姚甲剛,張智遠

(1.德州供電公司，山東 德州 253008；2.河北省電力公司，石家莊 050021)

變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)變電站發(fā)生全站停電后，變電站應(yīng)急照明系統(tǒng)能夠為值班人員提供良好的光照環(huán)境，保障值班人員在黑夜和陽光不好的情況下，開展正常的設(shè)備巡視、倒閘操作和事故處理，對防止事故擴大，盡快恢復(fù)系統(tǒng)供電，減少經(jīng)濟損失具有重要意義。因此變電站應(yīng)急照明系統(tǒng)對變電站的安全運行起著舉足輕重的作用。

1 應(yīng)急照明常規(guī)供電方法

截至2008年底，德州地區(qū)共有13座220 kV變電站，采用正常照明和應(yīng)急照明分別獨立供電的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。正常照明供電采用交流380 V/220 V，由站用電源供電；應(yīng)急照明供電采用直流220 V，由直流系統(tǒng)蓄電池供電。當(dāng)變電站交流系統(tǒng)全部停電時，通過交流斷相繼電器啟動直流接觸器，從而將直流屏上的直流電送給應(yīng)急照明燈。其原理是交流繼電器位于所用電進線電源處，當(dāng)所用電失電時，交流繼電器的常閉觸點斷開，從而啟動直流接觸器，直流接觸器的2對常開觸點閉合，應(yīng)急照明回路導(dǎo)通。

采用常規(guī)供電方法的變電站應(yīng)急照明系統(tǒng)中，應(yīng)急照明電源由直流電源屏提供，與正常照明分別敷設(shè)管線，分別裝設(shè)燈具，可與正常照明同時運行。這種應(yīng)急照明系統(tǒng)存在線路供電可靠性差、維護難度較大等缺點。目前，變電站內(nèi)照明回路多采用導(dǎo)線穿管暗敷設(shè)方式，選用的導(dǎo)線絕緣強度低于電力電纜。另外，現(xiàn)場施工和運行環(huán)境較其它直流供電回路惡劣，造成應(yīng)急照明系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)絕緣降低報警信號，不僅影響應(yīng)急照明系統(tǒng)本身，而且對直流系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生威脅。由于照明回路在墻體內(nèi)穿管敷設(shè)，通常不是單回路穿一根管，故障點逐點檢查非常困難。由于查不到故障點，目前，德州地區(qū)已有幾座變電站不得不采取重新穿金屬線槽或金屬橋架明敷線路的方式進行改造，不但造成重復(fù)投資，且不美觀。實踐證明，該問題不止在一個變電站內(nèi)出現(xiàn)，也不單單是施工質(zhì)量問題。這種應(yīng)急照明系統(tǒng)的供電方式存在的缺點，給后期的檢修維護帶來很大麻煩。

2 UPS在應(yīng)急照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

UPS經(jīng)歷數(shù)十年的生產(chǎn)考驗和技術(shù)改進，具有很高的可靠性。利用UPS可以方便的將應(yīng)急照明電源由直流供電轉(zhuǎn)換成交流供電，使應(yīng)急照明與正常照明在線路敷設(shè)、運行維護等方面做到統(tǒng)一。系統(tǒng)中重要的220 kV變電站都配有可靠的直流供電系統(tǒng)，且在容量選擇時已考慮了事故照明負(fù)荷，不但提高了應(yīng)急照明系統(tǒng)的可靠性，而且改善了直流回路的運行環(huán)境，降低了直流系統(tǒng)的故障率。

2.1 UPS的工作模式

傳統(tǒng)在線式UPS[1]逆變器始終在線工作，切換時間極短，但整體效率較低。EPS[1]效率較高，切換時間短，但由于在切換過程中存在突然開機并帶負(fù)載的惡劣運行條件，故障率明顯高于在線式UPS。

近年來，在在線式UPS的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種帶經(jīng)濟工作模式的UPS。當(dāng)交流電源正常工作時，交流電源經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)的交流旁路上的靜態(tài)開關(guān)向后接負(fù)載供電，與此同時，站用蓄電池向逆變器提供直流電源。此時，逆變器的工作狀態(tài)具有2個特性[1]：逆變器輸出與交流電源處于同步跟蹤狀態(tài)；由于逆變器的輸出靜態(tài)開關(guān)處于斷開狀態(tài)，UPS中的逆變器處于低功耗的空載運行狀態(tài)。按經(jīng)濟工作模式工作的UPS，不僅可以驅(qū)動具有各種不同cosφ值的負(fù)載，而且處于高效運行狀態(tài)，系統(tǒng)效率高達97%以上。當(dāng)交流電源供電中斷或電壓、頻率超限時，UPS可以在小于15 ms的時間內(nèi)，從交流旁路供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到逆變器供電狀態(tài)。當(dāng)交流電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動執(zhí)行從逆變器供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到交流旁路供電狀態(tài)，此時的切換時間極短。由于這種UPS供電的應(yīng)急照明系統(tǒng)，當(dāng)交流電源正常時，逆變器處于空載待命狀態(tài)，當(dāng)交流電源中斷或電壓、頻率超限時，逆變器只需執(zhí)行從空載到帶載的操作，不會出現(xiàn)突然開機啟動并帶載的惡劣工作環(huán)境，因此可靠性較高。此外，這種UPS的逆變器是按長期、連續(xù)工作方式設(shè)計的，其輸出電流的裕量較大，UPS的抗輸出過載能力強，產(chǎn)品較成熟，大型UPS的平均無故障時間高達4×105～5×105h。按經(jīng)濟工作模式運行的UPS系統(tǒng)控制接線見圖1。

圖1 UPS系統(tǒng)控制接線

UPS的逆變器電源供電通道主要由逆變器和輸出隔離變壓器組成。根據(jù)變電站應(yīng)急照明負(fù)荷情況，UPS的輸出功率為5 kVA，負(fù)載功率因數(shù)cosφ=0.8，過載能力為150%時維持500 ms、125%時維持10 s，如果超過時限，則有可能發(fā)生設(shè)備燒毀的事故。

2路交流輸入電源經(jīng)雙電源自動切換裝置變成1路交流輸入，直接給正常照明回路負(fù)載供電，同時經(jīng)過UPS交流旁路上的斷路器給應(yīng)急照明回路負(fù)載供電，與此同時直流輸入給逆變電源供電，逆變電源正常運行，做為應(yīng)急照明電源的備用。只有當(dāng)兩路交流輸入電源斷電后，通過UPS靜態(tài)開關(guān)快速切換，逆變電源迅速供電給負(fù)載。

2.2 UPS的運行狀態(tài)和切換

2.2.1 運行狀態(tài)

交流輸入電源正常工作時，UPS的系統(tǒng)控制接線見圖2。

圖2 UPS在交流輸入正常時系統(tǒng)控制接線

交流電源經(jīng)濾波器濾除高次諧波，再通過靜態(tài)開關(guān)送至應(yīng)急照明設(shè)備使用。直流輸入經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)成正弦波電源，經(jīng)變壓器隔離后作為備用。在這種工作條件下，應(yīng)急照明負(fù)載實際使用的電源是來自電網(wǎng)的交流電源。電網(wǎng)具有帶電阻性、電感性和電容性負(fù)載的能力，無需考慮電源的額定輸出功率和負(fù)載特性。

當(dāng)交流電源斷電或過壓(253 V±5 V)、欠壓(180 V±5 V)時，UPS的系統(tǒng)控制接線見圖3。

圖3 UPS在交流輸入故障時系統(tǒng)控制接線

UPS經(jīng)靜態(tài)開關(guān)迅速切換至逆變器電源。直流輸入經(jīng)逆變器和變壓器隔離后，轉(zhuǎn)成正弦波電源，經(jīng)變壓器隔離后作為備用，迅速供電給逆變器，產(chǎn)生純凈的正弦波，濾波器持續(xù)送至用戶設(shè)備使用，不至造成負(fù)載斷電情形發(fā)生。當(dāng)恢復(fù)正常工作時，UPS經(jīng)靜態(tài)開關(guān)迅速切換，執(zhí)行從逆變器電源供電到交流旁路供電的切換操作。

2.2.2 切換屏工作原理

應(yīng)急照明切換屏的工作原理見圖4。

圖4 應(yīng)急照明切換屏工作原理

正常工作時，電源分別來自站用電屏不同母線段的2路交流電源，經(jīng)互投裝置供電給正常照明系統(tǒng)和應(yīng)急照明UPS，UPS在交流輸入正常時的工作狀態(tài)(圖2)。當(dāng)交流電源故障后，UPS迅速切換到經(jīng)逆變器供電的工作狀態(tài)(圖3)，應(yīng)急照明仍正常工作。如果交流供電恢復(fù)正常，UPS將自動切除直流逆變電源，恢復(fù)至正常時的工作狀態(tài)。UPS配置有智能模塊，對模塊本身及所配置設(shè)備進行定期自檢，如果有故障存在時，發(fā)出故障信號，無需運行人員定期操作試驗開關(guān)來判別系統(tǒng)切換運行正常與否。

2.3 應(yīng)用效果

目前，德州地區(qū)已按以上方案完成2座220kV變電站的建設(shè)。采用直流做為應(yīng)急照明電源的220 kV天衢變電站，自2005年7月投產(chǎn)至2007年7月2年間，共發(fā)生直流接地故障2次，全部為應(yīng)急照明回路對地絕緣降低造成斷路器跳閘或報警，檢修單位組織過一次對應(yīng)急照明供電回路的維護，雖然收到一定的效果，但隨著線路老化和絕緣強度降低，最近2年仍發(fā)生過1次相同故障。而采用交流做為應(yīng)急照明電源的220 kV武城變電站，自2007年7月投產(chǎn)至今，沒有發(fā)生過直流接地故障，應(yīng)急照明回路運行穩(wěn)定，檢修單位沒有對應(yīng)急照明供電回路進行過維護。運行單位對不同供電方式的應(yīng)急照明供電系統(tǒng)作對比分析。通過對比可以看出，照明系統(tǒng)采用交流供電網(wǎng)絡(luò)，改善了直流系統(tǒng)的運行環(huán)境，系統(tǒng)的可靠性和可維護性得到很大提高。系統(tǒng)投運以來，未發(fā)生過任何接地故障。運行實踐證明，這種交流供電的應(yīng)急照明系統(tǒng)供電可靠性更高，性能更穩(wěn)定，運行維護更方便。

3 結(jié)束語

UPS具有良好的充電、逆變、穩(wěn)定等特性，在實際工作中，根據(jù)其特性，可將該裝置用于改造變電站的應(yīng)急照明系統(tǒng)。在變電站改造中，已將其應(yīng)用于山東省多個220 kV變電站中，取得了很好的效果。UPS為變電站提供了穩(wěn)定可靠的應(yīng)急照明電源，減小了直流系統(tǒng)的故障率，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟特性。UPS在線經(jīng)濟工作模式的供電方式大大提高了直流系統(tǒng)和應(yīng)急照明系統(tǒng)的可靠性，減少了設(shè)備維護工作量，保證了變電站的安全、穩(wěn)定運行，對提高電力系統(tǒng)的可靠性具有十分重要的意義。

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