变电站直流系统主要是由电池屏和直流充电屏 (简称直流屏) 两大部分组成。电池屏是放置电池的机柜, 里面的电池由电池以9节到108节串联而成, 其输出电压一般是220V或110V。直流屏又由机柜、整流模块、监控系统、绝缘监测单元、电池巡检单元、开关量检测单元、降压单元和配电单元等组成。它的作用是:正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源;故障时, 当厂、站用电中断的情况下为继电保护及自动装置、断路器跳闸与合闸、载波通信、发电厂直流电动机拖动的厂用机械提供工作直流电源。它的正常与否直接影响电力系统的安全可靠运行。
随着自动化程度很高的无人值守变电站逐渐增多。为了能保障变电站内各种设备的正常工作, 对变电站直流供电系统的可靠性提出了新的要求。交流系统是直流电源的能量来源, 要保证直流系统供电的稳定性, 交流系统工作的可靠和稳定是必要的。
变电站为什么要使用直流系统?优势有四点:1) 电压稳定好, 单极接地仍可运行。2) 单套直流系统一般有二路交流输入, 另有一套蓄电池组, 供电可靠性高。3) 如用交流电源, 当系统发生短路故障, 电压会因短路而降低, 使二次控制电压也降低, 严重时会因电压低而使断路器跳不开。4) 变电站操作电源选直流:蓄电池可逆。
充电模块是提供稳定直流电源的设备。组成部分:仪表、监控模块、充电机、直流投切开关、交流输入组件、柜体及连接件。高频开关电源具有稳压、稳流精度高, 体积小、效率高, 输出纹波及谐波失真小, 自动化程度高等优点, 同时也与综合自动化和无人值班变电站监控的发展要求相适应。浮充电设备的输出直流应能承担直流母线的最大负荷电流和蓄电池的自放电电流。
监控系统是整个直流系统的控制、管理核心, 其主要任务是:对系统中各功能单元和蓄电池进行长期自动监测, 获取系统中的各种运行参数和状态, 根据测量数据及运行状态及时进行处理, 并以此为依据对系统进行控制, 实现电源系统的全自动管理, 保证其工作的连续性、可靠性和安全性。
监控系统分为两种:一种是按键型, 还有一种是触摸屏型。监控系统提供人机界面操作, 实现系统运行参数显示, 系统控制操作和系统参数设置。
直流系统绝缘监测单元是监视直流系统绝缘情况的一种装置, 可实时监测线路对地漏电阻, 此数值可根据具体情况设定。当线路对地绝缘降低到设定值时, 就会发出告警信号。直流系统绝缘监测单元目前有母线绝缘监测、支路绝缘监测。
其中, 绝缘监测单元和监控系统又称直流系统的辅助装置。
电池巡检单元就是对蓄电池在线电压情况巡环检测的一种设备。可以实时检测到每节蓄电池电压的多少, 当哪一节蓄电池电压高过或低过设定时, 就会发出告警信号, 并能通过监控系统显示出是哪一节蓄电池发生故障。电池巡检单元一般能检测2V~12V的蓄电池和巡环检测1~108节蓄电池。
开关量检测单元是对开关量在线检测及告警干节点输出的一种设备。比如在整套系统中哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断后开关量检测单元就会发出告警信号, 并能通过监控系统显示出是哪一路断路器发生故障跳闸或者是哪路熔断器熔断。开关量检测单元可以采集到1~108路开关量和多路无源干节点告警输出。
降压单元就是降压稳压设备, 是合母电压输入降压单元, 降压单元再输出到控母, 调节控母电压在设定范围内 (110V或220V) 。当合母电压变化时, 降压单元自动调节, 保证输出电压稳定。降压单元也是以输出电流的大小来标称的。降压单元目前有两种, 一种是有级降压硅链, 一种是无级降压斩波。有级降压硅链有5级降压和七级降压, 电压调节点都是3.5V, 也就是说合母电压升高或下降3.5V时降压硅链就自动调节稳定控母电压。无级降压斩波就是一个降压模块, 它比降压硅链体积小, 它没有电压调节点, 所以输出电压也比降压硅链要稳定, 还有过压、过流和电池过放电等功能。不过无级降压斩波技术还不是很成熟, 常发生故障, 所以还是降压硅链使用较广泛。
配电单元主要是直流屏中为实现交流输入、直流输出、电压显示、电流显示等功能所使用的器件, 如电源线、接线端子、交流断路器、直流断路器、接触器、防雷器、分流器、熔断器、转换开关、按钮开关、指示灯以及电流、电压表等等。
为保证直流系统有最大的可靠性, 正常情况下, 两段母线分列运行, 直流负荷断环运行。两套充电电源系统各带一部分直流负荷并使两段母线的直流负荷基本平衡, 禁止两套充电系统长期并列运行。直流系统各种运行方式及切换:
1) 运行方式一:一台充电装置配一组蓄电池直流系统。直流系统只有一组蓄电池, 采用108只额定电压2V的蓄电池, 蓄电池组的均充电压为254V, 浮充电压为243V, 因继电保护装置额定电压为220V。为此, 将高频开关电源模块分为充电模块和控制模块, 并在直流充电装置中配置调压装置。交流正常供电时, 微机控制型高频开关直流电源装置由控制模块为负荷提供220V直流电, 充电模块和蓄电池组处于热备用。当交流停电时, 由蓄电池组提供可靠的直流电, 无论蓄电池组是均充还是浮充状态, 均可以通过调压装置自动将蓄电池组电压调整为220V±10%, 确保继电保护、自动化等装置正常工作。
这种接线方式在高频开关充电装置或蓄电池组出现故障及交流长期停电后蓄电池放电时间过长, 易造成蓄电池容量严重不足, 进而造成直流电源系统无法正常工作, 将直接影响变电站的安全运行。因此, 这种接线方式一般只用于110千伏及以下变电站。
2) 运行方式二:两台充电装置配两组蓄电池。当直流电源系统采用两台充电装置、两组蓄电池配置时, 将直流母线分段, 在两段直流母线之间配置联络用隔离开关。正常运行时隔离开关处于断开位置, 每段母线分别由一台充电装置及一组独立的蓄电池供电, 蓄电池和对它充电的充电装置接在同一段母线上, 每一台充电装置都配有独立的微机监控装置, 每段直流输出母线都配有一套微机绝缘监察测装置, 用于监测每一馈电输出回路的输出电压、正/负对地绝缘电阻、对地电压等。每组蓄电池均装有蓄电池巡检仪, 实时监测每只蓄电池的电压、温度等上传至微机监控装置。两套充电装置 (蓄电池组) 互为备用。
显然, 采用这种接线方式时, 当一套充电装置或蓄电池组故障, 可通过两段直流母线之间配置的隔离开关进行切换操作, 确保为馈电负荷提供可靠的直流电源, 这种接线方式主要用于220千伏及重要110千伏变电站的直流电源系统。
3) 运行方式三:三台充电装置配两组蓄电池。直流电源系统采用三台充电装置配两组蓄电池运行时, 直流母线采用分段运行方式, 并在两段母线之间设置联络隔离开关, 正常运行时隔离开关处于断开位置, 每段母线分别由单独的充电装置及一组独立的蓄电池组供电, 蓄电池组与相应的充电装置接于同一段母线。第三台充电装置为备用充电装置, 当某一充电装置故障时, 可以将其退出运行, 投入第三台充电装置, 确保直流电源系统可靠运行, 每台充电装置均配有独立的微机监控装置。这种接线方式运行灵活, 可靠性高。该接线方式主要用于330千伏~1 000千伏变电站直流电源系统, 根据国家电网公司防止变电站全停的措施要求, 220千伏及以上变电站直流电源系统均采用三台充电装置配置两组蓄电池的接线方式。
运行方式间的转换原则:
(1) 不应因方式转换而导致失压和可靠性降低;
(2) 两组充电机不能长时间并列运行, 两组电池不应长时间并列运行;
(3) 两组降压硅堆始终投自动;
(4) 充电装置停电时, 先合母线分段开关, 观察负荷转移至另外一台充电装置后, 再将该充电装置停直流输出, 最后停交流电源;
(5) 充电装置送电时, 开启充电装置后, 使充电模块的输出电压稍微高于蓄电池的端电压, 逐一合上充电模块的输出开关, 调整充电装置的输出电压, 观察其输出电流是否随之变化, 若是, 将母线分段开关分开, 调整充电装置的输出至合适的电压;
(6) 直流母线I段和H段并列前, 必须检查两段母线的绝缘应良好, 两段母线电压值在正常范围;
(7) 同一直流负荷的两路电源在转移负荷时, 必须先合母联开关, 再转换负荷开关 (注意负荷电流的变化) , 再分母联开关。
在运行的过程中, 变电站蓄电池组会有失效现象出现, 如有偏大的内阻、短路、过低或过高的现场浮充电压、失水等, 已经失效的电池有以下几个方面的表现:
1) 蓄电池组容量在工作时无法达到标称容量。若一些原因造成蓄电池降低了容量, 无法和标称容量相符, 在电池负极表面, 硫酸盐会形成坚硬而致密的硫酸铅层, 不仅不能参加反应, 降低了自身的溶解度, 同时对电解质的接触通道造成了堵塞, 因此降低了电池的容量。
2) 蓄电池短路。蓄电池是由隔膜板隔离的正负极板, 但若有焊渣穿透, 会造成短路, 使正负板相连。若短路严重, 可使该单体电压为零, 而短路现象的发生, 会造成热失控现象出现。还有个别电池出现开路现象, 这样导致输出的电池组无容量。开路往往都是发生在端子焊接阶段, 不完全断路是其通常的表现方式, 这样会有较大的内阻在该需焊处产生, 会极大的降低电池容量。在运行一段时间后, 电池可能会出现虚焊现象。这主要是因为有裂隙存在, 焊接的过程中没有焊好, 所以在使用的过程中, 将会有尖端腐蚀这一区域, 这样会逐渐加快裂隙的速度。若变电站系统出现故障, 同时蓄电池组也会失效, 会产生非常严重的后果。
1) 日常巡视工作。巡视检查主要有:例行巡视、全面巡视、熄灯巡视, 由运维人员开展。运维人员对变电站直流设备运行状况进行巡视, 测量标示蓄电池电压、控母电压、直流负荷、充电电流、绝缘状况、环境温度等, 一并记录在《直流设备运行记录簿》上。出现以下状况时, 除运行人员的巡视外, 检修人员还应加强特殊巡视:当直流设备有严重缺陷或异常时;新安装、检修、改造后的直流系统投运后;蓄电池核对性充放电期间;直流系统出现交、直流失压、直流接地、熔断器熔断等异常现象处理后;出现自动空气开关脱扣、熔断器熔断等异常现象后, 应巡视保护范围内各直流回路元件有无过热、损坏和明显故障现象。
2) 日常维护工作。运维人员每月进行一次蓄电池组的清洁、全测电池电压并做好测量记录, 记下环境温度, 记录在《蓄电池全测记录簿》上 (可结合检修专业人员巡视一并开展) 。
直流屏的清洁宜每月一次, 不超过一个季度。
新安装或大修后的阀控蓄电池组, 应进行核对性充放电试验, 以后每隔2年进行一次核对性充放电试验, 运行4年以后, 应每年做一次核对性充放电试验。
3) 验收管理。检修专业人员主要负责出厂试验报告、交接试验报告验收, 参加充电装置稳流、稳压精度、纹波系数、均流等主要指标测试, 蓄电池核对性放电试验旁站验收, 直流系统断路器的级差配合, 直流电源系统中各装置功能试验验收及参数设置、直流系统遥信、遥测等核对, 验收人员签字确认后设备方可投入运行。
维护充电装置的措施是, 应定期检查直流输出和交流输出电压, 检查信号是否正常, 是否有良好的绝缘状态。一旦中断了交流电源, 蓄电池组会向直流母线不断进行供电, 需及时控制和调整母线的电压, 对母线电压值的稳定性做出保证。若蓄电池组放电容量远大于额定容量时, 对交流电源供电进行恢复时, 应手动或自动将充电装置启动, 按照规定对蓄电池及时进行充电。
如果直流系统发生一点接地, 将不会产生短路电流, 可继续运行, 但是必须及时查找接地点, 并尽快消除故障, 否则当发生另一点接地时, 就有可能引起继电保护、信号装置、开关的误动作或者拒绝动作, 也有可能造成直流系统短路, 熔断器熔断, 还可能使快分开关断开, 造成操作回路断电, 引发电力系统严重故障。所以, 不允许在一点接地的情况下, 直流系统长时间运行, 必须迅速查找并排除接地故障, 避免因直流系统接地而引起其他设备故障。
1) 直流系统养护不到位, 二次设备绝缘老化, 影响绝缘, 出现接地现象。
2) 天气原因致使端子箱或机构箱内潮湿积水, 使直流二次回路对地绝缘电阻下降, 严重者有可能造成直接地。
3) 直流二次部分的连接插头或插座绝缘出现问题, 开关跳合以及手车移动有可能导致导线破损或者线路搭接, 使直流二次回路与金属部分相接触, 导致接地故障的发生。
查找原则:根据现场直流系统运行方式、二次回路、气候影响来初步判断最有可能的接地地点, 基本原则是:先户外后室内, 先合闸后控制, 由总电源到分支电源, 逐渐的缩小范围, 以及采取断路寻找方法。必须注意的是:在切断各条直流回路的时候, 断开时间不能过长 (一般不超过3秒) , 不论回路是否是接地线路都应合上。
处理方法:了解现场直流电源的结构, 通过系统绝缘监测装置, 或者接地试验按钮初步判断直流接地线路 (一般直流系统为共负极, 所以接地故障大部分情况下发生在正极) 。快速的切除所有合闸回路的电源, 如果接地信号消失, 说明接地点出现在合闸回路, 应对站内所有合闸回路用同样方法进行支路检查;如监测装置仍报接地, 则说明接地点在控制、信号等回路, 用同样方法检查其他各个直流回路的情况。查明是哪一条电源回路后, 可以采用迅速拉合接地回路的负荷开关, 或者拔插回路的正电源保险, 判断接地点在开关 (保险) 的前后。确认之后, 用同样的方法逐级向下, 观察报警信号, 逐步缩小确认接地点范围。直到找出接地点。
直流系统肩负着给继电保护及自动装置、远动通讯装置还有站内应急照明提供不间断供电电源的作用, 保证直流系统供电可靠性是运行工作首当其冲的重点, 根据变电站实际情况, 加强直流系统巡视维护, 组织专家队伍加强对运行值班人员进行直流系统的专业培训也十分重要, 一切努力都为了确保直流系统可靠安全运行。
摘要：直流系统是变电站的一个重要组成部分, 直流电源作为电力系统的重要组成部分, 为一些重要常规负荷、继电保护及自动装置、远动通讯装置提供不间断供电电源, 并提供事故照明电源。直流系统电压稳定好, 单极接地仍可运行, 供电可靠性高, 直流系统的可靠运行是电网安全、稳定、连续运行的保证。近年来大量新技术、新设备运用在直流系统中, 因此, 探讨直流系统运行维护中的主要问题有现实的意义。本文对直流系统的运行方式、蓄电池日常维护、直流系统及设备在运行方面存在的问题几方面进行探讨。
关键词：变电站,直流系统,蓄电池
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