系統(tǒng)額定電壓選擇為220 V［3］。

2.2 直流系統(tǒng)供電方式

220 kV變電站直流系統(tǒng)普遍采用的供電方式有環(huán)形供電和輻射供電兩種。老式220 kV變電站一般采用的是環(huán)形供電形式，即在保護(hù)室內(nèi)保護(hù)屏頂設(shè)有控制和動(dòng)力小母線，各直流負(fù)荷間采用環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)環(huán)間負(fù)荷直接接到兩段小母線上。2005年國(guó)網(wǎng)公司下發(fā)的十八項(xiàng)反措明確規(guī)定“新、擴(kuò)建或改造的變電站直流系統(tǒng)應(yīng)采用輻射狀供電方式，不應(yīng)采用環(huán)狀供電方式”。輻射狀供電方式一般控制回路、保護(hù)裝置和信號(hào)回路的直流電源都要禁止環(huán)網(wǎng)的存在，如果原來(lái)環(huán)網(wǎng)供電的也要隨雙套直流改造而解除環(huán)網(wǎng)。

2.3 蓄電池組

為保證變電站直流系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，直流系統(tǒng)通常至少裝設(shè)兩組蓄電池，目前，多數(shù)變電站直流系統(tǒng)采用閥控式密封鉛酸蓄電池。若按1 h事故放電時(shí)間來(lái)考慮蓄電池容量，充電裝置容量、蓄電池個(gè)數(shù)及容量應(yīng)根據(jù)變電站規(guī)模、直流系統(tǒng)運(yùn)行方式和直流負(fù)荷等相關(guān)情況來(lái)確定。每組蓄電池均應(yīng)設(shè)有專(zhuān)用的試驗(yàn)放電回路，不定期進(jìn)行蓄電池檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化電池并予以調(diào)整。通過(guò)及時(shí)維護(hù)和管理可提高電池壽命，確保系統(tǒng)高效安全運(yùn)行。

2.4 高頻開(kāi)關(guān)

目前，高頻開(kāi)關(guān)是直流電源系統(tǒng)重要的元件之一，亦是保證蓄電池可靠工作的主要設(shè)備。高頻開(kāi)關(guān)裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制方式，即可以在線監(jiān)測(cè)蓄電池的實(shí)際工作狀態(tài)和蓄電池充放電電流及方向、蓄電池電壓、充放電時(shí)間、蓄電池溫度計(jì)自放電狀況等數(shù)據(jù)。這樣就能綜合判斷整流元件的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流、恒壓、均充、浮充的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，并且還具有溫度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?20 kV變電站直流系統(tǒng)通常配備有兩套高頻開(kāi)關(guān)，互為備用以提高直流系統(tǒng)的安全可靠性。

2.5 絕緣監(jiān)測(cè)和電壓監(jiān)視裝置

直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地絕緣故障時(shí)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成危害。但是，如果同時(shí)再出現(xiàn)另一點(diǎn)接地，構(gòu)成兩點(diǎn)接地故障時(shí)，則可能造成繼電保護(hù)、信號(hào)、綜合自動(dòng)化裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)，或造成直流熔斷器熔斷，使繼電保護(hù)、控制回路及自動(dòng)裝置等失去電源。在復(fù)雜的保護(hù)回路中，如果同極兩點(diǎn)接地還可能導(dǎo)致一些繼電器短接，引起開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，造成越級(jí)跳閘［4］。為了監(jiān)視直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，防止由于直流系統(tǒng)兩點(diǎn)接地而引起的嚴(yán)重后果，必須在直流系統(tǒng)中裝設(shè)能夠連續(xù)工作且足夠靈敏的絕緣監(jiān)察裝置。它能在線監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)的絕緣情況，當(dāng)系統(tǒng)絕緣下降或者有接地故障時(shí)，它不但能發(fā)出告警信號(hào)還能幫助運(yùn)行人員縮短查找系統(tǒng)故障地點(diǎn)的時(shí)間。

3 直流系統(tǒng)配置實(shí)例

以筆者所管轄的一個(gè)220 kV變電站為例，該站有主變兩臺(tái)，容量分別是120 MVA和150 MVA，該變電站的直流系統(tǒng)采用深圳奧特訊公司生產(chǎn)的充電機(jī)及直流系統(tǒng)屏柜，其額定電壓為220 V，直流系統(tǒng)采用單母線分段的接線方式，由兩組充電機(jī)和兩組蓄電池組成。一段母線上有一組蓄電池和一套高頻開(kāi)關(guān)電源，并通過(guò)熔斷器和刀閘接入充電母線。第1臺(tái)充電機(jī)接于Ⅰ段母線，對(duì)第1組蓄電池進(jìn)行充電;第2臺(tái)充電機(jī)接于Ⅱ段母線，對(duì)第2組蓄電池進(jìn)行充電;第3臺(tái)充電機(jī)通過(guò)切換，可以帶Ⅰ段或Ⅱ段直流母線，也可單獨(dú)對(duì)第1組或第2組蓄電池進(jìn)行充電。正常情況下第3臺(tái)充電機(jī)備用，當(dāng)其他充電機(jī)故障后，第3臺(tái)充電機(jī)投入。正常運(yùn)行方式為：Ⅰ，Ⅱ段母線聯(lián)絡(luò)刀閘在分位，兩段母線分別以單母線方式運(yùn)行，保護(hù)室設(shè)兩個(gè)直流分屏，Ⅰ段直流主屏供各個(gè)屏柜的分屏，Ⅱ段直流主屏供各個(gè)保護(hù)裝置的分屏，且主屏跟每個(gè)分屏之間均有兩根聯(lián)絡(luò)電纜，通過(guò)兩個(gè)進(jìn)線開(kāi)關(guān)接入分屏，以保證供電可靠性。直流系統(tǒng)配置圖如圖2所示。

圖2 直流系統(tǒng)配制圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著變電站設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提高，直流系統(tǒng)作為變電站的重要組成部分，其監(jiān)控和保護(hù)的作用亦顯得更為重要。因此在變電站中對(duì)于直流系統(tǒng)除了要加強(qiáng)巡視，更需要合理設(shè)計(jì)運(yùn)行方式以保證直流系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 朱洪亮，柴興林.從幾個(gè)角度探討220 kV及以下變電所直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工程技術(shù)，2010(12)：207.

［2］ 廖良勇.發(fā)電廠直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式與維護(hù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010(12)：34-36.

［3］ 于鳳霞.直流系統(tǒng)在220 kV變電站中的應(yīng)用［J］.電站系統(tǒng)工程，2010，26(4)：70-72.

［4］ 盧永剛.對(duì)直流系統(tǒng)接地故障的分析與處理［J］.科學(xué)時(shí)代，2010(7)：41-42.