變電所直流系統(tǒng)設計及現(xiàn)場運行問題分析

劉海燕

摘要:文章對變電所直流系統(tǒng)接線方式以及直流系統(tǒng)構成進行簡單介紹,結合變電所直流系統(tǒng)設計以及現(xiàn)場運行維護情況,對變電所直流系統(tǒng)各相關的問題展開討論和分析,并提出了提高直流系統(tǒng)運行可靠性一些建議。

關鍵詞:變電所;直流系統(tǒng);設計;維護;分析; 可靠性

中圖分類號:TM63 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)24-0013-02

1 概 述

直流系統(tǒng),是電力系統(tǒng)各變電所不可缺少的必要裝備。在日常運行中,為繼電保護、控制、信號、計算機監(jiān)控、事故照明、交流不間斷電源等提供電源。直流系統(tǒng)各直流用戶都是非常重要的,直流系統(tǒng)的可靠性直接關系到變電所安全運行。變電所直流系統(tǒng)安全可靠性,首先取決于直流系統(tǒng)的接線方式,包括直流母線配置、直流供電方式;其次,取決于構成直流系統(tǒng)各個設備的選擇和配置,包括直流充電裝置、蓄電池組、直流絕緣監(jiān)測裝置、直流熔斷器(直流斷路器)等等。另外,提高直流系統(tǒng)可靠性還需要不斷提高日常運行維護水平。下面文章從設計以及運行維護角度對變電所直流系統(tǒng)相關的問題展開討論和分析。希望通過分析能提高對變電所直流系統(tǒng)重要性的認識以及對提高直流系統(tǒng)可靠運行提供有益參考。

2分析與討論

變電所直流系統(tǒng)的可靠性與直流系統(tǒng)的接線方式,蓄電池、充電器的配置以及直流各負荷配置密切相關。當然不同電壓等級的變電所,對直流系統(tǒng)提出了不同的要求。原則上,在滿足直流供電可靠性的前提下,直流系統(tǒng)接線方式應盡可能的簡單,設備盡可能的簡化。同時,還應考慮日常檢修維護安全性、方便性等因素。

2.1直流電壓選擇

變電所直流系統(tǒng)的電壓一般有110V和220V兩種規(guī)格,現(xiàn)場變電所直流系統(tǒng)設計電壓選擇應通過技術經(jīng)濟比較確定。實際直流系統(tǒng)電壓采用110V和220V都有優(yōu)缺點。如電壓選用110V主要有以下特點:蓄電池可以減少一半,直流電壓低對絕緣以及人身都有好處,干擾電壓以及分布電容影響小,控制電纜壓降要大,電纜投資大,直流系統(tǒng)容量要少一半,供給事故照明以及動力負荷等一些特殊負荷時要額外增加投資,以上6個特點均相對電壓為220V直流系統(tǒng)而言。

對比兩者均有優(yōu)缺點,前3點是電壓等級110V直流系統(tǒng)的優(yōu)點,而后3點則是電壓等級為220V直流系統(tǒng)的優(yōu)點。那么現(xiàn)場實際如何選取?對于早期的變電所絕大多數(shù)采用220V直流電壓等級,主要考慮直流動力負荷的壓降影響而選擇220V電壓等級。當前由于技術發(fā)展,變電所均采用集中控制,保護控制就地化以后,電纜壓降已經(jīng)不是主要問題。因此,目前較多的新建變電所采用電壓等級為110V直流系統(tǒng)。現(xiàn)場應根據(jù)變電所實際情況,綜合比較上述兩種電壓的優(yōu)缺點合理選取。

2.2 直流系統(tǒng)接線方式

變電所直流系統(tǒng)接線方式一般應根據(jù)變電所重要性確定,目前新建的主要有單母線、單母線分段等幾種方式。其中單母線僅包括單段母線,配置1套充電器和1組蓄電池及相應直流配電屏。單母線分段又可分為:①單母線分段,有兩個分段直流母線,中間設有聯(lián)絡開關,兩段母線總共配置1套充電器和1組蓄電池。②單母線分段,有兩個分段直流母線,中間設有聯(lián)絡開關,每段母線各配置1套充電器和1組蓄電池。這里所說的充電器均能實現(xiàn)浮充、初充以及均充的功能,即目前新直流充電器均能將以上功能實現(xiàn)。對于單母線分段聯(lián)絡開關切換應保證切換不斷電,同時充電器能實現(xiàn)單獨給蓄電池組充電。

對于單母線接線方式首先不能實現(xiàn)直流雙路供電的要求,因此該方式一般較多使用在110kV及以下變電所。對于單母線分段且只有1組蓄電池和1套充電器的接線方式,從形式上雙路直流電源可以從不同的分段母線上獲取,但是直流系統(tǒng)本身就一套電源配置,一般在110kV變電所或者一些不是很重要的220kV變電所采用。對于單母分段且能實現(xiàn)直流電源按分段母線配置的直流系統(tǒng),真正實現(xiàn)了雙路直流電源供電,且這兩路直流電源相互獨立,一般在220kV及以上變電所采用,在一些特別重要的變電所另配置1套充電器作為各分段充電器的備用。

對于直流配電屏各個直流負荷的布置,應盡可能的合理配置負荷,宜采用直流輻射網(wǎng)絡,不宜采用直流小母線方式。在一些老變電所較多的使用了直流小母線方式,即屏頂小母線,這勢必需要考慮直流各級熔斷器(或者直流斷路器)的配合問題。目前,最理想的方式采用直流輻射網(wǎng)絡各個直流負荷與直流配電屏上負荷開關一一對應。既可簡化直流熔斷器(或者直流斷路器)配合問題,同時又可方便運行人員直流系統(tǒng)接地查找和判斷。此外,直流負荷分布應充分考慮雙路電源相互獨立性,即對有雙路直流電源要求的設備設計時,應能實現(xiàn)冗余的配置,切忌雙重化配置設備直流電源交叉配置。

直流系統(tǒng)接線方式對直流系統(tǒng)可靠性、運行靈活性起關鍵作用,當然這里面又涉及到經(jīng)濟性問題以及現(xiàn)場用戶運行習慣。因此,現(xiàn)場設計時,也應綜合考慮上述各種因素。

2.3直流充電器

直流充電器是變電所直流系統(tǒng)一個重要組成設備,實現(xiàn)對蓄電池組進行充電和浮充電,其性能好壞將關系到蓄電池組的長期可靠運行。目前,直流充電器既有微機相控式硅整流充電裝置,又有高頻開關電源模塊構成的充電裝置。

直流充電器選擇時應考慮以下技術要求:①輸出電壓、電流范圍能滿足蓄電池組的初充、均充、浮充等運行工況要求。②具備恒壓、恒流充電功能。③穩(wěn)壓精度以及紋波系數(shù)滿足規(guī)程要求。④限流、過壓等保護功能。此外,新型微機型充電器在設計中實現(xiàn)手動充電、自動均衡充電、浮充電功能,當蓄電池事故放電后,應能對蓄電池自動進行補充電;實現(xiàn)了能適應蓄電池組初充電要求和根據(jù)溫度變化自動補償浮充電電壓的功能,確保蓄電池組不會因環(huán)境溫度的變化而造成過充電或欠充電;實現(xiàn)了對蓄電池故障檢測功能,能對蓄電池回路的開路或短路進行檢測;實現(xiàn)與變電所監(jiān)控系統(tǒng)接口通信功能。

在早期的現(xiàn)場應用中,由于高頻開關模塊故障率較高,沒有全面推廣使用。但隨著高頻開關模塊技術發(fā)展、元器件質量提高及制造工藝改進,微機型高頻開關模塊構成的直流充電器的優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn),在近年來的設計中已經(jīng)逐步取代相控式硅整流充電器而成為變電所直流充電器的首選。其主要有以下優(yōu)點:①結構緊湊,體積小、重量輕、容量大;②技術指標高,模塊本身能承受多次或長時間短路沖擊,穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高,紋波系數(shù)小;③(N+1)冗余模塊并聯(lián)組合方式供電,模塊可帶電插拔,任一模塊退出運行均不影響系統(tǒng)的正常運行;④模塊自動均流,充電電流自動可調。

2.4 直流蓄電池

蓄電池組是構成直流系統(tǒng)的關鍵設備,其性能好壞將直接影響到變電所的可靠運行。近幾年來,蓄電池技術發(fā)展很快,新建變電所主要采用閥控式密封鉛酸蓄電池和免維護電池兩種類型的蓄電池。其中閥控式密封鉛酸蓄電池克服了開口式和防酸及隔爆蓄電池的缺點,以優(yōu)越的技術性能,如大電流放電性能優(yōu)良、自放電小、使用中無需加水和酸液、不漏液、無酸霧、內阻小和安裝方便及少維護等優(yōu)點而得到了更為廣泛應用。

在現(xiàn)場實際應用中需注意以下幾點:①蓄電池組的容量應滿足變電所最嚴重事故下直流母線電壓不低于規(guī)定要求。②合理配置蓄電池組的數(shù)量,并根據(jù)不同廠家要求正確選擇蓄電池的浮充電壓,這個是保證直流系統(tǒng)長期可靠運行和蓄電池壽命的關鍵所在。③日常維護中需要定期的進行均衡充電,以及定期進行核對性放電試驗,同時需要考慮溫度補償充電。④目前所選用微機型直流充電器都具備了上述功能,應用中直流充電器必須按照蓄電池的技術要求,合理設置參數(shù)。

2.5直流熔斷器(直流斷路器)配置

在實際運行中出現(xiàn)比較普遍的問題就是直流熔斷器(直流斷路器)選擇配置以及上下級配合的問題,在系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了較多影響比較嚴重的事故。近年來這個問題已經(jīng)普遍引起了設計、運行以等相關單位的重視,并且被列為現(xiàn)場反措檢查(或者安全性評價)的一個重要內容。但限于現(xiàn)場人員由于認識不同,可能對該問題的存在或者嚴重性尚沒有深入了解。因此,新變電所設計過程中就應對直流熔斷器(直流斷路器)予以明確和規(guī)范,而對于已投運變電所應現(xiàn)場實際情況進行及早檢查并整改。

變電所內各電氣成套設備、保護屏、控制屏以及高壓斷路器等的直流熔斷器(直流斷路器)分別由各自生產(chǎn)廠家自行配置,這其中可能有采用不同品牌的直流斷路器、直流熔斷器或交直流兩用斷路器,甚至有些還采用交流斷路器代替直流斷路器使用。這就導致了目前變電所直流熔斷器(直流斷路器)上下級無法配合。既有上下級采用不同廠家的直流熔斷器,又有上下級直流熔斷器和直流斷路器共存的現(xiàn)象,還有交直混用的實際情況。如果直流供電網(wǎng)絡沒有采用一一對應的輻射方式的話,必然會導致上下級失配越級。因此,對于設計和運行和維護人員必須要重視以下幾個問題:

①設計和改造過程中應選用直流專用斷路器,其額定電壓應大于或等于整個回路的工作電壓;額定電流應大于或等于整個回路的工作電流;其斷流能力應滿足直流系統(tǒng)短路電流的要求。推薦使用三段式直流斷路器,可更好的實現(xiàn)上下級配合問題。

②直流熔斷器必須選用符合國家標準規(guī)范要求的專業(yè)廠家的熔斷器產(chǎn)品,加強現(xiàn)場對直流熔斷器的運行管理,對發(fā)生過直流短路過的熔斷器,也應予以及時更換,對運行多年的熔斷器應定期更換。

③在同一直流回路中應選擇單一的斷路器(或者熔斷器),切不可混用。對于由于不同設備廠家供貨而使用在同一回路中的直流斷路器(熔斷器),必要時可通過試驗的來驗證上下級的配合關系。

④盡可能采用輻射直流供電網(wǎng)絡,整個直流回路上下級差配合應認真校核計算,避免由于設計選用不當導致直流停電擴大。

2.6 直流接地查找

變電所直流系統(tǒng)發(fā)生一點接地是最為常見的直流系統(tǒng)故障,根據(jù)規(guī)程規(guī)定發(fā)生接地后應在規(guī)定的時間內排查,如再發(fā)生另一點的直流接地,兩點接地的后果是非常嚴重。同時發(fā)生一點接地還會對變電所保護控制設備造成不良后果,如保護的誤動,控制失靈等等。如何查找直流接地,有效保證變電所直流系統(tǒng)的安全性,是直流系統(tǒng)日常維護中一項重要的工作。因此,在變電所設計需考慮此問題。

目前新建變電所都采用了新型的微機直流絕緣監(jiān)測裝置,該裝置既可實現(xiàn)常規(guī)5個直流系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測,包括直流母線電壓、正對地電壓、負對地電壓、正對地絕緣電阻以及負對地絕緣電阻;同時,可以實現(xiàn)每個直流負荷在線接地監(jiān)測。正常運行中裝置監(jiān)測5個常規(guī)直流參數(shù),當發(fā)現(xiàn)直流異常時,立即對各個直流支路的巡查,當某個支路參數(shù)(絕緣電阻)不正常時,提示運行人員。改變了以往逐一拉電的方式進行直流接地檢查。保證了直流接地查找安全性和及時性。目前主要的直流絕緣監(jiān)測裝置有兩種原理。一種是采用外加低頻低壓信號源進行監(jiān)測,此裝置需要考慮注入信號源對直流系統(tǒng)影響,以及容易受分布電容以及電磁環(huán)境影響。另外一種直接監(jiān)測直流支路直流漏電流,此裝置需要在每個直流支路安裝一個高精度的直流互感器,確保能分辨出毫安級的漏電流。應該說這兩種類型的裝置各有特點,都有較為廣泛的使用。現(xiàn)場設計時,應充分考慮到使直流絕緣在線監(jiān)測裝置選線范圍能涵蓋每一個直流支路,當采用采用直流分屏時,也應考慮直流分屏每一個支路的監(jiān)測。同樣如果采用直流小母線形式,就無法實現(xiàn)每一負荷的在線直流接地監(jiān)測,不利于運行維護。另外,在現(xiàn)場維護時,應充分認識直流接地的危害,合理使用直流絕緣監(jiān)測裝置,及時消除直流接地。

3結 語

直流系統(tǒng)作為變電所重要組成部分,其可靠與否將直接影響到整個變電所的安全,甚至涉及到電網(wǎng)的安全。因此,合理配置直流系統(tǒng)接線方式并選擇使用性能優(yōu)良的直流系統(tǒng)設備是必須的。加強直流系統(tǒng)的日常維護和管理是保證直流系統(tǒng)可靠性的關鍵。