寶泉抽水蓄能電站直流系統(tǒng)結構及運行方式分析

方書博，婁彥芳

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南省新鄉(xiāng)市 453636）

寶泉抽水蓄能電站直流系統(tǒng)結構及運行方式分析

方書博，婁彥芳

（河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南省新鄉(xiāng)市 453636）

寶泉抽水蓄能電站直流系統(tǒng)包括220V直流系統(tǒng)和48V直流系統(tǒng)，本文就寶泉抽水蓄能電站直流系統(tǒng)結構和運行方式進行分析，對運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析處理。

直流；運行方式；聯(lián)絡開關；接地；放電

0 引言

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣市薄壁鎮(zhèn)大王廟以上2.4km的峪河上，距新鄉(xiāng)市45km，距焦作市約30km，與鄭州市直線距離約80km，是一座日調節(jié)純抽水蓄能電站。電站裝機容量1200MW，裝設4臺單機容量為300MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機組。電站2004年6月1日正式開工建設，2011年6月4臺機全部投產，以一回500kV出線接入河南電網，在電網中承擔迎峰度夏、迎峰度冬、重大節(jié)假日及活動保電、黃河調水調沙、事故備用等任務，機組由河南省調負責調度。機組基本運行方式為“兩發(fā)一抽”，即早晚供電高峰時段發(fā)電運行，后夜底谷時段抽水運行。

直流系統(tǒng)由蓄電池組、充電裝置、直流屏等設備組成。它的正常與否直接影響電力系統(tǒng)安全可靠運行，因此加強直流系統(tǒng)日常維護對于電站安全運行是十分重要的。

1 直流系統(tǒng)結構

寶泉抽水蓄能電站直流系統(tǒng)包括220V直流系統(tǒng)和48V直流通信系統(tǒng)。

1.1 220V直流系統(tǒng)

220V直流系統(tǒng)包括地下廠房220V直流系統(tǒng)和地面開關站220V直流系統(tǒng)，為全廠提供直流控制電源、黑啟動時勵磁系統(tǒng)的直流起勵電源、直流高壓注油泵的電動機電源和事故照明電源。

1.2 48V直流系統(tǒng)

48V直流系統(tǒng)包括地下廠房、地面開關站、上庫啟閉機樓和中控樓 48V 直流通信系統(tǒng)，為全廠各區(qū)域通信設備提供直流電源。

2 直流系統(tǒng)運行方式

2.1 220V直流系統(tǒng)運行方式

寶泉抽水蓄能電站220V直流系統(tǒng)原理接線圖，如圖1所示。

圖1 220V直流系統(tǒng)原理接線圖

（1）正常情況下，兩條直流母線分段運行，每條直流母線由一套充電裝置和一組蓄電池組成。每套充電裝置采用N+1冗余并聯(lián)組合方式供電，有兩路交流輸入，取自不同交流電源柜，兩交流進線開關可自動切換，并設有防雷保護。

（2）充電裝置故障，將整流模塊退出運行，短時間可由蓄電池帶直流負荷。若充電裝置短時間無法恢復正常，需將母線切至聯(lián)絡運行。

（3）蓄電池組故障或需退出運行時，需將母線切至聯(lián)絡運行，嚴禁長時間脫離蓄電池組運行。

2.2 48V直流系統(tǒng)運行方式

48V直流系統(tǒng)有兩種接線方式：

一種單母分段，另一種為互聯(lián)的單母接線。

2.2.1 單母分段運行方式

48V直流系統(tǒng)單母分段運行方式，如圖2所示。

（1）正常情況下，兩條直流母線獨立運行，每條直流母線由一套充電裝置和一組蓄電池組成，每套充電裝置采用N+1冗余并聯(lián)組合方式供電。有兩路交流輸入，取自不同交流電源柜，兩交流進線開關可自動切換，并設有防雷保護。

（2）充電裝置故障，將整流模塊退出運行，由蓄電池帶直流負荷。

（3）蓄電池組故障或需退出運行時，由充電裝置帶直流負荷。

2.2.2 互聯(lián)的單母接線運行方式

48V直流系統(tǒng)互聯(lián)的單母接線運行方式，如圖3所示。

（1）兩組蓄電池設一套公用充電裝置，充電裝置采用N+1冗余并聯(lián)組合方式供電，有兩路交流輸入，兩路交流輸入從不同交流電源柜分別接入，兩交流進線開關可自動切換，并設有防雷保護。

（2）充電裝置故障，將整流模塊退出運行，由蓄電池帶直流負荷，該方式下不允許長時間供電。

（3）單組蓄電池組故障或需退出運行時，由充電裝置加一組蓄電池帶直流負荷。

圖2 48V直流系統(tǒng)單母分段原理接線圖

3 直流系統(tǒng)運行過程中存在的問題及改進措施

3.1 220V直流系統(tǒng)運行方式切換造成短時失電問題分析

圖4為原220V直流系統(tǒng)原理接線，未增加QS3母線聯(lián)絡開關，母聯(lián)開關切換瞬間，會造成該段母線暫時失電，不便于運行維護，需對接線方式進行改造。

改進方案：將原來用于蓄電池放電開關改為母線切換用輔助開關，型號改為同充電裝置輸出開關一樣，與充電裝置輸出開關并接后饋線至相應直流母線，用于母線切換時通過充電裝置臨時給本段直流母線供電，使得兩段母線切換時不中斷供電，切換完成后再將之斷開，另外重新在屏柜內部增加蓄電池放電開關。

改進前：母聯(lián)開關切換時，直接操作1QS2開關，切換時造成該段母線短時失電；改進后：將Ⅰ段母線切換至聯(lián)絡運行時，先合上母線聯(lián)絡開關1QS3，再將1QS2切至聯(lián)絡運行位置，最后斷開1QS3；將Ⅰ段母線母線由聯(lián)絡運行切至分段運行時，先合上1QS3，再將1QS2切至分段運行位置，最后斷開1QS3。上述切換過程不會造成Ⅰ段母線失電。

3.2 直流系統(tǒng)接地故障問題分析

直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地是常見的異常運行狀態(tài)，雖然不直接產生惡果，但潛在危險性很大。因此規(guī)定當直流系統(tǒng)發(fā)生接地后只允許連續(xù)運行2h以便使值班員迅速尋找接地點，盡快消除，防止發(fā)展成兩點接地故障。寶泉抽水蓄能電站原接地巡檢裝置無法準確確定接地點，需更換新的接地巡檢裝置。

圖3 48V直流系統(tǒng)互聯(lián)的單母接線原理圖

改進前：直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地時，由于無法確定接地點位置，對不重要的直流電源，采用“瞬時停電法”查找，即拉開某一饋線開關再迅速合上并注意接地是否瞬時消失，若未消失，再依次尋找；對重要的直流電源，采用“轉移負載法”，查該支路帶回路有無接地故障。

具體接地點拉、合步驟：

（1）二次回路是否有工作造成接地；

（2）在調度同意下依次拉合次序：

1）事故照明，臨時工作電源繼電保護試驗電源試拉、合；

2）熱備用、冷備用設備的試拉、合；

3）開關合閘電源試拉、合；

4）退出重合閘，試拉、合重合閘電源；

5）通信電源及遠動裝置電源試拉、合；

6）故障錄波器電源試拉、合；

7）通過調度將主保護改信號后試拉、合其控制電源；

圖4 原220V直流系統(tǒng)原理接線圖

8）試拉、合充電裝置電源；

9）試拉、合蓄電池；

10)在進行上述各項檢查選擇后仍未查出故障點，則應考慮同極性兩點接地。當發(fā)現(xiàn)接地在某一回路后，有環(huán)路的應先解環(huán)，再進一步采用取保險及拆端子的辦法，直至找到故障點并消除。

該方法查找過程復雜，造成重要設備停電，且查找時間過長，不便于日常運行維護。

改進后：直流系統(tǒng)改造后采用貴陽新光ZJX6型微機直流系統(tǒng)接地巡檢裝置作為直流系統(tǒng)接地的監(jiān)視設備，并結合手持式ZJ5型抗分布電容式直流接地探測器，可有效查找接地并可確定到最小范圍內，使查找直流接地變得簡單。

具體步驟如下：

（1）查看ZJX6型微機直流系統(tǒng)接地巡檢裝置顯示的接地支路編號及接地方向，并做記錄。

（2）連接信號源ZJ5。具體方法是：將ZJX6型微機直流系統(tǒng)接地巡檢裝置（主屏或分屏）的對地平衡電阻橋接地線斷開；檢查信號源ZJ5電源開關在“斷開”位置，VQ開關在“常規(guī)”位置；插入電源插頭，然后合上電源開關。

（3）手持器ZJ51與信號源ZJ5進行通信。按下手持器ZJ51“電源開關”，當兩個裝置啟動完畢后，在顯示“請將手持器放到信號源上方1m內，然后按下通信紅外接收數(shù)據(jù)”信息后，在手持器上按通信鍵。手持器顯示“請?zhí)綔y接地”后，即可開始查找接地。

（4）查找接地。在信號源處探測總的絕緣，按下探測按鈕，顯示結果可以與ZJX6型微機直流系統(tǒng)接地巡檢裝置進行比較，手持器顯示的電阻與信號源相近。根據(jù)已記錄的信息，逐個對接地支路進行探測，注意在探測支路時，鉗子盡量同時夾在正負極上或電纜上，以抵消負荷變化干擾，鉗子方向指向負荷側，夾好支路后，按下“探測”按鈕。如有接地將顯示接地信息及接地方向，如果方向向下，表示接地點在測點下方，如果方向向上，表示接地點在測點上方，直至將接地點縮小到最小范圍。

（5）接地電流突然消失或者對地電阻突然增大的測點即為接地點。

該方法可方便快捷查找故障點，及時消除接地故障。

3.3 充電監(jiān)控模塊故障分析

充電監(jiān)控模塊的作用是負責監(jiān)控整流模塊的工作狀態(tài)。

充電監(jiān)控模塊可實現(xiàn)以下功能：

（1）充電監(jiān)控模塊通過RS485接口與電源系統(tǒng)集中監(jiān)控模塊連接，一方面接受上位監(jiān)控下發(fā)的控制命令，通過調節(jié)程控輸出電壓實現(xiàn)對整流模塊的輸出控制，或通過繼電器輸出觸點實現(xiàn)對整流模塊的開關機控制；另一方面采集上傳整流模塊的異常告警信號，由電源系統(tǒng)集中監(jiān)控模塊做出相應的告警處理。

（2）充電監(jiān)控模塊通過采集蓄電池回路的充放電電流信號，與上位機監(jiān)控下發(fā)的充電限流給定信號進行比較，當蓄電池的充電電流小于給定的充電限流值時，誤差放大信號不起作用；當蓄電池的充電電流大于給定的充電限流值時，誤差放大信號通過調節(jié)程控輸出電壓，改變整流模塊的均/浮充電壓值，實現(xiàn)對蓄電池的自動穩(wěn)流充電。

（3）軟件看門狗時刻監(jiān)視與上位機監(jiān)控模塊的通信是否正常，當充電監(jiān)控模塊與上位機通信中斷時，軟件看門狗能自動使充電監(jiān)控模塊按預先設定的安全運行值控制整流模塊的輸出，實現(xiàn)對蓄電池自動限流充電和正常浮充電的控制。

實例分析：監(jiān)控報警蓄電池容量低，現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)整流模塊輸出電壓為50.3V，正常輸出應為54.3V，進一步檢查發(fā)現(xiàn)限流模塊通信指示燈不亮，初步判斷因充電監(jiān)控模塊故障，無法收到上位監(jiān)控下發(fā)的控制命令，無法通過調節(jié)程控輸出電壓控制整流模塊，整流模塊輸出電壓低，蓄電池組對外放電，造成蓄電池容量低報警。

處理方法：更換充電監(jiān)控模塊。若無備件，可采取臨時措施，將充電監(jiān)控模塊程控輸出端子拆除，手動將整流模塊輸出電壓調高，調整時應注意觀察并列運行的整流模塊輸出電壓、電流的大小關系，確保每個整流模塊均衡供電，人為將整流模塊輸出電壓提高后，可對蓄電池充電，確保蓄電池組容量滿足事故備用要求。

3.4 蓄電池組充放電試驗分析

寶泉抽水蓄能電站使用的蓄電池均為閥控式電池，閥控蓄電池是一種新的鉛酸蓄電池，俗稱“免維護蓄電池”被廣泛應用于備用電源系統(tǒng)中，這是由于閥控蓄電池內部實現(xiàn)了氧再復合循環(huán)，電解液中的水分不會損失，“免維護”僅指無需加水、加酸、換液，而日常的檢測和維護工作仍是不可缺少的。因蓄電池在運行中欠充、過充、過放、環(huán)境溫度過高等都會使蓄電池的性能劣化，所以只有對其進行核對性放電才能客觀、準確地測出蓄電池的真實容量，才能保證直流電源系統(tǒng)運行的可靠性。

表1 48V蓄電池組放電數(shù)據(jù)

圖5 1、2號蓄電池放電曲線

以48V蓄電池組放電試驗為例，該蓄電池組由4節(jié)單節(jié)電壓12V的蓄電池組成，對其進行10h恒流放電試驗，放電量應為額定容量的80%以上。

放電過程中對蓄電池組的現(xiàn)場記錄值進行分析，放電過程中隨時注意觀察蓄電池單體電池電壓不得低于10.8V。

試驗數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，2號蓄電池不滿足要求，繪制1、2號蓄電池放電曲線如圖5所示。

由圖5可知，1、2號蓄電池放電初始電壓相同，但2號蓄電池電壓降低較快，容量未達到額定容量的80%以上，須對整組蓄電池進行更換。

閥控式蓄電池放電時注意事項：

（1）不要對電池強制放電，電池若是在放電過程中，超過電池放電的終止電壓值，還繼續(xù)放電時就可能會造成電池內壓升高，正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，電池容量明顯下降。

（2）蓄電池因單只容量不夠需要更換時，只能一次性全部更換，不能把性能指標不夠的蓄電池單獨更換，否則會因為蓄電池內阻不平衡而影響整組電池的發(fā)揮，縮短整組電池的使用壽命。

（3）蓄電池室通風設備應齊全，并能可靠投入運行。

（4）切勿短路電池，當電池的正負極通過外部物質實現(xiàn)電接觸，電池就發(fā)生短路，例如放在口袋中的無外包裝電池就會因與鑰匙或硬幣等金屬材料接觸而產生短路。

4 結束語

直流系統(tǒng)是電廠重要組成部分，對電站正常運行起著重要作用，它的設計方案是否合理、驗收是否嚴格把關、日常維護是否到位直接影響電站運行可靠性。

為防止和杜絕直流系統(tǒng)事故，在日常運維中對直流系統(tǒng)的不足應進一步完善，消除安全隱患，進一步減小發(fā)生直流系統(tǒng)事故的可能性，在保證直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的同時也保證了機組及繼電保護的可靠運行，確保電網安全。

方書博（1989—），男，本科，主要研究方向：直流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、保護系統(tǒng)的維護、檢修。657264546@qq.com

婁彥芳（1986—），女，本科，主要研究方向：直流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)的維護、檢修。

Analysis of DC System Configuration and Operation Mode at Baoquan Pumped Storage Power Station

FANG Shubo， LOU Yanfang
(State Grid Henan Baoquan Pumped Storage Co. Ltd.，Xinxiang 453636，China）

The DC system of Baoquan Pumped Storage Power Station includes 220V DC system and 48V DC system. This article analyses the DC system configuration and operation mode at Baoquan Pumped Storage Power Station and provides analysis and treatment for the problems found during operation.

DC;Operation;Tie switch;grounding;discharging