航天發射場變電站可靠性升級改造技術研究與應用

北京特種工程設計研究院 劉惠文 張 瑩 鄧雅琦 李軼倫

供配電系統是航天發射場的動力源泉，一旦斷電發射場直接癱瘓，測試流程直接終止，因此供配電系統的可靠性對發射場至關重要。目前變電站已連續運行多年，設備老化陳舊、備件缺乏停產、故障陸續出現，系統智能化程度較低、可靠性逐年降低，考慮到供電系統的重要性和可靠性，升級改造勢在必行。

航天發射場供配電系統要求設備成熟可靠，并不是把先進性和經濟性放在首位，而是要求把可靠性放在首位，確保系統運行萬無一失。故障發生后要求快速準確定位、快速判讀分析、快速檢修回復，盡快縮短停電時間，盡量降低停電對任務的影響，依據這些原則和要求對供配電系統實施改造。同時要求改造應用的設備和技術必須成熟可靠，在實際應用中證明是合理可靠的。因此需經過反復論證、充分調研，確保萬無一失。

1 改造具體設備和技術應用

經前期的大量參觀調研，并結合設計人多年的發射場實踐經驗，某航天發射場對原有老化的設備進行了大量的升級改造，提高了智能化水平，達到了良好效果，主要包括以下幾個方面。

1.1 航天發射場35kV主變壓器

大容量35kV 干式變壓器在民用建筑工程中已應用廣泛，但在發射場項目中尚無應用，目前主變仍采用油浸式為主。樹脂澆注線圈干式變壓器具有防火難燃不爆、不污染環境、體積小噪聲低、工程安裝簡單、無需集油池、可深入負荷中心、安裝費用低、常年免維護、溫升低、超銘牌容量運行能力大、承受突發短路能力強、運行安全可靠、損耗低、節能顯著、絕緣水平高、局部放電量小等優點，近年來得到快速發展，已成為國內電力系統必不可少的設備。缺點就是造價略高、大容量有限，對運行溫濕度環境有要求；油浸式變壓器具有高穩定性抗干擾、耐久性強、容量大、環境適應性強等優點，但也存在體積較大、檢修維護工作量大、可燃可爆等缺點[1-2]。

綜合考慮發射場可靠性要求高、維護人員較少、防火防爆等要求，改造采用了低噪聲低損耗樹脂澆注線圈干式變壓器，目前設備運行良好，效果顯著。

1.2 一體化繼電測控保護裝置

繼電保護系統在電力系統中扮演著關鍵的角色，其作用是當電力系統發生故障或者異常工況時，實現最短時間和最小區域內切除故障、發出信號，降低損失和影響，是電力系統安全運行的重要保障。其主要作用包括：故障檢測、故障隔離、降低故障損失、人身安全保護、信號接收處理、備用電源投入、設備監視監控等。

原有系統保護功能單一、種類較少、靈敏度較低，更新改造后采用新一代一體化繼電測控保護裝置，應用了保護測控一體化裝置中的六功能合一技術，通過一個裝置實現了保護、測量、控制、遙信、合并單元、遠端模塊功能，減少中間連接及傳輸環節，就地柜面安裝，提高了可靠性。具備接入保護及故障信息處理系統的接口，并采用符合IEC870-5-103標準規約[3]。

各單元設置完善的保護裝置，主要包括：每臺35kV 主變壓器配置主保護和后備保護，主變保護安裝于35kV 和10kV 開關柜內，保護具體配置為主變差動保護、主變后備保護、主變非電量保護等；35kV 進線保護配置為線路光纖差動保護、過流保護、接地保護、過負荷保護、加速保護、低周保護、重合閘、小電流接地選線功能，單獨的操作控制回路和斷路器遙控分合閘；35kV 饋線保護為線路距離保護、過流保護、接地保護、過負荷保護、加速保護、低周保護、重合閘、小電流接地選線功能、單獨的操作控制回路和斷路器遙控分合閘；10kV 饋線保護為過流保護、接地保護、過負荷保護、加速保護、低周保護、重合閘、小電流接地選線功能，獨立的操作回路和防跳回路、電源監視回路，斷路器遙控跳、合。

備用電源自投裝置具備如下功能：4種備自投方式實現進行和母聯的自動投切、過負荷減載、過流保護、零序過流保護、加速保護、充電保護。遙信量開入采集，裝置內部遙信，突發事故遙信遙測參數如：電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、頻率、零序電流等；高速現場總線通訊口。

1.3 在線式微機防誤閉鎖系統

電力系統中配電柜因內部改造和運行檢修需要，需要對配電設備進行檢修操作，為防止操作過程中可能產生的誤操作、誤動作，需要通過電腦操作規程及程序來防止誤操作，保護操作人員和設備的安全。防誤裝置做到表面防腐、內部防銹、抗電磁干擾、防金屬體強行開啟。室外的防誤裝置需防水IP55、耐高低溫。與微機五防系統配套的機械掛鎖宜采用不銹鋼鎖具，以有效防止因鎖具生銹導致的掛鎖失效。開關柜的“五防”和聯鎖控制功能主要如下。

防止斷路器誤操作或誤動作、防止帶電操作斷路器或檢修設備、防止帶電操作接地刀閘、防止送電時合接地刀閘、防止操作人員帶電進入間隔檢修操作；配電柜的電纜室檢修門與接地刀閘之間采取機械聯鎖方式，并配有緊急機械解鎖機構；當送電的斷路器處在合閘送電位置時，斷路器操作小車無法推進拉出；當斷路器小車后面連接套扣未與送電底座可靠連接到位時，斷路器無法進行送電操作。

當柜內檢修用的接地刀閘處在合閘位置時，斷路器小車無法從“試驗”位置進入“工作”位置；當斷路器小車處在“試驗”位置與“工作”位置之間（包括“工作”位置）時，無法操作配電柜內下部接地刀閘；開關柜應裝自動檢測進線側電壓，并配電柜表面安裝具有自檢功能的帶電顯示裝置；開關柜電氣閉鎖裝置采用可靠的獨立電源供電。

微機五防系統反映的是變電站一次設備的工作狀態，具有故障定位功能和事件相應告警顯示功能。防誤裝置應有專用的解鎖工具，且專用解鎖工具的保管與使用需要有專門的規范與流程，以確保操作工具的正確使用。斷路器的事故狀態下跳閘不允許閉鎖和操作。

1.4 建立完善的變電站綜合防火控制體系

原有變電站消防設施簡單落后，電纜密集、易燃易爆設備較多，存在重大消防安全隱患。改造后變電站建立完善的變電站綜合防火控制體系，包括重新規劃了防火分區，更換防火門；地面采用防火絕緣防靜電地坪漆，美觀整潔，防火絕緣性能好；電纜溝內設置智能感溫光纖火災探測器，提高火災探測準確度；配電室內設置可視火災探測報警系統，早期發現火災，保護設備可靠運行；配電柜內安裝火探管自動氣體滅火裝置，及時發現、精準撲滅，保護設備安全[4-6]。

1.5 變電站內設置智能環控系統

溫濕度是配電室管理的重要指標，要求室溫10～30℃，相對濕度不大于60%。改造后設備房間內設置溫濕度傳感器，通風空調系統自動節能運行，每天通風次數達到8次/小時，排除變電站內設備散發的有毒氣體，保障崗位巡視人員的生命安全，確保設備在最佳環境下運行，延長設備使用壽命。配電柜內設置溫濕度控制裝置，改善柜內局部環境，加強配電柜運行的可靠性，不產生靜電干擾。

1.6 采用消弧線圈小電流中性點接地系統

電網中性點接地是指三相交流配電網的中性點與大地間連接的方式。中性點經消弧線圈接地方式又稱補償接地電網系統。經消弧線圈接地方式，單相接地故障電流將可以被補償或中和到很小的數值，從實際運行經驗和資料表明，當接地故障電流小于10A 時一般情況下接地電弧不能維持，而且在電流經過零點使電弧熄滅，顯著減小故障電壓的恢復速度，減小電弧重燃的可能性。尤其是在架空配電網中，單相故障占多數特別是瞬時故障，如樹枝或雷電造成的閃落一般能自動消弧，線路絕緣子在電弧熄滅后絕緣能迅速自行恢復。

按規程規定，中性點經消弧線圈接地方式運行，電網可帶故障運行2h，從而獲得排除故障時間，相對提高供電可靠性，目前國內的架空線配電網和架空線、電纜混合配電網多數采用消弧線圈接地方式。當系統電容電流超過30A 時，消弧線圈容量增大，處理過程中對線路逐條進行拉閘，不易排除故障，而且產生較高的過電壓，消弧線圈目前多是手動調節，調節不夠方便，雖有了自動調節裝置但仍存在價格偏高問題，需另配備檢測裝置。

提高供電系統可靠性是發射場10kV 配電網中性點接地方式選擇時考慮的重要因素之一，因為它涉及到場區人員安全和測發工藝設備運行安全等問題。確定接地方式時必須考慮場區供電可靠性，以及單相接地故障時短路電流限制、故障線路繼電保護的靈敏度和選擇性及健全相最大過電壓等因素。另外，經濟因素也是選擇中性點接地方式必須考慮的重要參考因素，因為隨著電壓等級的提高，輸變電設備的絕緣費用在總投資中的比重愈來愈大。

經計算，變電站單相接地電容電流為21A，場區架空線居多易發生單相短路，因此采用消弧線圈接地方式。利用消弧線圈產生的電感電流補償電網對地的電容電流，故障點接地電流變小、電弧熄滅，保護系統穩定運行。控制器采用高可靠性、高集成度專用于工業應用的功能模塊作為核心控制單元，模塊化結構有利于功能擴展；自動檢測系統電容電流，跟蹤電容電流變化，及時補償電感電流，使接地故障點電流限制在整定范圍內，裝置能夠根據需要調整和設置脫諧度及殘流；控制器能夠滿足靜電放電、快速脈沖群、浪涌、射頻場感應的傳導騷擾、工頻磁場、阻尼振蕩磁場、電壓暫降短時中斷和電壓變化、振蕩波、脈沖磁場的抗度試驗，并滿足相應標準所規定的嚴酷性等級的要求。

1.7 建立成熟先進的直流操作系統

直流系統應用于作斷路器分合閘以及二次回路中控制、保護、信號和事故照明的電源。直流系統電壓220V，控制母線電壓范圍220V±5%，交流輸入為雙路AC380V 電源并可自動切換，直流系統接線為單母線接線，蓄電池型式為閥控式密封鉛酸免維護蓄電池，蓄電池容量100Ah，蓄電池運行方式為浮充電方式。

高頻開關內的充電裝置采用電腦智能控制，控制方式分為自動和手動兩種控制，當自動控制發生故障無法操作時自動轉入手動控制；裝置故障、整流模塊過熱均能向變電所監控系統發出報警信號；直流系統配置絕緣監察裝置，實時顯示母線電壓及監測直流系統對地絕緣狀況，當直流回路某一極對地絕緣下降時發出“直流接地”信號；設置母線調壓裝置，具有自動/手動調壓功能；采用模塊化屏架結構，功能單元分隔布置；饋線開關配有報警觸點；觸點信號應輸入直流總監控單元；高頻開關充電裝置滿足工程對電磁兼容性能的要求；高頻開關充電電池的輸出電壓范圍滿足蓄電池放電后期和充電末期電壓的要求。

2 應用效果

改造完成后效果顯著，具有以下特點：設備成熟，技術先進。選用的是國內應用廣泛，運行可靠的設備，較為先進；可靠運行，保障有力。改造完成后已連續運行多年，無故障發生，有力地保障了航天任務的持續進行；高效集中，作用突出。改造后把多個監控分中心集中為一個中心，實現數據共享、專家集中、決策迅速，核心作用明顯；操作簡單，深受歡迎。改造后系統實現智慧運行，自動化程度高，節約人力，深受崗位人員歡迎。改造達到良好效果，有力地保障了航天任務的順利實施。