某電站配電系統操作電源優化改進

摘要：本文分析了某電站配電系統投入運行后暴露的缺陷，并尋找合理的改進方案，以優化操作電源并確保備用電源自動投入功能的正常運行，保障防汛設施及輔助設備的可靠運行。同時，經過優化方案后，可為運行維護人員操作、檢修等工作提供便利性。

關鍵詞：配電系統；備用電源自動投入；操作；運維

某電站廠用配電系統采用兩級電壓供電，分別為10kV、400V。兩級供電分別由廠內和廠外廠用電系統兩部分組成。廠內400V配電系統操作電源通常來自相鄰部位的220V直流系統。部分400V配電系統處于廠外較遠位置，由于直流電源線路過遠不便敷設，廠外配電系統因此無法具備外來操作電源。這部分操作電源取自各系統10kV變壓器低壓側。當變壓器停電后，失去操作電源會導致無法正常操作，進而導致備用電源自動投入[1]功能無法正常使用。與配電系統相鄰的10kV隔離開關柜，其操作電源也取自相鄰變壓器低壓側，所以停電后同樣會導致操作電源消失，無法正常操作。下文以某電站廠外400V配電系統為例，對此類配電系統存在的缺陷進行分析，并提出解決方案。

一、400V配電系統概述

某電站廠內400V系統包括以下部分：1～4號機機組自用電、1～2號公用電系統、地面副廠房配電系統、地下副廠房照明系統、排風機室配電系統、水墊塘配電系統、水廠配電系統和進廠交通洞照明配電系統。廠外400V系統包括壩頂控制樓配電系統、進水口配電系統、泄洪洞配電系統、壩體集水井配電系統、壩區樞紐10kV配電房400V配電系統。

400V開關柜采用某電器公司生產的SIVACON型開關柜，進線和聯絡開關采用西門子生產的塑殼斷路器3WL型。本體設置了速斷、過流和接地故障保護，以實現在負荷發生故障時及時切除[2]。400V系統采用RCS-9651CS型微機備自投裝置，安裝于各配電系統的聯絡開關屏內。400V備自投主要包含備用電源自動投入和自動恢復功能。配電系統的備自投主要功能是當主用電源因故障斷開后，夠自動迅速地將處于備用狀態的另一路電源投入使用，或將用戶迅速切換到備用電源上去，以保證使用設備不受主用電源停電影響，簡稱為BZT裝置。對BZT裝置有以下基本要求：BZT裝置的啟動功能應能夠及時反應主用工作母線失去電壓的狀態；處于工作狀態的BZT裝置只能正確動作一次，以避免在持續故障情況下，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重的事故；BZT裝置的動作時間應盡可能短，使電動機在突發故障消除后更容易自啟動；對于電壓互感器的保險熔斷情況，BZT裝置應加入判據，不應立即動作；當裝置監測到備用電源未正常供電時，BZT裝置不應動作；為防止投入備用電源時，故障狀態未消除導致事故擴大，設備損壞程度增加，合格的BZT裝置要求工作電源斷開后，備用電源才能投入，這一點十分重要。為滿足上述要求，合格的BZT裝置需由兩個重要部分組成，即低電壓啟動部分[3]和自動合閘部分。低電壓啟動部分用于斷開工作電源當母線因各種原因失去電壓時。自動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系統正常運行方式為母線分段運行，母聯開關設置工作“分閘”位置，備自投的備用電源自動投入功能和自動恢復功能均投入。

二、存在問題

發生緊急停電情況時，備自投裝置需要判斷工作電源是否消失，以確定是否需要進行備用電源投入。目前的情況是進線開關操作電源消失，導致不能執行分閘令，進而無法正確合上聯絡開關。為解決這個問題，可以考慮在備自投裝置中增加一個備用電源控制模塊，通過監測進線開關操作電源的狀態，判斷是否消失，如果消失，則通過備用電源控制模塊發出備用電源投入指令，進而合上聯絡開關恢復母線供電。

針對10kV隔離開關柜操作電源消失后電磁閉鎖無法解除的問題，可以考慮安裝一個獨立的操作電源供給裝置，該裝置可以通過備用電源或其他電源為隔離開關柜提供操作電源。這樣，在變壓器停運后，即使操作電源消失，仍然可以通過獨立的操作電源供給裝置解除電磁閉鎖，從而方便運行操作人員和檢修維護人員進行檢修作業。

通過以上改進措施，可以使備自投裝置能夠更加可靠地進行備用電源的投入，并解決10kV隔離開關柜操作電源的問題，提高配電系統的可靠性和操作的便利性。

三、改進方案

水墊塘配電系統為水墊塘及周圍區域水工建筑滲漏水排水系統和水墊塘區域附屬設備提供電源。由于配電系統存在功能缺陷，導致故障或應急情況下排水系統無法正常運行，防洪門無法正常啟閉，照明、通風等附屬設備無法工作，工業電視無法監視。這可能會導致水工建筑物以及水墊塘排水系統等機電設備發生水淹的情況，對物資財產和人身安全造成危害，同時也對電站的安全穩定運行造成威脅。因此，為解決短時停電或故障停電時操作電源消失的問題，提出以下幾種操作電源的改進方案。

（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。由于上級電源分別取自不同機組的10kV廠用電，當某一端電源需要停電或故障停電時，另一端電源通常都是正常運行的，因此本段操作電源能夠正常供電，備自投裝置可以正確動作，將兩端母線聯絡運行，恢復供電。然而，當一段母線停電后，另一段母線上的操作電源會消失。在這種情況下，若工作中的母線所帶負荷發生故障或者母線本身發生故障需要啟動過流保護跳閘等情況時，由于正常運行母線的進線開關的操作電源取自已經停電的另一段母線，將導致無法正確分閘，從而造成開關越級跳閘，進一步擴大故障范圍甚至引起上級電源故障，對主設備造成危害。

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

（二）從生產區域臨近直流系統取操作電源

使用直流電為設備提供操作電源是電力系統中常見的方式，在發電廠、變電站和其他場合中已廣泛應用。一般用作開關分合閘、儀器儀表、繼電保護裝置和故障照明等設備的電源。電力系統中常見的直接供電的直流電源主要有兩個電壓等級，分為220V和110V兩種。為實現對電力設備提供操作電源，并保證其可靠性和所供電源的質量，直流的操作電源由以下幾個部件組成：交流配電單元、降壓硅鏈、直流饋電單元、充電模塊單元和監控單元。

水電站廠房內分區域提供了5套直流系統，配電系統操作電源均來自相鄰直流系統提供的220V直流電源。水墊塘配電系統處于廠房外部靠近大壩位置。若從直流系統敷設電纜提供直流操作電源，可以解決配電系統的缺陷。但是由于距離最近的直流電源點有4千米的距離，且由于邊坡地形復雜，導致施工難度大，滑坡情況多發。電纜損壞概率非常大，需要新敷設電纜較多，成本也較高。

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

（三）在配電系統增加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，通過在配電系統中增加UPS（不間斷電源）來消除隱患[4]。UPS是一種將蓄電池和電源主機結合起來，通過內部的逆變器和直流交流電路等模塊將直流電源轉換為交流電源，以供市電使用的設備系統。在市電正常輸入時，UPS主機將經過穩壓后的市電供應給負載，并同時對蓄電池進行補充充電，使其處于浮充狀態。當發生市電中斷或停電情況時，UPS發揮作用，將儲能電池的能量通過逆變器切換轉換為交流電，供應給負載設備，讓其繼續正常工作，保護負載設備的軟硬件不會因停電而損壞。UPS不間斷電源還能對設備提供保護[5]，防止電壓過高或過低的情況對設備造成影響。

設備正常運行時，UPS在市電模式下工作，將母線電源經過內部穩壓后輸出，為配電系統提供操作電源，可供設備的正常操作及指示燈儀表燈顯示。

當發生事故跳閘或電源掉電時，UPS主機會立即無縫切換至蓄電池供電模式，將蓄電池存儲的電能逆變輸出為220V交流電源，為操作電源供應備用自投裝置跳開進線開關并合上聯絡開關，以確保BZT裝置正確動作。

在設備停電檢修時，UPS主機切換至蓄電池供電模式，為400V進線開關及10kV隔離開關提供220V操作電源。在進行開關分合閘試驗及閉鎖試驗時，可以保證10kV開關柜和400V進線開關正常操作，方便開展維修工作并提高檢修效率。

在確定合理方案后，需要進行施工圖紙等設計。為使兩段電源互不影響，最科學的方案是在兩段進線柜各加一臺UPS主機，讓兩段分開使用。設計原理如圖2所示。

考慮到變壓器合閘時電壓沖擊對用電設備的壽命會產生不良影響，UPS主機從進線開關下端即400V母線處取一路電源供給，作為UPS主機的電源。同時從UPS主機的負載端引出兩路電源，分別供給進線開關柜和隔離開關柜作為操作電源。

四、應用

經仔細設計，此方案在配合水墊塘400V配電系統檢修的過程中進行施工，增加UPS主機后，經操作試驗隔離開關與進線開關分合閘操作正常。備自投裝置經校驗，功能執行準確，證明此方案可行。

于大型水電站體量大，配電系統配置較多，難以避免有些系統所處位置距離生產區域較遠。因此，該電站水廠400V配電系統、泄洪洞400V配電系統、排風機室400V配電系統、壩體集水井400V配電系統在施工安裝時同樣存在沒有外來直流系統提供的操作電源的問題，這可能導致配電系統在安全穩定運行方面存在隱患。

為解決這一問題，在配合設備檢修周期時，計劃對以上四套配電系統進行相同方案的改進。該方案同樣適用于其他大型水電站的配電系統以及存在類似問題的配電系統。該方案具有成本投入低、施工便捷的優勢，可以解決潛在的事故隱患。

五、結束語

通過在水墊塘400V配電系統進線電源屏后新增安裝UPS電源主機，分別為400V進線柜和10kV隔離開關柜提供操作電源。這樣消除了“因400V配電系統進線電源屏操作電源均取自本段母線，導致特殊情況下BZT裝置無法正確動作”的安全隱患。同時解決了“10kV隔離開關柜因操作電源取自相鄰變壓器低壓側，導致變壓器停運后隔離開關柜斷路器無法正常操作”的問題。還能解決停電檢修期間開關分合閘試驗無法進行的問題。通過此次改進，水墊塘配電系統備用電源自動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等防汛設施供電可靠性不高的問題，保障了水墊塘水工建筑及機電設備的安全運行[6]。

作者單位：沈楊陽 國能大渡河流域生產指揮中心

參? 考? 文? 獻

[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投入裝置配置[J].山東電力技術，2018，45（10）：45-48.

[2]陳淑秋，孫水英，張鳳等.水利工程電氣設計塑殼斷路器的選用[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用[J].電工技術，2011（07）：22-23.

[4]李廣環.UPS電源設計與運用[J].山東工業技術，2019（04）：137.

[5]李富堯.UPS電源系統工作原理及維護[J].內燃機與配件，2018（18）：150-151.

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

沈楊陽（1994-），女，江西景德鎮，助理工程師，研究方向：流域水電調度、電氣設備自動化等。