变电所直流系统设计及现场运行问题分析

刘海燕

摘要:文章对变电所直流系统接线方式以及直流系统构成进行简单介绍,结合变电所直流系统设计以及现场运行维护情况,对变电所直流系统各相关的问题展开讨论和分析,并提出了提高直流系统运行可靠性一些建议。

关键词:变电所;直流系统;设计;维护;分析; 可靠性

中图分类号:TM63 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0013-02

1 概 述

直流系统,是电力系统各变电所不可缺少的必要装备。在日常运行中,为继电保护、控制、信号、计算机监控、事故照明、交流不间断电源等提供电源。直流系统各直流用户都是非常重要的,直流系统的可靠性直接关系到变电所安全运行。变电所直流系统安全可靠性,首先取决于直流系统的接线方式,包括直流母线配置、直流供电方式;其次,取决于构成直流系统各个设备的选择和配置,包括直流充电装置、蓄电池组、直流绝缘监测装置、直流熔断器(直流断路器)等等。另外,提高直流系统可靠性还需要不断提高日常运行维护水平。下面文章从设计以及运行维护角度对变电所直流系统相关的问题展开讨论和分析。希望通过分析能提高对变电所直流系统重要性的认识以及对提高直流系统可靠运行提供有益参考。

2分析与讨论

变电所直流系统的可靠性与直流系统的接线方式,蓄电池、充电器的配置以及直流各负荷配置密切相关。当然不同电压等级的变电所,对直流系统提出了不同的要求。原则上,在满足直流供电可靠性的前提下,直流系统接线方式应尽可能的简单,设备尽可能的简化。同时,还应考虑日常检修维护安全性、方便性等因素。

2.1直流电压选择

变电所直流系统的电压一般有110V和220V两种规格,现场变电所直流系统设计电压选择应通过技术经济比较确定。实际直流系统电压采用110V和220V都有优缺点。如电压选用110V主要有以下特点:蓄电池可以减少一半,直流电压低对绝缘以及人身都有好处,干扰电压以及分布电容影响小,控制电缆压降要大,电缆投资大,直流系统容量要少一半,供给事故照明以及动力负荷等一些特殊负荷时要额外增加投资,以上6个特点均相对电压为220V直流系统而言。

对比两者均有优缺点,前3点是电压等级110V直流系统的优点,而后3点则是电压等级为220V直流系统的优点。那么现场实际如何选取?对于早期的变电所绝大多数采用220V直流电压等级,主要考虑直流动力负荷的压降影响而选择220V电压等级。当前由于技术发展,变电所均采用集中控制,保护控制就地化以后,电缆压降已经不是主要问题。因此,目前较多的新建变电所采用电压等级为110V直流系统。现场应根据变电所实际情况,综合比较上述两种电压的优缺点合理选取。

2.2 直流系统接线方式

变电所直流系统接线方式一般应根据变电所重要性确定,目前新建的主要有单母线、单母线分段等几种方式。其中单母线仅包括单段母线,配置1套充电器和1组蓄电池及相应直流配电屏。单母线分段又可分为:①单母线分段,有两个分段直流母线,中间设有联络开关,两段母线总共配置1套充电器和1组蓄电池。②单母线分段,有两个分段直流母线,中间设有联络开关,每段母线各配置1套充电器和1组蓄电池。这里所说的充电器均能实现浮充、初充以及均充的功能,即目前新直流充电器均能将以上功能实现。对于单母线分段联络开关切换应保证切换不断电,同时充电器能实现单独给蓄电池组充电。

对于单母线接线方式首先不能实现直流双路供电的要求,因此该方式一般较多使用在110kV及以下变电所。对于单母线分段且只有1组蓄电池和1套充电器的接线方式,从形式上双路直流电源可以从不同的分段母线上获取,但是直流系统本身就一套电源配置,一般在110kV变电所或者一些不是很重要的220kV变电所采用。对于单母分段且能实现直流电源按分段母线配置的直流系统,真正实现了双路直流电源供电,且这两路直流电源相互独立,一般在220kV及以上变电所采用,在一些特别重要的变电所另配置1套充电器作为各分段充电器的备用。

对于直流配电屏各个直流负荷的布置,应尽可能的合理配置负荷,宜采用直流辐射网络,不宜采用直流小母线方式。在一些老变电所较多的使用了直流小母线方式,即屏顶小母线,这势必需要考虑直流各级熔断器(或者直流断路器)的配合问题。目前,最理想的方式采用直流辐射网络各个直流负荷与直流配电屏上负荷开关一一对应。既可简化直流熔断器(或者直流断路器)配合问题,同时又可方便运行人员直流系统接地查找和判断。此外,直流负荷分布应充分考虑双路电源相互独立性,即对有双路直流电源要求的设备设计时,应能实现冗余的配置,切忌双重化配置设备直流电源交叉配置。

直流系统接线方式对直流系统可靠性、运行灵活性起关键作用,当然这里面又涉及到经济性问题以及现场用户运行习惯。因此,现场设计时,也应综合考虑上述各种因素。

2.3直流充电器

直流充电器是变电所直流系统一个重要组成设备,实现对蓄电池组进行充电和浮充电,其性能好坏将关系到蓄电池组的长期可靠运行。目前,直流充电器既有微机相控式硅整流充电装置,又有高频开关电源模块构成的充电装置。

直流充电器选择时应考虑以下技术要求:①输出电压、电流范围能满足蓄电池组的初充、均充、浮充等运行工况要求。②具备恒压、恒流充电功能。③稳压精度以及纹波系数满足规程要求。④限流、过压等保护功能。此外,新型微机型充电器在设计中实现手动充电、自动均衡充电、浮充电功能,当蓄电池事故放电后,应能对蓄电池自动进行补充电;实现了能适应蓄电池组初充电要求和根据温度变化自动补偿浮充电电压的功能,确保蓄电池组不会因环境温度的变化而造成过充电或欠充电;实现了对蓄电池故障检测功能,能对蓄电池回路的开路或短路进行检测;实现与变电所监控系统接口通信功能。

在早期的现场应用中,由于高频开关模块故障率较高,没有全面推广使用。但随着高频开关模块技术发展、元器件质量提高及制造工艺改进,微机型高频开关模块构成的直流充电器的优势已经显现,在近年来的设计中已经逐步取代相控式硅整流充电器而成为变电所直流充电器的首选。其主要有以下优点:①结构紧凑,体积小、重量轻、容量大;②技术指标高,模块本身能承受多次或长时间短路冲击,稳压稳流精度高,纹波系数小;③(N+1)冗余模块并联组合方式供电,模块可带电插拔,任一模块退出运行均不影响系统的正常运行;④模块自动均流,充电电流自动可调。

2.4 直流蓄电池

蓄电池组是构成直流系统的关键设备,其性能好坏将直接影响到变电所的可靠运行。近几年来,蓄电池技术发展很快,新建变电所主要采用阀控式密封铅酸蓄电池和免维护电池两种类型的蓄电池。其中阀控式密封铅酸蓄电池克服了开口式和防酸及隔爆蓄电池的缺点,以优越的技术性能,如大电流放电性能优良、自放电小、使用中无需加水和酸液、不漏液、无酸雾、内阻小和安装方便及少维护等优点而得到了更为广泛应用。

在现场实际应用中需注意以下几点:①蓄电池组的容量应满足变电所最严重事故下直流母线电压不低于规定要求。②合理配置蓄电池组的数量,并根据不同厂家要求正确选择蓄电池的浮充电压,这个是保证直流系统长期可靠运行和蓄电池寿命的关键所在。③日常维护中需要定期的进行均衡充电,以及定期进行核对性放电试验,同时需要考虑温度补偿充电。④目前所选用微机型直流充电器都具备了上述功能,应用中直流充电器必须按照蓄电池的技术要求,合理设置参数。

2.5直流熔断器(直流断路器)配置

在实际运行中出现比较普遍的问题就是直流熔断器(直流断路器)选择配置以及上下级配合的问题,在系统中已经出现了较多影响比较严重的事故。近年来这个问题已经普遍引起了设计、运行以等相关单位的重视,并且被列为现场反措检查(或者安全性评价)的一个重要内容。但限于现场人员由于认识不同,可能对该问题的存在或者严重性尚没有深入了解。因此,新变电所设计过程中就应对直流熔断器(直流断路器)予以明确和规范,而对于已投运变电所应现场实际情况进行及早检查并整改。

变电所内各电气成套设备、保护屏、控制屏以及高压断路器等的直流熔断器(直流断路器)分别由各自生产厂家自行配置,这其中可能有采用不同品牌的直流断路器、直流熔断器或交直流两用断路器,甚至有些还采用交流断路器代替直流断路器使用。这就导致了目前变电所直流熔断器(直流断路器)上下级无法配合。既有上下级采用不同厂家的直流熔断器,又有上下级直流熔断器和直流断路器共存的现象,还有交直混用的实际情况。如果直流供电网络没有采用一一对应的辐射方式的话,必然会导致上下级失配越级。因此,对于设计和运行和维护人员必须要重视以下几个问题:

①设计和改造过程中应选用直流专用断路器,其额定电压应大于或等于整个回路的工作电压;额定电流应大于或等于整个回路的工作电流;其断流能力应满足直流系统短路电流的要求。推荐使用三段式直流断路器,可更好的实现上下级配合问题。

②直流熔断器必须选用符合国家标准规范要求的专业厂家的熔断器产品,加强现场对直流熔断器的运行管理,对发生过直流短路过的熔断器,也应予以及时更换,对运行多年的熔断器应定期更换。

③在同一直流回路中应选择单一的断路器(或者熔断器),切不可混用。对于由于不同设备厂家供货而使用在同一回路中的直流断路器(熔断器),必要时可通过试验的来验证上下级的配合关系。

④尽可能采用辐射直流供电网络,整个直流回路上下级差配合应认真校核计算,避免由于设计选用不当导致直流停电扩大。

2.6 直流接地查找

变电所直流系统发生一点接地是最为常见的直流系统故障,根据规程规定发生接地后应在规定的时间内排查,如再发生另一点的直流接地,两点接地的后果是非常严重。同时发生一点接地还会对变电所保护控制设备造成不良后果,如保护的误动,控制失灵等等。如何查找直流接地,有效保证变电所直流系统的安全性,是直流系统日常维护中一项重要的工作。因此,在变电所设计需考虑此问题。

目前新建变电所都采用了新型的微机直流绝缘监测装置,该装置既可实现常规5个直流系统参数的监测,包括直流母线电压、正对地电压、负对地电压、正对地绝缘电阻以及负对地绝缘电阻;同时,可以实现每个直流负荷在线接地监测。正常运行中装置监测5个常规直流参数,当发现直流异常时,立即对各个直流支路的巡查,当某个支路参数(绝缘电阻)不正常时,提示运行人员。改变了以往逐一拉电的方式进行直流接地检查。保证了直流接地查找安全性和及时性。目前主要的直流绝缘监测装置有两种原理。一种是采用外加低频低压信号源进行监测,此装置需要考虑注入信号源对直流系统影响,以及容易受分布电容以及电磁环境影响。另外一种直接监测直流支路直流漏电流,此装置需要在每个直流支路安装一个高精度的直流互感器,确保能分辨出毫安级的漏电流。应该说这两种类型的装置各有特点,都有较为广泛的使用。现场设计时,应充分考虑到使直流绝缘在线监测装置选线范围能涵盖每一个直流支路,当采用采用直流分屏时,也应考虑直流分屏每一个支路的监测。同样如果采用直流小母线形式,就无法实现每一负荷的在线直流接地监测,不利于运行维护。另外,在现场维护时,应充分认识直流接地的危害,合理使用直流绝缘监测装置,及时消除直流接地。

3结 语

直流系统作为变电所重要组成部分,其可靠与否将直接影响到整个变电所的安全,甚至涉及到电网的安全。因此,合理配置直流系统接线方式并选择使用性能优良的直流系统设备是必须的。加强直流系统的日常维护和管理是保证直流系统可靠性的关键。