某電站配電系統(tǒng)操作電源優(yōu)化改進(jìn)

摘要：本文分析了某電站配電系統(tǒng)投入運(yùn)行后暴露的缺陷，并尋找合理的改進(jìn)方案，以優(yōu)化操作電源并確保備用電源自動(dòng)投入功能的正常運(yùn)行，保障防汛設(shè)施及輔助設(shè)備的可靠運(yùn)行。同時(shí)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化方案后，可為運(yùn)行維護(hù)人員操作、檢修等工作提供便利性。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；備用電源自動(dòng)投入；操作；運(yùn)維

某電站廠用配電系統(tǒng)采用兩級(jí)電壓供電，分別為10kV、400V。兩級(jí)供電分別由廠內(nèi)和廠外廠用電系統(tǒng)兩部分組成。廠內(nèi)400V配電系統(tǒng)操作電源通常來(lái)自相鄰部位的220V直流系統(tǒng)。部分400V配電系統(tǒng)處于廠外較遠(yuǎn)位置，由于直流電源線路過(guò)遠(yuǎn)不便敷設(shè)，廠外配電系統(tǒng)因此無(wú)法具備外來(lái)操作電源。這部分操作電源取自各系統(tǒng)10kV變壓器低壓側(cè)。當(dāng)變壓器停電后，失去操作電源會(huì)導(dǎo)致無(wú)法正常操作，進(jìn)而導(dǎo)致備用電源自動(dòng)投入[1]功能無(wú)法正常使用。與配電系統(tǒng)相鄰的10kV隔離開關(guān)柜，其操作電源也取自相鄰變壓器低壓側(cè)，所以停電后同樣會(huì)導(dǎo)致操作電源消失，無(wú)法正常操作。下文以某電站廠外400V配電系統(tǒng)為例，對(duì)此類配電系統(tǒng)存在的缺陷進(jìn)行分析，并提出解決方案。

一、400V配電系統(tǒng)概述

某電站廠內(nèi)400V系統(tǒng)包括以下部分：1～4號(hào)機(jī)機(jī)組自用電、1～2號(hào)公用電系統(tǒng)、地面副廠房配電系統(tǒng)、地下副廠房照明系統(tǒng)、排風(fēng)機(jī)室配電系統(tǒng)、水墊塘配電系統(tǒng)、水廠配電系統(tǒng)和進(jìn)廠交通洞照明配電系統(tǒng)。廠外400V系統(tǒng)包括壩頂控制樓配電系統(tǒng)、進(jìn)水口配電系統(tǒng)、泄洪洞配電系統(tǒng)、壩體集水井配電系統(tǒng)、壩區(qū)樞紐10kV配電房400V配電系統(tǒng)。

400V開關(guān)柜采用某電器公司生產(chǎn)的SIVACON型開關(guān)柜，進(jìn)線和聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用西門子生產(chǎn)的塑殼斷路器3WL型。本體設(shè)置了速斷、過(guò)流和接地故障保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)在負(fù)荷發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切除[2]。400V系統(tǒng)采用RCS-9651CS型微機(jī)備自投裝置，安裝于各配電系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)屏內(nèi)。400V備自投主要包含備用電源自動(dòng)投入和自動(dòng)恢復(fù)功能。配電系統(tǒng)的備自投主要功能是當(dāng)主用電源因故障斷開后，夠自動(dòng)迅速地將處于備用狀態(tài)的另一路電源投入使用，或?qū)⒂脩粞杆偾袚Q到備用電源上去，以保證使用設(shè)備不受主用電源停電影響，簡(jiǎn)稱為BZT裝置。對(duì)BZT裝置有以下基本要求：BZT裝置的啟動(dòng)功能應(yīng)能夠及時(shí)反應(yīng)主用工作母線失去電壓的狀態(tài)；處于工作狀態(tài)的BZT裝置只能正確動(dòng)作一次，以避免在持續(xù)故障情況下，備用電源多次投入到故障未消除的原件上，造成多次損壞和更嚴(yán)重的事故；BZT裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)盡可能短，使電動(dòng)機(jī)在突發(fā)故障消除后更容易自啟動(dòng)；對(duì)于電壓互感器的保險(xiǎn)熔斷情況，BZT裝置應(yīng)加入判據(jù)，不應(yīng)立即動(dòng)作；當(dāng)裝置監(jiān)測(cè)到備用電源未正常供電時(shí)，BZT裝置不應(yīng)動(dòng)作；為防止投入備用電源時(shí)，故障狀態(tài)未消除導(dǎo)致事故擴(kuò)大，設(shè)備損壞程度增加，合格的BZT裝置要求工作電源斷開后，備用電源才能投入，這一點(diǎn)十分重要。為滿足上述要求，合格的BZT裝置需由兩個(gè)重要部分組成，即低電壓?jiǎn)?dòng)部分[3]和自動(dòng)合閘部分。低電壓?jiǎn)?dòng)部分用于斷開工作電源當(dāng)母線因各種原因失去電壓時(shí)。自動(dòng)合閘部分用于在工作斷路器斷開后，使備用電源的斷路器合閘。

400V系統(tǒng)正常運(yùn)行方式為母線分段運(yùn)行，母聯(lián)開關(guān)設(shè)置工作“分閘”位置，備自投的備用電源自動(dòng)投入功能和自動(dòng)恢復(fù)功能均投入。

二、存在問(wèn)題

發(fā)生緊急停電情況時(shí)，備自投裝置需要判斷工作電源是否消失，以確定是否需要進(jìn)行備用電源投入。目前的情況是進(jìn)線開關(guān)操作電源消失，導(dǎo)致不能執(zhí)行分閘令，進(jìn)而無(wú)法正確合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以考慮在備自投裝置中增加一個(gè)備用電源控制模塊，通過(guò)監(jiān)測(cè)進(jìn)線開關(guān)操作電源的狀態(tài)，判斷是否消失，如果消失，則通過(guò)備用電源控制模塊發(fā)出備用電源投入指令，進(jìn)而合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)恢復(fù)母線供電。

針對(duì)10kV隔離開關(guān)柜操作電源消失后電磁閉鎖無(wú)法解除的問(wèn)題，可以考慮安裝一個(gè)獨(dú)立的操作電源供給裝置，該裝置可以通過(guò)備用電源或其他電源為隔離開關(guān)柜提供操作電源。這樣，在變壓器停運(yùn)后，即使操作電源消失，仍然可以通過(guò)獨(dú)立的操作電源供給裝置解除電磁閉鎖，從而方便運(yùn)行操作人員和檢修維護(hù)人員進(jìn)行檢修作業(yè)。

通過(guò)以上改進(jìn)措施，可以使備自投裝置能夠更加可靠地進(jìn)行備用電源的投入，并解決10kV隔離開關(guān)柜操作電源的問(wèn)題，提高配電系統(tǒng)的可靠性和操作的便利性。

三、改進(jìn)方案

水墊塘配電系統(tǒng)為水墊塘及周圍區(qū)域水工建筑滲漏水排水系統(tǒng)和水墊塘區(qū)域附屬設(shè)備提供電源。由于配電系統(tǒng)存在功能缺陷，導(dǎo)致故障或應(yīng)急情況下排水系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，防洪門無(wú)法正常啟閉，照明、通風(fēng)等附屬設(shè)備無(wú)法工作，工業(yè)電視無(wú)法監(jiān)視。這可能會(huì)導(dǎo)致水工建筑物以及水墊塘排水系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備發(fā)生水淹的情況，對(duì)物資財(cái)產(chǎn)和人身安全造成危害，同時(shí)也對(duì)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。因此，為解決短時(shí)停電或故障停電時(shí)操作電源消失的問(wèn)題，提出以下幾種操作電源的改進(jìn)方案。

（一）從相鄰段母線取操作電源

若考慮停電情況下操作電源會(huì)消失的情況，則可以采取交叉取電的方式，即從相鄰段母線引入本段操作電源。由于上級(jí)電源分別取自不同機(jī)組的10kV廠用電，當(dāng)某一端電源需要停電或故障停電時(shí)，另一端電源通常都是正常運(yùn)行的，因此本段操作電源能夠正常供電，備自投裝置可以正確動(dòng)作，將兩端母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，恢復(fù)供電。然而，當(dāng)一段母線停電后，另一段母線上的操作電源會(huì)消失。在這種情況下，若工作中的母線所帶負(fù)荷發(fā)生故障或者母線本身發(fā)生故障需要啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)跳閘等情況時(shí)，由于正常運(yùn)行母線的進(jìn)線開關(guān)的操作電源取自已經(jīng)停電的另一段母線，將導(dǎo)致無(wú)法正確分閘，從而造成開關(guān)越級(jí)跳閘，進(jìn)一步擴(kuò)大故障范圍甚至引起上級(jí)電源故障，對(duì)主設(shè)備造成危害。

雖然該方案只需將操作電源改自相鄰段母線，施工難度小，接線簡(jiǎn)單，但考慮到極端情況下需要保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性，不建議采取此方案。

（二）從生產(chǎn)區(qū)域臨近直流系統(tǒng)取操作電源

使用直流電為設(shè)備提供操作電源是電力系統(tǒng)中常見的方式，在發(fā)電廠、變電站和其他場(chǎng)合中已廣泛應(yīng)用。一般用作開關(guān)分合閘、儀器儀表、繼電保護(hù)裝置和故障照明等設(shè)備的電源。電力系統(tǒng)中常見的直接供電的直流電源主要有兩個(gè)電壓等級(jí)，分為220V和110V兩種。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備提供操作電源，并保證其可靠性和所供電源的質(zhì)量，直流的操作電源由以下幾個(gè)部件組成：交流配電單元、降壓硅鏈、直流饋電單元、充電模塊單元和監(jiān)控單元。

水電站廠房?jī)?nèi)分區(qū)域提供了5套直流系統(tǒng)，配電系統(tǒng)操作電源均來(lái)自相鄰直流系統(tǒng)提供的220V直流電源。水墊塘配電系統(tǒng)處于廠房外部靠近大壩位置。若從直流系統(tǒng)敷設(shè)電纜提供直流操作電源，可以解決配電系統(tǒng)的缺陷。但是由于距離最近的直流電源點(diǎn)有4千米的距離，且由于邊坡地形復(fù)雜，導(dǎo)致施工難度大，滑坡情況多發(fā)。電纜損壞概率非常大，需要新敷設(shè)電纜較多，成本也較高。

若在水墊塘配電室單獨(dú)配置一套直流系統(tǒng)，也可解決直流操作電源消失的問(wèn)題。但是由于成本較高，并且需要增加大量的日常維護(hù)檢修工作，所以不建議采取以上方案。

（三）在配電系統(tǒng)增加UPS電源專供操作電源

綜合考慮距離、位置、投入成本、施工難度等因素，提出一套比較方便的方案，通過(guò)在配電系統(tǒng)中增加UPS（不間斷電源）來(lái)消除隱患[4]。UPS是一種將蓄電池和電源主機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)內(nèi)部的逆變器和直流交流電路等模塊將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源，以供市電使用的設(shè)備系統(tǒng)。在市電正常輸入時(shí)，UPS主機(jī)將經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后的市電供應(yīng)給負(fù)載，并同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，使其處于浮充狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生市電中斷或停電情況時(shí)，UPS發(fā)揮作用，將儲(chǔ)能電池的能量通過(guò)逆變器切換轉(zhuǎn)換為交流電，供應(yīng)給負(fù)載設(shè)備，讓其繼續(xù)正常工作，保護(hù)負(fù)載設(shè)備的軟硬件不會(huì)因停電而損壞。UPS不間斷電源還能對(duì)設(shè)備提供保護(hù)[5]，防止電壓過(guò)高或過(guò)低的情況對(duì)設(shè)備造成影響。

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，UPS在市電模式下工作，將母線電源經(jīng)過(guò)內(nèi)部穩(wěn)壓后輸出，為配電系統(tǒng)提供操作電源，可供設(shè)備的正常操作及指示燈儀表燈顯示。

當(dāng)發(fā)生事故跳閘或電源掉電時(shí)，UPS主機(jī)會(huì)立即無(wú)縫切換至蓄電池供電模式，將蓄電池存儲(chǔ)的電能逆變輸出為220V交流電源，為操作電源供應(yīng)備用自投裝置跳開進(jìn)線開關(guān)并合上聯(lián)絡(luò)開關(guān)，以確保BZT裝置正確動(dòng)作。

在設(shè)備停電檢修時(shí)，UPS主機(jī)切換至蓄電池供電模式，為400V進(jìn)線開關(guān)及10kV隔離開關(guān)提供220V操作電源。在進(jìn)行開關(guān)分合閘試驗(yàn)及閉鎖試驗(yàn)時(shí)，可以保證10kV開關(guān)柜和400V進(jìn)線開關(guān)正常操作，方便開展維修工作并提高檢修效率。

在確定合理方案后，需要進(jìn)行施工圖紙等設(shè)計(jì)。為使兩段電源互不影響，最科學(xué)的方案是在兩段進(jìn)線柜各加一臺(tái)UPS主機(jī)，讓兩段分開使用。設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

考慮到變壓器合閘時(shí)電壓沖擊對(duì)用電設(shè)備的壽命會(huì)產(chǎn)生不良影響，UPS主機(jī)從進(jìn)線開關(guān)下端即400V母線處取一路電源供給，作為UPS主機(jī)的電源。同時(shí)從UPS主機(jī)的負(fù)載端引出兩路電源，分別供給進(jìn)線開關(guān)柜和隔離開關(guān)柜作為操作電源。

四、應(yīng)用

經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)，此方案在配合水墊塘400V配電系統(tǒng)檢修的過(guò)程中進(jìn)行施工，增加UPS主機(jī)后，經(jīng)操作試驗(yàn)隔離開關(guān)與進(jìn)線開關(guān)分合閘操作正常。備自投裝置經(jīng)校驗(yàn)，功能執(zhí)行準(zhǔn)確，證明此方案可行。

于大型水電站體量大，配電系統(tǒng)配置較多，難以避免有些系統(tǒng)所處位置距離生產(chǎn)區(qū)域較遠(yuǎn)。因此，該電站水廠400V配電系統(tǒng)、泄洪洞400V配電系統(tǒng)、排風(fēng)機(jī)室400V配電系統(tǒng)、壩體集水井400V配電系統(tǒng)在施工安裝時(shí)同樣存在沒(méi)有外來(lái)直流系統(tǒng)提供的操作電源的問(wèn)題，這可能導(dǎo)致配電系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運(yùn)行方面存在隱患。

為解決這一問(wèn)題，在配合設(shè)備檢修周期時(shí)，計(jì)劃對(duì)以上四套配電系統(tǒng)進(jìn)行相同方案的改進(jìn)。該方案同樣適用于其他大型水電站的配電系統(tǒng)以及存在類似問(wèn)題的配電系統(tǒng)。該方案具有成本投入低、施工便捷的優(yōu)勢(shì)，可以解決潛在的事故隱患。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在水墊塘400V配電系統(tǒng)進(jìn)線電源屏后新增安裝UPS電源主機(jī)，分別為400V進(jìn)線柜和10kV隔離開關(guān)柜提供操作電源。這樣消除了“因400V配電系統(tǒng)進(jìn)線電源屏操作電源均取自本段母線，導(dǎo)致特殊情況下BZT裝置無(wú)法正確動(dòng)作”的安全隱患。同時(shí)解決了“10kV隔離開關(guān)柜因操作電源取自相鄰變壓器低壓側(cè)，導(dǎo)致變壓器停運(yùn)后隔離開關(guān)柜斷路器無(wú)法正常操作”的問(wèn)題。還能解決停電檢修期間開關(guān)分合閘試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行的問(wèn)題。通過(guò)此次改進(jìn)，水墊塘配電系統(tǒng)備用電源自動(dòng)投入功能開始正常使用。這從根本上解決了水墊塘排水系統(tǒng)等防汛設(shè)施供電可靠性不高的問(wèn)題，保障了水墊塘水工建筑及機(jī)電設(shè)備的安全運(yùn)行[6]。

作者單位：沈楊陽(yáng) 國(guó)能大渡河流域生產(chǎn)指揮中心

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳勝，彭碧君，于立濤.雙母雙分段接線方式中備用電源自動(dòng)投入裝置配置[J].山東電力技術(shù)，2018，45（10）：45-48.

[2]陳淑秋，孫水英，張鳳等.水利工程電氣設(shè)計(jì)塑殼斷路器的選用[J].山東水利，2003（04）：35.

[3]陳啟萍.備用電源自投裝置在水電廠的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2011（07）：22-23.

[4]李廣環(huán).UPS電源設(shè)計(jì)與運(yùn)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019（04）：137.

[5]李富堯.UPS電源系統(tǒng)工作原理及維護(hù)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（18）：150-151.

[6]龐則瓏.配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行可靠性分析[J].通訊世界，2018（11）：206-207.

沈楊陽(yáng)（1994-），女，江西景德鎮(zhèn)，助理工程師，研究方向：流域水電調(diào)度、電氣設(shè)備自動(dòng)化等。