水電站直流系統(tǒng)在東南亞地區(qū)的故障分析與技術(shù)改造

劉本利，姚建中，王 亮，楊培瀚

（中國(guó)電建集團(tuán)海外投資有限公司，北京100048）

1 概述

直流系統(tǒng)是水電站重要組成部分，給監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)裝置、斷路器操作及各類重要設(shè)備元件提供電源，關(guān)系到電站乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 直流系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成

老撾、尼泊爾、緬甸等東南亞國(guó)家由于電網(wǎng)薄弱、遠(yuǎn)距離輸電等因素造成電網(wǎng)不穩(wěn)定，尤其水電站甩負(fù)荷形成的短時(shí)高電壓，使發(fā)電廠直流系統(tǒng)充電模塊頻繁故障，返修率高。由于工程項(xiàng)目均在國(guó)外，備件供應(yīng)及設(shè)備維修周期較長(zhǎng)，成為電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的安全隱患，也對(duì)中國(guó)設(shè)備的質(zhì)量造成一定的負(fù)面影響。

2 故障分析

根據(jù)老撾、尼泊爾、緬甸幾個(gè)水電站長(zhǎng)期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直流系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為充電模塊炸機(jī)，或是模塊上電后有放電聲，欠壓報(bào)警（E31故障）。經(jīng)對(duì)損壞的充電模塊進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)分析，炸機(jī)的主要原因?yàn)檎鳂騇OS管燒毀，系充電模塊輸入異常高壓情況下，不僅使整流橋MOS管過壓而燒毀，并破壞了周邊線路及器件，欠壓報(bào)警的原因?yàn)椴糠謨?nèi)部電源用MOS管損壞。

上述模塊故障均因MOS管接入異常高電壓受損，而充電模塊（GF22020-10）設(shè)計(jì)輸入范圍是380 VAC±20%，過壓保護(hù)點(diǎn)為456 VA，這就表明實(shí)際接入的交流輸入電壓尖峰達(dá)到了500 V或更高，超過功率器件最高耐壓值，造成了MOS管損壞。

為此，電站現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過一段時(shí)間監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行情況及廠用電電壓，發(fā)現(xiàn)電壓穩(wěn)定性較差，尤其在機(jī)組甩負(fù)荷過程中，廠用電電壓會(huì)超過額定電壓380 VAC的30%，確認(rèn)直流系統(tǒng)輸入過電壓是造成充電模塊損毀的直接原因。

3 改造技術(shù)方案

3.1 充電模塊配置加強(qiáng)型元器件

針對(duì)系統(tǒng)輸入異常電源電壓超過整流橋MOS管耐壓極限的情況，采用加強(qiáng)型功率元件，增加MOS管耐壓裕量，提高模塊抗電壓沖擊能力。

充電模塊原設(shè)計(jì)采用的整流橋MOS管為24N80（耐受電壓 800 V），調(diào)整為 24N90（耐受電壓900 V），考慮電壓應(yīng)降額使用（降額系數(shù)0.9），整流橋MOS管耐壓可以承受810 V電壓?？闺妷核查g擾動(dòng)能力可以達(dá)到交流輸入的1.5倍，即電壓波動(dòng)到574 VAC（1.5×380 VAC），計(jì)算公式如下：

此時(shí)，整流橋MOS管24N90較24N80的1.35倍抗電壓波動(dòng)能力明顯增強(qiáng)。

3.2 交流進(jìn)線端配置過壓保護(hù)裝置

當(dāng)電網(wǎng)或電站機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，電網(wǎng)電壓會(huì)升高到較高的水平，并持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可達(dá)秒級(jí)，為了提高和完善過壓保護(hù)和接地的可靠性，特開發(fā)研制了過壓保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置配合相應(yīng)容量的空開使用，當(dāng)電壓較長(zhǎng)時(shí)間過高時(shí)、缺相、欠壓時(shí)空開跳開，保護(hù)充電模塊；當(dāng)發(fā)生相對(duì)較短時(shí)間的高電壓（高壓波峰）時(shí)，保護(hù)裝置通過阻容元件直接吸收及泄放此部分能量，避免直流電源充電模塊整流橋及壓敏等器件的損壞。原理圖如圖2。

3.3 配置隔離變壓器

根據(jù)電壓隔離保護(hù)理論和已有電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)線側(cè)配置隔離變壓器也能有效改善直流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，保護(hù)充電模塊不被燒毀，但在建設(shè)完成，并投入運(yùn)營(yíng)的水電站項(xiàng)目中，設(shè)備布置存在較大困難，成本投入也較高，在具備條件的情況下，可以選擇使用。

4 實(shí)施效果

鑒于電站時(shí)間條件限制，直流系統(tǒng)的技術(shù)改造僅僅采用了措施3.1和3.2，在2年來的運(yùn)行過程中，也經(jīng)歷了多次系統(tǒng)甩負(fù)荷或解列、電站機(jī)組甩負(fù)荷等特殊工況，直流系統(tǒng)再未出現(xiàn)充電模塊炸機(jī)、燒毀或其他類似故障，設(shè)備運(yùn)行正常，證明該技術(shù)改造是成功的，直流系統(tǒng)設(shè)備適應(yīng)了東南亞地區(qū)的運(yùn)行環(huán)境。

圖2 原理圖

5 建議

（1）鑒于東南亞各國(guó)的電網(wǎng)情況，建議水電站直流系統(tǒng)設(shè)備在選型和技術(shù)參數(shù)選擇時(shí)充分考慮當(dāng)?shù)剡\(yùn)行環(huán)境，適當(dāng)做好過壓保護(hù)措施。

（2）直流系統(tǒng)設(shè)備是電站安全的保障，建議選取高品質(zhì)的設(shè)備，而中國(guó)完全有能力設(shè)計(jì)、制造滿足需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

（3）直流系統(tǒng)設(shè)備是發(fā)電廠、變電站必備的常規(guī)產(chǎn)品，但技術(shù)細(xì)節(jié)仍需專業(yè)機(jī)構(gòu)來分析診斷，建議專業(yè)的人做專業(yè)的事。