程振凱,劉 莉,閆 單
(國網(wǎng)安徽省電力公司馬鞍山供電公司,安徽 馬鞍山 243000)
2014-04-21T11:26,某變電站在進(jìn)行所用變電源切換過程中,發(fā)生站內(nèi)通信專用高頻開關(guān)電源因市電失壓導(dǎo)致故障的事件,影響了變電站內(nèi)通信設(shè)備、保護(hù)通道、遠(yuǎn)動通道的正常運(yùn)行。
根據(jù)省檢修公司的工作安排,2014-04-21 T08:00—17:00,變電站運(yùn)行人員進(jìn)行站用交流電切換工作。在站用電切換過程中,由于通信電源故障,導(dǎo)致站用交流電短時間全停。
當(dāng)日11:26,在站用電切換過程中,站用交流電短時間全停,通信系統(tǒng)-48 V通信高頻開關(guān)電源1,2號屏均于11:26:16發(fā)生交流失電。在交流失電的情況下,1號蓄電池組投運(yùn)30 s、2號蓄電池組投運(yùn)32 s后,1,2號通信高頻開關(guān)電源產(chǎn)生了直流電壓低的告警,隨后啟動了負(fù)載下電,導(dǎo)致了通信設(shè)備失電,全站通信設(shè)備、調(diào)度自動化系統(tǒng)通道、2M保護(hù)通道中斷。11:27:43交流恢復(fù),1,2號通信高頻開關(guān)電源恢復(fù)運(yùn)行,通信設(shè)備、調(diào)度自動化系統(tǒng)通道、2M保護(hù)通道陸續(xù)恢復(fù)正常。
該站通信電源由2組250 A高頻開關(guān)電源和2組300 Ah蓄電池組成,1組開關(guān)電源帶1組蓄電池。每臺高頻開關(guān)電源從站用電各引入2路交流電源,2臺高頻開關(guān)電源的直流輸出從負(fù)載支路1引入直流分配屏,電池保護(hù)支路未接負(fù)載。在直流分配屏中2段輸入-48 V通過1根銅牌連通,并帶4排負(fù)載空氣開關(guān)。通信電源接線如圖1所示。
圖1 通信電源接線示意
2014-05-06,對通信電源系統(tǒng)進(jìn)行了以下一系列的檢查和處理。
(1)在1號蓄電池組處斷開電源側(cè)的正、負(fù)極連接線,對1號蓄電池組進(jìn)行放電試驗。第1次設(shè)置放電電流100 A(放電負(fù)載儀型號:臺灣群菱DCLT-4810,最大負(fù)載電流為100 A),終止電壓43.2 V,放電儀啟動后立即停止。第2次設(shè)置放電電流30 A,終止電壓43.2 V,放電儀放電5 min后測試電池單體電壓,發(fā)現(xiàn)1號蓄電池組19號電池單體電壓已降至0.26 V。據(jù)此判斷1號蓄電池組有較少容量(放出2.5 Ah電量),但不能滿足大電流使用要求。
(2)在2號蓄電池組處斷開和電源側(cè)的正、負(fù)極連接線,對2號蓄電池組進(jìn)行放電試驗。設(shè)置放電電流100 A,電池組電壓很快降至46.9 V并穩(wěn)定放電;發(fā)現(xiàn)有單體電池電壓降至1.7 V后,停止放電,2號蓄電池組共放出143 Ah的容量。
(1)蓄電池組的放電試驗表明:1號蓄電池組容量非常小,無法滿足大電流的使用要求;2號蓄電池組雖然容量不滿,但還有一半的容量。
(2)2次調(diào)整2臺開關(guān)電源的直流電壓,負(fù)載電流隨即發(fā)生轉(zhuǎn)移,證明了直流分配屏中的2個單向二極管運(yùn)行正常,不存在一組蓄電池組向另一組供電的可能。
根據(jù)事故當(dāng)日通信電源交流失電的情況分析,當(dāng)開關(guān)電源的交流輸入全停時,蓄電池組開始帶負(fù)載,由于1號蓄電池組電量較少,負(fù)載能力低(有1只電池電壓低),可能小電流(估計不會超過30 A)帶負(fù)載30 s后負(fù)載下電動作;2號蓄電池組提供大電流(估計100 A以上),在1號蓄電池組下電后2號蓄電池組帶全部負(fù)載,2 s后2號開關(guān)電源負(fù)載下電動作。根據(jù)2號電池組的放電試驗結(jié)果,不應(yīng)該在供電32 s后就啟動負(fù)載下電。
現(xiàn)場通信電源實際接線情況是,2組蓄電池在1樓交直流室,通過長35 m,截面積70 mm2的電纜分別和2樓機(jī)房內(nèi)的2套開關(guān)電源連接。
事故當(dāng)日,交流失電2號蓄電池組帶全部負(fù)載,原負(fù)載電流是132 A/53.5 V,電池放電時負(fù)載電流是150 A/46.9 V(根據(jù)P=IU計算)。理論計算當(dāng)時電纜上直流壓降ΔU=IR=IρL/S=150×0.0 175×2×35/70≈2.63 V,其中,R(導(dǎo)線電阻)=ρ×L/S,ρ(銅的電阻率)=0.0 175 Ω·mm2/m,L(導(dǎo)線長度)=2×35=70 m,S(導(dǎo)體截面積)=70 mm2;I(電池供電時電流)=150 A。正常情況下直流配電屏及熔絲壓降值取0.2 V,則總體壓降為2.83 V。
為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,模擬長為35 m、截面積為70 mm2的電纜進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果為,在46.6 V/149.2 A時,電纜上的直流電壓為3.14 V,高于理論值。開關(guān)電源設(shè)置的負(fù)載下電電壓是44 V,電池保護(hù)電壓是43.2 V,負(fù)載下電和電池保護(hù)允許都設(shè)置為“是”,即當(dāng)電池組端電壓達(dá)到47.14 V時,就啟動負(fù)載下電動作;如考慮配電屏及熔絲壓降0.2 V,則當(dāng)電池組端電壓達(dá)到47.34 V時,就啟動負(fù)載下電動作。
分析當(dāng)時的情況為:當(dāng)交流失電時,蓄電池組開始帶負(fù)載,由于端電壓低,1,2號開關(guān)電源均發(fā)出直流電壓低告警(設(shè)置為45 V),說明開關(guān)電源處電壓值低于45 V(日志顯示1,2號開關(guān)電源交流停電與直流電壓低告警是同一時間)。由于1號蓄電池組電量較少,組電壓低(有1只電池電壓低),帶了較少負(fù)載,在30 s后負(fù)載下電動作(按電流74 A計算,需0.62 Ah電量,小于實驗中1號蓄電池組放出的容量2.5 Ah)。此時由2號蓄電池組帶全部負(fù)載,電流增大1倍(132 A/53.5 V,150 A/46.9 V),電纜上直流壓降也增大1倍(按電流增加74 A計算,理論壓降增加74×0.0 175×2×35/70≈1.3 V。模擬實驗中,在74 A電流時直流壓降為1.63 V),2號開關(guān)電源處的電壓2 s后掉至44 V以下,雖然2號電池組還有容量,在帶全部負(fù)載后,僅運(yùn)行2 s開關(guān)電源就啟動了負(fù)載下電,導(dǎo)致所有通信設(shè)備失去電源。
通信電源于2006年8月投運(yùn),截至2012年下半年2臺開關(guān)電源的負(fù)載電流合計不超過50 A,分?jǐn)偟?組電源上,直流壓降影響微小。之后連續(xù)新投了OTN設(shè)備、綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)設(shè)備等,負(fù)載電流迅速升高。雖然當(dāng)時擴(kuò)容了開關(guān)電源的整流模塊,但未考慮到單電源供電時,電纜上直流壓降較大(比初設(shè)時增加5倍)造成的影響,這成為了此次事件的主要原因。
(1)正常運(yùn)行時,1臺站用變壓器供全站低壓母線負(fù)荷,另外2臺站用變備用,而每季度的切換電源試驗對各類設(shè)備均是一次沖擊考驗。此次通信電源失電就發(fā)生在站用電切換試驗時。
(2)1號蓄電池組中的1只蓄電池容量嚴(yán)重不足,造成整組不能正常供電,全部負(fù)荷均由2號蓄電池組供電,較大電流在導(dǎo)線上的壓降造成蓄電池組供電時低電壓下電保護(hù)切除負(fù)荷,這是造成此次事件的直接原因。
(3)通信設(shè)備不斷增加,尤其是大容量設(shè)備增加時,未考慮通信電源蓄電池組容量及較長導(dǎo)線(蓄電池組與直流母線分配屏不在一處安裝)的電壓降,負(fù)荷下電保護(hù)的采樣電壓與電池組端電壓實際值存在偏差,導(dǎo)致錯誤地切除負(fù)荷,這也是本次事件的直接原因。
(4)通信電源直流分配為單母線供電,形成線路薄弱點(diǎn),失去了電源線路雙配置的優(yōu)勢。
(1)重新核算負(fù)載下電保護(hù)的電壓整定值。將2套艾默生高頻開關(guān)電源的負(fù)載下電和電池保護(hù)電壓均設(shè)定為41.6 V(41.6=43.2-1.6,負(fù)載全部在負(fù)載下電開關(guān)上),保證在交流失電時,滿足電池保護(hù)(大于43.2 V)的要求,最大限度地輸出電池能量,同時又不會因電壓過低(SDH通信設(shè)備最低工作電壓為40 V)而對設(shè)備造成影響。
雙電源供電時,按每電池組48 V/80 A供電,電纜直流壓降ΔU=IR=IρL/S =80×0.0 175×2×35/70=1.4 V,加上熔絲壓降0.2 V,全部壓降為1.6 V。在單電源供電時,全程壓降為3.14 V;此時,負(fù)載下電電壓設(shè)定為41.6 V,電池端電壓在44.56 V時動作,電池存在較早下電的問題。為解決下電參數(shù)設(shè)置問題,可增加電池組處電壓監(jiān)測單元,按電池組處電壓進(jìn)行控制,但由于電纜壓降的存在,可能會出現(xiàn)通信設(shè)備處電壓過低的隱患,因而最終可通過減小電纜電阻來解決。
(2)通信電源已投運(yùn)8年,接近使用壽命,可納入下季度改造計劃。通信電源系統(tǒng)的更換改造應(yīng)考慮:
① 更換容量不足的蓄電池組;
② 直流母線分段,分為1號電源—1號蓄電池組—1號直流母線至各通信設(shè)備第1電源;2號電源—2號蓄電池組—2號直流母線至各通信設(shè)備第2電源,凡是不具備第2電源接入的通信設(shè)備,都按圖2進(jìn)行改造;
③ 增加蓄電池至電源屏之間的導(dǎo)線截面積,按2×70 mm2施工。
圖2 不具備第2電源接入的通信設(shè)備改造示意
(3)站用電的正常運(yùn)行方式改為:1號站用電變壓器供400 V一段母線,2號站用電變壓器供400 V二段母線,0號站用電變壓器作為2個母線的備用,任一母線失電應(yīng)能實現(xiàn)自投。
在未改變目前運(yùn)行方式前,應(yīng)建立電源失電聯(lián)系機(jī)制,在電源切換前告知通信人員,盡量縮短切換電源時的失電時間。
(4)建議對直流負(fù)載大的通信電源供電系統(tǒng)使用220 V直流電源,以降低總回路和各支路的電流。