沙河抽水蓄能電站直流系統改進分析

崔 石，張博倫

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 概述

沙河抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市，總裝機容量為100 MW，由兩臺單機50 MW可逆式水泵水輪機組成。電站直流系統主要由交流輸入、充電裝置、蓄電池、監控系統、放電裝置、饋線屏等基本單元構成。

1.1 直流系統作用

（1）直流系統是給信號及遠動設備、保護及自動裝置、事故照明、斷路器（開關）分合閘操作提供直流電源的電源設備。直流系統是一個獨立的電源，在外部交流電中斷的情況下，由蓄電池組繼續提供直流電源，保障系統設備正常運行。

（2）直流系統的用電負荷極為重要，對供電的可靠性要求很高，直流系統的可靠性是保障電站安全運行的決定性條件之一。

（3）在系統發生故障、廠用電中斷的情況下，如果直流電源系統不能可靠地為工作設備提供直流工作電源，將會產生不可估計的損失。

1.2 直流系統組成

（1）充電模塊

將交流電整流成直流電的一種換流設備，其主要功能是實現正常負荷供電及蓄電池的均/浮充功能。直流充電電源先后經歷了線性調壓充電電源、相控充電電源、高頻開關充電電源3個階段。目前，充電裝置已全部采用高頻開關充電電源充電裝置。

（2）蓄電池組

用電氣方式連接起來的兩個或多個單體蓄電池。

（3）監控模塊

直流系統的充電模塊統一受控于一臺中央控制系統，系統采用模塊化結構，實現系統的“四遙”功能，這樣的系統稱為監控模塊。

（4）其他配套設備

其他配套的設備一般包括：交流進線單元、雷擊保護模塊、降壓裝置、蓄電池巡檢儀、數字電壓電流表計、放電裝置等。

1.3 直流系統優勢

（1）電壓穩定，不受電網運行方式和電網故障的影響，發生單極接地故障時仍能正常工作；

（2）單套系統一般有2路輸入（自動切換），另有1套蓄電池組，相當于有3個電源供電，供電可靠性高；

（3）由于直流繼電器無電磁振動和交流阻抗，故損耗較小，且可小型化，易于集成化。

1.4 直流系統劃分

電站的直流系統主要分為48 V系統、110 V系統、220 V系統。

（1）48 V系統主要用于通信、遠動裝置，保護通道接口裝置及載波機等。

（2）110 V系統主要用于保護、自動裝置、信號、斷路器的分合閘控制等。其中，110 V直流系統要求絕緣水平較低，由于110 V直流網絡較小，接地幾率相對220 V的直流網絡要小。此外，110 V蓄電池個數少，占地面積小，安裝和維護工作簡單。

（3）電站照明電壓一般采用220 V，如使用110 V直流系統照明，由于所帶設備多，負荷功率較大，供電距離較長，因而電纜截面較大，投資增加，需要采用逆變裝置或其它辦法來解決事故照明的供電問題，較為復雜。使用220 V直流系統照明則接線簡單，對電站的事故照明比較有利。

1.5 直流電源系統接線方式

直流系統電源接線應根據電力工程的規模和電源系統的容量確定。根據各種容量的發電廠以及不同電壓等級的變電站的特點，主要有4種接線方式：一組充電機一組蓄電池單母線接線、二組充電機一組蓄電池單母分段接線、二組充電機二組蓄電池雙母接線和三組充電機二組蓄電池雙母接線。

一電一充單母線接線的特點：接線簡單、清晰。

適用于110 kV以下小型變（配）電所和小容量發電廠，以及大容量發電廠中某些輔助車間。

圖1 一電一充單母線接線

一電兩充單母分段接線的特點：蓄電池經分段開關接至兩端母線，二套充電機分別接至兩段母線。分段開關設保護元件，限制故障范圍，提高安全可靠性。具有一組蓄電池的固有特點，使直流母線電壓高于負荷允許范圍的運行方式受到限制。

適用于110 kV以下小型變（配）電所和小容量發電廠，以及大容量發電廠中某些輔助車間，對電壓波動范圍要求不嚴格的直流負荷。

圖2 一電兩充單母分段接線

兩電兩充雙母接線的特點：接線方式比較復雜。

適用于500 kV以下大、中型變電所和大、中型容量發電廠。負荷對直流母線電壓的要求和對運行方式的要求不受限制。

圖3 兩電兩充雙母接線

兩電三充雙母接線的特點：最復雜。

適用于500 kV及以上大型變電站和大容量發電站。適合對直流母線電壓有各種要求的負荷和各種類蓄電池，也能夠適應蓄電池在各種工況運行的要求。

圖4 兩電三充雙母接線

1.6 直流饋線接線方式

直流系統饋電網絡有兩種供電方式：環形供電方式和輻射形供電方式。

在大型直流網絡中，環形供電網絡操作切換較復雜、尋找接地故障點也較困難；環形供電網絡路徑較長，電纜壓降也較大。因此，變電站直流系統的饋線網絡應采用輻射狀供電方式，不宜采用環狀供電方式。

圖5 環形供電接線

輻射型接線方式的優點是減少了干擾源（主要是感應耦合和電容耦合）。一個設備或系統由1～2條饋線直接供電，當設備檢修時或調試時，可方便地退出，不影響其他設備。當直流系統發生接地故障時，便于接地故障點的查找。缺點是饋線數量增加，電纜總長度增加，可能使直流主屏數增加，投資較大。

圖6 輻射型接線1

圖7 輻射型接線2

2 沙河抽水蓄能電站直流系統改造

2.1 改造原因

（1）直流系統改造前配置為機組、變電站共用一套直流系統供電，機組、變電站直流系統沒有完全獨立，不符合《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全【2014】161號）第22.2.3.2條的要求；

（2）直流系統改造前系統為兩套充電裝置為2段直流母線供電，未配置備用充電屏，不符合《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全【2014】161號）第22.2.3.4條的要求；

（3）直流系統在線絕緣檢測裝置不具備檢測交流電竄直流電的功能。

2.2 改造過程

改造內容包括變電站直流系統獨立、機組直流系統改造兩部分內容。

2.2.1 新增變電站直流系統

2017年5月，結合春季檢修新增了變電站直流系統，采用控制負荷和動力負荷合并供電方式，兩段單母線接線。母線之間設置一個聯絡開關來實現母線的聯絡運行，正常運行時直流母線分別獨立運行。改造后實現了機組直流和變電站直流的相互獨立。

2.2.2 機組直流系統改造

2018年5月，結合春季檢修進行了機組直流系統改造，由兩電兩充系統改為兩電三充系統，正常運行時兩段母線分別獨立運行。改造后，系統內各項試驗結果合格，驗收合格。

通過為期兩年的改造，直流系統經歷了從全廠共用一套直流且為兩電兩充到機組、變電站直流系統完全獨立且均為兩電三充的升級改造過程，設備性能得到了有效提升，運行可靠性也產生質的飛躍。

2.2.3 技術改進

（1）增設備用充電屏以及備用屏雙投開關將直流系統原有的兩電兩充運行方式改為兩電三充運行方式，在1、2號充電裝置故障時通過備用屏雙投開關可以及時切換使用備用充電屏為直流母線供電，提高了直流系統供電可靠性；

圖8 改造后直流系統接線圖

（2）優化在線絕緣檢測裝置，在原有的功能基礎上增加了交流竄電故障報警以及報警選線功能，使故障發生時可以及時確定故障點，提高了故障消除的效率和準確性。

2.3 取得成效

（1）重新規劃系統，實現變電站與機組直流系統獨立運行。通過機組、變電站直流系統的分離，增加備用充電屏的改造，切實提高了直流系統的供電可靠性。

（2）升級設備功能，確保系統安全可靠運行。在線絕緣裝置、電池巡檢裝置、屏柜主監控裝置都在原有功能基礎上有了明顯提升。整流模塊作為直流系統的核心部件，增加了風冷功能，提升了散熱性能，確保系統更加可靠，為黑啟動起勵、繼保、控制等直流負荷提供可靠電源。

（3）節省改造費用，降本增效從點滴做起。選用了容量為141 A·h的進口蓄電池組，在容量滿足要求的前提下節約了設備成本，同時也提高了設備的運行壽命。重新核算了不間斷電源的供電負荷容量，節約設備成本約兩萬元。在改造中將該系統配電屏改為充饋一體的緊湊型結構，由5面屏設計為3面屏，節約空間的同時也縮減了改造費用。

3 結語

沙河抽水蓄能電站直流系統改造是設備系統改造的又一嘗試，消除了原設備系統設計的缺點，直流系統運行安全性大幅增強，設備使用壽命得到延長，日常維護難度得到降低，提高了日常維護的便利性，確保了全站設備的安全穩定運行。