廠站二次設(shè)備多電源切換回路的改造分析

吳志宇，溫才權(quán)，全杰雄，黎玨強(qiáng)

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州543002)

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廠站二次設(shè)備多電源切換回路的改造分析

吳志宇，溫才權(quán)，全杰雄，黎玨強(qiáng)

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州543002)

為提高部分廠站二次設(shè)備的供電可靠性，需要采用多電源切換回路，而多電源切換回路的設(shè)計(jì)缺陷會(huì)對負(fù)荷電壓穩(wěn)定性和電源系統(tǒng)造成影響。為此，結(jié)合一個(gè)采用二極管進(jìn)行雙電源切換回路的實(shí)例，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析找出電源切換回路導(dǎo)致兩段直流母線互聯(lián)的缺陷的原因，并提出了完善的改造方案，最后提出電源切換回路設(shè)計(jì)時(shí)需注意的各種問題及防范措施?，F(xiàn)有的作業(yè)規(guī)范并無針對電源切換回路進(jìn)行詳細(xì)的檢查，對此提出多項(xiàng)簡單、可靠的驗(yàn)收措施，防范電源切換對負(fù)荷、對電源系統(tǒng)的不安全影響。

直流；雙電源；二極管；故障；電容；靜止無功補(bǔ)償裝置

廠站二次設(shè)備電源回路一般不采用多電源切換機(jī)制，但為了提高部分通信裝置、自動(dòng)化裝置設(shè)備的安全可靠性，采用多電源切換機(jī)制。如果切換機(jī)制不完善，將會(huì)導(dǎo)致一系列的問題發(fā)生，如某串補(bǔ)站的串補(bǔ)平臺采樣裝置采用激光供能和電流互感器兩種供能方式，在切換過程中，供能電壓不穩(wěn)定造成采樣異常，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)；如某型號電能表采用直流電源供電、電壓互感器供電和電池供電3種供電方式，由于切換回路設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)共地，直流系統(tǒng)出現(xiàn)較大的漏電流，導(dǎo)致直流系統(tǒng)絕緣檢測裝置平衡電阻橋失靈等現(xiàn)象發(fā)生。

多電源切換回路的設(shè)計(jì)、維護(hù)及驗(yàn)收，對負(fù)荷電壓穩(wěn)定性要求較多，而對系統(tǒng)影響考慮較少。本文將以一個(gè)典型的雙電源切換回路對供電電源系統(tǒng)的影響機(jī)理進(jìn)行說明并提出完善措施，提出電源切換回路在驗(yàn)收環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)，以防范此類缺陷再次發(fā)生。

1　現(xiàn)狀

某廠站靜止無功補(bǔ)償裝置(staticvarcompensator,SVC)控制保護(hù)系統(tǒng)采用兩路直流電源供電，要求在一路直流電源失電時(shí)無間斷地切換到另一路直流電源。原直流電壓切換回路如圖1所示。

VD1—VD4分別為二極管；Rp1—Rp4分別為絕緣監(jiān)測裝置的等效平衡電阻；Ub1—Ub2分別為兩組蓄電池的極間電壓，U1—U6分別為各點(diǎn)對地電壓。圖1　原直流電壓切換回路

從圖1可知，兩段直流系統(tǒng)分別由蓄電池組、絕緣監(jiān)測裝置(平衡電阻橋法)組成，其額定電壓Ur=110V，兩段直流電源共同給SVC控制保護(hù)系統(tǒng)供電。

絕緣監(jiān)測裝置采用了平衡電阻橋方式[1-3]，直流電源Ⅰ段與Ⅱ段的正極對地電壓U1=U3=55V， 負(fù)極對地電壓U2=U4=-55V。實(shí)際上，由于兩段直流系統(tǒng)在蓄電池容量、負(fù)載及對地絕緣方面存在差異，兩段直流系統(tǒng)正負(fù)極對地電壓并不完全相同。運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)該站直流系統(tǒng)Ⅰ段與Ⅱ段的對地電壓完全一致，且在Ⅰ段發(fā)生接地時(shí)，兩段的母線絕緣檢測裝置均報(bào)接地故障，是典型的兩段母線互聯(lián)的特征。下面將其如何影響直流供電電源系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　電源切換導(dǎo)致兩段母線互聯(lián)原因分析

二極管并聯(lián)直流雙電源切換回路的原理是利用二極管單向?qū)щ娞匦?，?dāng)供電Ⅰ段的電壓降低值超過非供電Ⅱ段二極管的導(dǎo)通壓降時(shí)，供電電源馬上轉(zhuǎn)由Ⅱ段供電，實(shí)現(xiàn)電源的無間斷切換。

如圖1所示，設(shè)VD1、VD2、VD3、VD4伏安特性曲線一致，導(dǎo)通電壓為U，兩組蓄電池電壓分別為Ub1、Ub2，則兩段直流系統(tǒng)正負(fù)極對地電壓差為Ug=U1-U3=U2-U4。

假如Ⅰ段直流母線先供電，此時(shí)VD1、VD2導(dǎo)通，U5=U1-U，U6=U2+U。

當(dāng)?shù)诙冯娫此查g通電時(shí)，VD3的壓降為U3-U5=Ug+U，VD4壓降為U6-U4=Ug+U。

假如Ug>0，VD4導(dǎo)通，兩段直流母線電源負(fù)極接地互聯(lián)，得

假如Ug<0，VD3導(dǎo)通，兩段直流母線電源正極接地互聯(lián)，得

由上述計(jì)算可見，當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，相當(dāng)于接地極的平衡電阻并聯(lián)了接地電阻，接地極對地電壓下降，故障系統(tǒng)正負(fù)極電壓平衡點(diǎn)發(fā)生偏移，當(dāng)偏移電壓達(dá)到一定值時(shí)，兩段直流母線絕緣監(jiān)測裝置均報(bào)接地故障，不僅影響故障的查找，更影響變電站二次設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，二極管并聯(lián)直流雙電源切換回路對直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行造成極大的安全隱患[4-5]。

3　直流雙電源切換回路的改造與現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1改進(jìn)方案1

正常情況下，負(fù)載由直流Ⅰ段直流母線供電，兩段直流母線電源互為備用，如圖2所示。

圖2　直流電源切換改造回路1

在Ⅰ段直流母線供電的進(jìn)線端增加了繼電器KC1，當(dāng)Ⅰ段直流母線電壓大于90%額定電壓時(shí),KC1動(dòng)作，并通過繼電器KC2切斷Ⅱ段直流母線供電，確保兩段直流母線不同時(shí)對負(fù)載進(jìn)行供電。當(dāng)Ⅰ段進(jìn)線電壓下降超過90%時(shí)，KC1返回并驅(qū)動(dòng)KC2，此時(shí)接通Ⅱ段電源的同時(shí)切斷Ⅰ段電源供電?，F(xiàn)場按如圖2所示接線方式進(jìn)行了試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)電源的切換，但負(fù)載設(shè)備發(fā)生了失電重新啟動(dòng)，此時(shí)，對負(fù)載供電進(jìn)線端電壓進(jìn)行錄波，如圖3所示，進(jìn)線電壓在繼電器切換過程中發(fā)生了突降，持續(xù)時(shí)間約為50ms。

圖3　改造回路1的負(fù)載電壓錄波曲線

3.2改進(jìn)方案2

繼電器在切換動(dòng)作期間電壓突降的問題采用并聯(lián)電容的方法來解決。如圖4所示，在負(fù)載供電進(jìn)線端并接電容，構(gòu)成電阻-電容回路，并根據(jù)KC1切換過程中負(fù)載供電電壓不小于80%額定電壓及實(shí)測的負(fù)載阻抗計(jì)算出所需要的電容值。本案中，Ur=110V，在50ms的繼電器切換過程中，電壓下降不低于80%Ur，考慮一定的裕度后選取了4 700μF的電容，在現(xiàn)場試驗(yàn)中仍然出現(xiàn)了設(shè)備失電重新啟動(dòng)現(xiàn)象。

圖4　直流電源切換改造回路2

如圖5所示，當(dāng)斷開Ⅰ段直流母線供電回路時(shí)，負(fù)載電壓沒有發(fā)生突降，由于電容電壓的支撐，電壓開始緩慢下降，約150ms后，電壓下降到KC1的返回值100V，KC1并沒有響應(yīng)。由于KC1的線圈與電容形成回路，電容一直支撐著線圈的勵(lì)磁電流和負(fù)載電流，當(dāng)電壓下降到68V時(shí)，負(fù)載設(shè)備失電停運(yùn)，此時(shí)電容只與KC1線圈形成回路，電容放電變得更緩慢，并持續(xù)了約1 960ms，電壓下降到約60V時(shí)，KC1才返回，此時(shí)KC1驅(qū)動(dòng)KC2，才將供電切換到Ⅱ段直流母線。

圖5　改造回路2的負(fù)載電壓錄波曲線

3.3改進(jìn)方案3

造成上述問題的原因是電容與KC1線圈形成回路。KC1是電壓型繼電器，勵(lì)磁電流較小，且線圈呈阻感性，電感較大[6]，使線圈無法去勵(lì)磁，導(dǎo)致繼電器無法切換。解決方法：當(dāng)電壓下降到KC1的返回值時(shí)，把KC1線圈與電容的回路斷開。如圖6所示，在KC1與電容器的回路中串聯(lián)一組二極管，當(dāng)Ⅰ段直流母線失電時(shí)，確保電容不會(huì)反供電。

圖6　直流電源切換改造回路3

如圖7所示，在繼電器切換的50ms內(nèi)，負(fù)載電壓下降的最低值為92V，大于80%Ur，實(shí)現(xiàn)了供電電源的切換，滿足要求。加裝二極管的另一優(yōu)點(diǎn)是避免KC2動(dòng)作、常開接點(diǎn)動(dòng)作而常閉接點(diǎn)未斷開時(shí)兩段電源直流母線互聯(lián)的問題。

圖7　改造回路3的負(fù)載電壓錄波曲線

4　改進(jìn)建議

4.1設(shè)計(jì)過程

改造發(fā)現(xiàn)電源切換裝置設(shè)計(jì)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

a) 切換可靠性。切換期間電壓下降不可超過設(shè)備的允許值，如設(shè)計(jì)方案的電壓下降值可調(diào)，滿足各種設(shè)備的要求。

b) 運(yùn)行過程或者切換過程中對多電源系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，由于多個(gè)電源系之間一般不允許有電的直接聯(lián)系，否則會(huì)引起一系列問題。

c) 注意各元件的動(dòng)作特性配合，如方案2，電壓繼電器和電容配合不好，導(dǎo)致切換時(shí)間過長，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差。

d) 不能引入平衡電阻，造成直流系統(tǒng)存在漏電流，導(dǎo)致絕緣在線檢測裝置無法正常工作。

4.2驗(yàn)收過程

按照現(xiàn)有的作業(yè)要求，無法檢測出直流電源切換的各種問題，如果該類問題在驗(yàn)收時(shí)無法發(fā)現(xiàn)，需要在眾多直流接線中找出互聯(lián)點(diǎn)、平衡電阻將是一個(gè)異常復(fù)雜的難題，建議在驗(yàn)收時(shí)增加如下作業(yè)項(xiàng)：

a) 模擬電源切換，檢查設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。

b) 裝置在運(yùn)行時(shí)，檢查多個(gè)電源系統(tǒng)是否同時(shí)供電，如有，則需作進(jìn)一步分析，一般不允許多電源同時(shí)向一負(fù)荷供電。

c) 裝置通電前后，電源切換的瞬間，注意各直流系統(tǒng)母線電壓變化情況，如果通電前兩者對地電壓不一致，通電后對地電壓一致，則可能存在互聯(lián)的問題。

d) 檢查漏電流，正常運(yùn)行時(shí)，正負(fù)極電流大小應(yīng)相等，方向相反，漏電流為0，假如不為0，則可能存在平衡電阻的問題。

5　結(jié)束語

本文從一個(gè)電源切換回路改造實(shí)例出發(fā)，探討電源切換回路、裝置的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，從設(shè)計(jì)源頭提出完善措施，結(jié)合現(xiàn)場的驗(yàn)收特征，探討現(xiàn)場驗(yàn)收時(shí)的檢測方法，增加多項(xiàng)措施，從驗(yàn)收角度防范系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，避免直流系統(tǒng)互聯(lián)、降低直流系統(tǒng)平衡電阻等疑難問題的出現(xiàn)，將隱患扼殺在萌芽階段，進(jìn)一步確保設(shè)備無隱患投運(yùn)。

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(編輯王夏慧)

AnalysisonTransformationofMulti-powerSupplySwitchingCircuitsofSecondaryEquipmentinPowerPlantsandStations

WUZhiyu,WENCaiquan,QUANJiexiong,LIJueqiang

(WuzhouPowerSupplyBureauofCSGExtraHighVoltagePowerTransmissionCompany,Wuzhou,Guangxi543002,China)

Inordertoimprovepowersupplyreliabilityofsecondaryequipmentinpowerplantsandstations,itisneededtoadoptmulti-powersupplyswitchingcircuit,whiledesigndefectsofmulti-powersupplyswitchingcircuitmaycauseimpactonstabilityofloadvoltageandpowersourcesystem.Therefore,combiningonecaseofadoptingdiodefordualpowersupplyswitchingandbymeansoffieldtest,thispaperanalyzesandfindsoutreasonsforcausingdefectsoftwosectionsofdirectcurrent(DC)businterconnectionbypowersourceswitchingcircuit.Itpresentsanimpeccabletransformationschemeandproposesvariousproblemsneedattentionandprecautionmeasures.Inviewofthatexistingjobspecificationsdonotinvolveindetailedcheckonpowersourceswitchingcircuit,italsoproposesmulti-itemsimpleandreliableinspectionmeasuressoastopreventunsafeimpactonloadandpowersourcesystemfrompowersupplyswitching.

directcurrent;dualpowersource;diode;fault;capacitor;SVC

2016-04-14

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.019

TM58;TM64

B

1007-290X(2016)07-0097-04

吳志宇(1985)，男，廣西梧州人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。

溫才權(quán)(1986)，男，廣東廉江人。工程師，工學(xué)學(xué)士，從事變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行管理工作。

全杰雄(1988)，男，廣西桂平人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，從事變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。