沙河抽水蓄能电站直流系统改进分析

崔 石，张博伦

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 概述

沙河抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市，总装机容量为100 MW，由两台单机50 MW可逆式水泵水轮机组成。电站直流系统主要由交流输入、充电装置、蓄电池、监控系统、放电装置、馈线屏等基本单元构成。

1.1 直流系统作用

（1）直流系统是给信号及远动设备、保护及自动装置、事故照明、断路器（开关）分合闸操作提供直流电源的电源设备。直流系统是一个独立的电源，在外部交流电中断的情况下，由蓄电池组继续提供直流电源，保障系统设备正常运行。

（2）直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高，直流系统的可靠性是保障电站安全运行的决定性条件之一。

（3）在系统发生故障、厂用电中断的情况下，如果直流电源系统不能可靠地为工作设备提供直流工作电源，将会产生不可估计的损失。

1.2 直流系统组成

（1）充电模块

将交流电整流成直流电的一种换流设备，其主要功能是实现正常负荷供电及蓄电池的均/浮充功能。直流充电电源先后经历了线性调压充电电源、相控充电电源、高频开关充电电源3个阶段。目前，充电装置已全部采用高频开关充电电源充电装置。

（2）蓄电池组

用电气方式连接起来的两个或多个单体蓄电池。

（3）监控模块

直流系统的充电模块统一受控于一台中央控制系统，系统采用模块化结构，实现系统的“四遥”功能，这样的系统称为监控模块。

（4）其他配套设备

其他配套的设备一般包括：交流进线单元、雷击保护模块、降压装置、蓄电池巡检仪、数字电压电流表计、放电装置等。

1.3 直流系统优势

（1）电压稳定，不受电网运行方式和电网故障的影响，发生单极接地故障时仍能正常工作；

（2）单套系统一般有2路输入（自动切换），另有1套蓄电池组，相当于有3个电源供电，供电可靠性高；

（3）由于直流继电器无电磁振动和交流阻抗，故损耗较小，且可小型化，易于集成化。

1.4 直流系统划分

电站的直流系统主要分为48 V系统、110 V系统、220 V系统。

（1）48 V系统主要用于通信、远动装置，保护通道接口装置及载波机等。

（2）110 V系统主要用于保护、自动装置、信号、断路器的分合闸控制等。其中，110 V直流系统要求绝缘水平较低，由于110 V直流网络较小，接地几率相对220 V的直流网络要小。此外，110 V蓄电池个数少，占地面积小，安装和维护工作简单。

（3）电站照明电压一般采用220 V，如使用110 V直流系统照明，由于所带设备多，负荷功率较大，供电距离较长，因而电缆截面较大，投资增加，需要采用逆变装置或其它办法来解决事故照明的供电问题，较为复杂。使用220 V直流系统照明则接线简单，对电站的事故照明比较有利。

1.5 直流电源系统接线方式

直流系统电源接线应根据电力工程的规模和电源系统的容量确定。根据各种容量的发电厂以及不同电压等级的变电站的特点，主要有4种接线方式：一组充电机一组蓄电池单母线接线、二组充电机一组蓄电池单母分段接线、二组充电机二组蓄电池双母接线和三组充电机二组蓄电池双母接线。

一电一充单母线接线的特点：接线简单、清晰。

适用于110 kV以下小型变（配）电所和小容量发电厂，以及大容量发电厂中某些辅助车间。

图1 一电一充单母线接线

一电两充单母分段接线的特点：蓄电池经分段开关接至两端母线，二套充电机分别接至两段母线。分段开关设保护元件，限制故障范围，提高安全可靠性。具有一组蓄电池的固有特点，使直流母线电压高于负荷允许范围的运行方式受到限制。

适用于110 kV以下小型变（配）电所和小容量发电厂，以及大容量发电厂中某些辅助车间，对电压波动范围要求不严格的直流负荷。

图2 一电两充单母分段接线

两电两充双母接线的特点：接线方式比较复杂。

适用于500 kV以下大、中型变电所和大、中型容量发电厂。负荷对直流母线电压的要求和对运行方式的要求不受限制。

图3 两电两充双母接线

两电三充双母接线的特点：最复杂。

适用于500 kV及以上大型变电站和大容量发电站。适合对直流母线电压有各种要求的负荷和各种类蓄电池，也能够适应蓄电池在各种工况运行的要求。

图4 两电三充双母接线

1.6 直流馈线接线方式

直流系统馈电网络有两种供电方式：环形供电方式和辐射形供电方式。

在大型直流网络中，环形供电网络操作切换较复杂、寻找接地故障点也较困难；环形供电网络路径较长，电缆压降也较大。因此，变电站直流系统的馈线网络应采用辐射状供电方式，不宜采用环状供电方式。

图5 环形供电接线

辐射型接线方式的优点是减少了干扰源（主要是感应耦合和电容耦合）。一个设备或系统由1～2条馈线直接供电，当设备检修时或调试时，可方便地退出，不影响其他设备。当直流系统发生接地故障时，便于接地故障点的查找。缺点是馈线数量增加，电缆总长度增加，可能使直流主屏数增加，投资较大。

图6 辐射型接线1

图7 辐射型接线2

2 沙河抽水蓄能电站直流系统改造

2.1 改造原因

（1）直流系统改造前配置为机组、变电站共用一套直流系统供电，机组、变电站直流系统没有完全独立，不符合《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全【2014】161号）第22.2.3.2条的要求；

（2）直流系统改造前系统为两套充电装置为2段直流母线供电，未配置备用充电屏，不符合《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全【2014】161号）第22.2.3.4条的要求；

（3）直流系统在线绝缘检测装置不具备检测交流电窜直流电的功能。

2.2 改造过程

改造内容包括变电站直流系统独立、机组直流系统改造两部分内容。

2.2.1 新增变电站直流系统

2017年5月，结合春季检修新增了变电站直流系统，采用控制负荷和动力负荷合并供电方式，两段单母线接线。母线之间设置一个联络开关来实现母线的联络运行，正常运行时直流母线分别独立运行。改造后实现了机组直流和变电站直流的相互独立。

2.2.2 机组直流系统改造

2018年5月，结合春季检修进行了机组直流系统改造，由两电两充系统改为两电三充系统，正常运行时两段母线分别独立运行。改造后，系统内各项试验结果合格，验收合格。

通过为期两年的改造，直流系统经历了从全厂共用一套直流且为两电两充到机组、变电站直流系统完全独立且均为两电三充的升级改造过程，设备性能得到了有效提升，运行可靠性也产生质的飞跃。

2.2.3 技术改进

（1）增设备用充电屏以及备用屏双投开关将直流系统原有的两电两充运行方式改为两电三充运行方式，在1、2号充电装置故障时通过备用屏双投开关可以及时切换使用备用充电屏为直流母线供电，提高了直流系统供电可靠性；

图8 改造后直流系统接线图

（2）优化在线绝缘检测装置，在原有的功能基础上增加了交流窜电故障报警以及报警选线功能，使故障发生时可以及时确定故障点，提高了故障消除的效率和准确性。

2.3 取得成效

（1）重新规划系统，实现变电站与机组直流系统独立运行。通过机组、变电站直流系统的分离，增加备用充电屏的改造，切实提高了直流系统的供电可靠性。

（2）升级设备功能，确保系统安全可靠运行。在线绝缘装置、电池巡检装置、屏柜主监控装置都在原有功能基础上有了明显提升。整流模块作为直流系统的核心部件，增加了风冷功能，提升了散热性能，确保系统更加可靠，为黑启动起励、继保、控制等直流负荷提供可靠电源。

（3）节省改造费用，降本增效从点滴做起。选用了容量为141 A·h的进口蓄电池组，在容量满足要求的前提下节约了设备成本，同时也提高了设备的运行寿命。重新核算了不间断电源的供电负荷容量，节约设备成本约两万元。在改造中将该系统配电屏改为充馈一体的紧凑型结构，由5面屏设计为3面屏，节约空间的同时也缩减了改造费用。

3 结语

沙河抽水蓄能电站直流系统改造是设备系统改造的又一尝试，消除了原设备系统设计的缺点，直流系统运行安全性大幅增强，设备使用寿命得到延长，日常维护难度得到降低，提高了日常维护的便利性，确保了全站设备的安全稳定运行。