李世亮，劉耀輝，宋 琪

(1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.濟(jì)南匯智電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站、換流站中為控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置以及某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電的電源系統(tǒng)。隨著發(fā)電廠、變電站、換流站自動(dòng)化程度的提高，為保證電力系統(tǒng)在遇到各種突發(fā)狀況時(shí)，能夠及時(shí)、可靠地進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度和遙控操作，無人值守變電站的控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷對(duì)直流電源系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的要求越來越高。

目前，可靠性要求較高的變電站一般采用“兩充兩電”或者“三充兩電”的架構(gòu)模式。這些模式通過增加蓄電池組數(shù)和充電機(jī)套數(shù)，形成獨(dú)立的2條供電母線，為重要負(fù)載設(shè)備提供雙電源供電，這大大提高了供電可靠性。國家電網(wǎng)公司在大力推進(jìn)建設(shè)的特高壓變電站項(xiàng)目中，直流換流站對(duì)站用直流電源系統(tǒng)提出了新的要求，這些變電站要求直流電源系統(tǒng)在現(xiàn)有的2條直流母線之外，再提供第3條直流母線對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。常規(guī)的“兩充兩電”或者“三充兩電”模式已經(jīng)不能完全滿足用電設(shè)備對(duì)電源的需求。為此，對(duì)現(xiàn)有直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，衍生出3條母線的方案，即2條常規(guī)的獨(dú)立母線A和母線B經(jīng)過雙電源切換產(chǎn)生母線C，形成“三充兩電三母線”的方案。該方案雖然滿足了換流站對(duì)直流電源系統(tǒng)的需求，但也存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)。

下面針對(duì)上述“三母線”系統(tǒng)的缺陷，基于換流站對(duì)站用直流電源系統(tǒng)的需求，參照變電站對(duì)直流電源系統(tǒng)的基本要求，以換流站工程實(shí)際應(yīng)用為目的，提出一套高可靠性電力工程直流電源系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)解決方案，即“五充三電三母線”的直流系統(tǒng)架構(gòu)方案，并對(duì)方案的工作原理和操作步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 原架構(gòu)模式簡(jiǎn)介

直流電源系統(tǒng)的“兩充兩電”和“三充兩電”的架構(gòu)模式中，后者在前者的基礎(chǔ)上多配置了1套公用充電機(jī)。下面選取“三充兩電”的直流電源系統(tǒng)模式進(jìn)行分析說明。

1.1 “三充兩電雙母線” 直流電源系統(tǒng)

“三充兩電雙母線” 直流電源系統(tǒng)是電力標(biāo)準(zhǔn)中推薦的系統(tǒng)組合方式，在對(duì)直流電源系統(tǒng)可靠性要求較高的變電站、發(fā)電廠中較為常見。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 “三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)

1.2 “三充兩電三母線” 直流電源系統(tǒng)

“三充兩電三母線” 直流電源系統(tǒng)是為了適應(yīng)特高壓變電站對(duì)直流電源系統(tǒng)的新需求，在“三充兩電雙母線”系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生出來的解決方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。C段母線的電源切換裝置分為手動(dòng)和自動(dòng)2種。手動(dòng)切換可進(jìn)行先合后分操作，C段母線不會(huì)失電。自動(dòng)切換會(huì)導(dǎo)致C段母線短暫失電，失電時(shí)間由切換元件類型決定。

圖2 “三充兩電三母線“直流電源系統(tǒng)

1.3 “三母線”系統(tǒng)分析

“三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)是經(jīng)過時(shí)間和實(shí)踐檢驗(yàn)的成熟直流電源系統(tǒng)方案，不多做討論。

“三充兩電三母線”直流電源系統(tǒng)是在“雙電雙充雙母線”直流電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)上衍生出來的解決方案。2條獨(dú)立母線A和母線B加上經(jīng)過雙電源切換產(chǎn)生母線C，形成“三充兩電三母線”直流電源系統(tǒng)。這個(gè)直流電源系統(tǒng)架構(gòu)是存在風(fēng)險(xiǎn)的。

1.3.1 沒有接入獨(dú)立的蓄電池

它是由A，B段母線切換產(chǎn)生，依賴于母線A，B存在。一旦出現(xiàn)交流失電的情況，C段母線會(huì)使用A段或者B段的電池進(jìn)行供電。這會(huì)使2組蓄電池放電速率不一致，在A，B 2段母線之間產(chǎn)生壓差，導(dǎo)致2段母線無法進(jìn)行倒閘操作，C段母線也不能在不停電的情況下進(jìn)行電源切換。

1.3.2 故障易擴(kuò)大和傳導(dǎo)

正常運(yùn)行時(shí)，C段母線會(huì)投入A，B 2段母線中的1段，一旦相應(yīng)母線段出現(xiàn)故障，必然會(huì)影響到C段母線的穩(wěn)定運(yùn)行；C段母線一旦出現(xiàn)故障，也必然會(huì)波及A或B母線。C段母線的電源切換裝置分為手動(dòng)和自動(dòng)2種，下面分類舉例說明。

(1) 手動(dòng)切換。當(dāng)C段母線投入A段運(yùn)行時(shí)，一旦A段母線出現(xiàn)失電或者電壓波動(dòng)等狀況，C段母線也會(huì)出現(xiàn)同樣狀況；當(dāng)C段母線出現(xiàn)接地故障、交流竄入等狀況時(shí)，會(huì)影響到A段母線，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)等。投入B段時(shí)亦然。

(2) 自動(dòng)切換。當(dāng)C段母線投入A段運(yùn)行時(shí)，一旦A段母線出現(xiàn)失電的狀況，C段母線就會(huì)自動(dòng)投入B段母線。而如果A段母線失電是由C段母線導(dǎo)致的，那么就可能會(huì)使B段母線也失電，導(dǎo)致故障擴(kuò)大化。另外，接地故障、交流竄入等狀況也同樣會(huì)在母線之間傳導(dǎo)。

2 “五充三電三母線”直流電源系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在典型的“三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)的基本功能模塊拆分、重新組合，演化形成了“五充三電三母線” 直流電源系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)原理

“五充三電三母線”直流電源系統(tǒng)是由2套“三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)組成的，它由充電機(jī)1，3，4號(hào)和蓄電池組1，3號(hào)以及母線A、母線C組成第1套“三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)；由充電機(jī)2，3，5號(hào)和蓄電池組2，3號(hào)以及母線B、母線C組成第2套“三充兩電雙母線”直流電源系統(tǒng)?！叭鋬呻婋p母線”直流電源系統(tǒng)是經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐考驗(yàn)的典型設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其2個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行是可靠且穩(wěn)定的。

從整體上來看，A，B，C 3條母線分別帶有獨(dú)立的蓄電池和充電機(jī)，并設(shè)置有備用充電機(jī)和母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，保證母線可靠地不間斷供電。任一母線出現(xiàn)故障，不會(huì)影響其他2段母線的正常運(yùn)行；任一蓄電池退出運(yùn)行，可以通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)使2段母線并列運(yùn)行，滿足母線不間斷供電的要求；任一充電機(jī)退出運(yùn)行，可以方便地投入備用充電機(jī)進(jìn)行替代，其操作流程與“三充兩電”類似，但靈活性和可靠性大大提高。

2.3 運(yùn)行方式及倒閘操作步驟

2.3.1 正常運(yùn)行

圖3 “五充三電三母線”直流電源系統(tǒng)

1號(hào)充電機(jī)與A段母線接通(即1QS1左側(cè)接通)，1號(hào)蓄電池組與A段母線接通(即1QS2接通)，A段母線接入1號(hào)充電機(jī)和1號(hào)蓄電池組，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2號(hào)充電機(jī)與B段母線接通(即2QS1右側(cè)接通)，2號(hào)蓄電池組與B段母線接通(即2QS2接通)，B段母線接入2號(hào)充電機(jī)和2號(hào)蓄電池組，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

3號(hào)充電機(jī)與C段母線接通(即3QS1右側(cè)接通)，3號(hào)蓄電池組與C段母線接通(即3QS2接通)，C段母線接入3號(hào)充電機(jī)和3號(hào)蓄電池組，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.3.2 充電機(jī)檢修

1號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修時(shí)，先將4號(hào)備用充電機(jī)組投入(即4QS1左側(cè)接通)，后將1號(hào)充電機(jī)退出(即1QS1處于中間位置)，即可對(duì)1號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修。A段母線接入4號(hào)備用充電機(jī)和1號(hào)蓄電池組運(yùn)行。

2號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修時(shí)，先將5號(hào)備用充電機(jī)組投入(即5QS1右側(cè)接通)，后將2號(hào)充電機(jī)組退出(即2QS1處于中間位置)，即可對(duì)2號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修。B段母線接入5號(hào)備用充電機(jī)和2號(hào)蓄電池組運(yùn)行。

3號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修時(shí)，先將4號(hào)(5號(hào))備用充電機(jī)組投入，即4QS1右側(cè)(5QS1左側(cè))接通，后將3號(hào)充電機(jī)組退出(即3QS1處于中間位置)，

即可對(duì)3號(hào)充電機(jī)進(jìn)行檢修。C段母線接入4號(hào)(5號(hào))備用充電機(jī)和3號(hào)蓄電池組運(yùn)行。

2.3.3 蓄電池組退出

如需將1號(hào)蓄電池組退出，先將A段母線與C段母線接通(即6QS1接通)，后將A段母線與1號(hào)蓄電池組斷開(即1QS2斷開)，由3號(hào)充電機(jī)及3號(hào)蓄電池組帶A，C段母線并列運(yùn)行。而1號(hào)充電機(jī)可以連接A段母線(即1QS1左側(cè)接通)或者退出(即1QS1處于中間位置)，此時(shí)可對(duì)1號(hào)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電等工作。

如需將2號(hào)蓄電池組退出，先將B段母線與C段母線接通(即6QS2接通)，后將B段母線與2號(hào)蓄電池組斷開(即2QS2斷開)，由3號(hào)充電機(jī)及3號(hào)蓄電池組帶B，C段母線并列運(yùn)行。而2號(hào)充電機(jī)可以連接B段母線(即2QS1右側(cè)接通)或者退出(即2QS1處于中間位置)，此時(shí)可對(duì)2號(hào)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電等工作。

如需將3號(hào)蓄電池組退出，先將C段母線與A段(B段)母線接通，即6QS1(6QS2)接通，后將C段母線與3號(hào)蓄電池組斷開(即3QS2斷開)，由1號(hào)(2號(hào))充電機(jī)及1號(hào)(2號(hào))蓄電池組帶C，A(B)段并列運(yùn)行。而3號(hào)充電機(jī)可以連接C段母線(即3QS1右側(cè)接通)或者退出(即3QS1處于中間位置)，此時(shí)可對(duì)3號(hào)蓄電池組進(jìn)行核對(duì)性放電等工作。

2.3.4 特殊運(yùn)行方式

當(dāng)出現(xiàn)需要2組蓄電池組同時(shí)退出的極端情況時(shí)，該系統(tǒng)也具有保證3條母線在一定時(shí)間內(nèi)不間斷供電的能力。如果需要將2，3號(hào)蓄電池組同時(shí)退出，那么先將A段母線與B，C段母線接通(即6QS1，6QS2接通)，后將B，C段母線與各自蓄電池組斷開(即2QS2，3QS2斷開)。

需要注意的是，此時(shí)要根據(jù)3條母線總的負(fù)荷情況來決定2，3號(hào)充電機(jī)能否脫離各自母線，使1號(hào)充電機(jī)和1號(hào)蓄電池帶載3條母線。如1號(hào)充電機(jī)能夠滿足負(fù)荷需求，那么2，3號(hào)充電機(jī)退出(即2QS1，3QS1處于中間位置)；如1號(hào)充電機(jī)不能滿足負(fù)荷需求，那么2，3號(hào)充電機(jī)需要至少保留1套在系統(tǒng)內(nèi)。

2.3.5 倒閘操作注意事項(xiàng)

系統(tǒng)切換采用雙投隔離開關(guān)和單投隔離開關(guān)，切換通過手動(dòng)完成。系統(tǒng)切換過程中，饋電母線不能脫離蓄電池組單獨(dú)運(yùn)行；2段帶蓄電池組的饋電母線在滿足標(biāo)稱電壓相同、電壓差小于規(guī)定值，且直流電源系統(tǒng)均處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可以短時(shí)間并列運(yùn)行；系統(tǒng)切換完成后，應(yīng)盡快將1組蓄電池退出系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

直流電源系統(tǒng)作為變電站的二次輔助設(shè)備，其投資成本占變電站總成本的比值極小，就是在二次設(shè)備總成本中也只占很小的一部分，但這并不意味著直流電源系統(tǒng)不重要。因直流電源問題而導(dǎo)致的變電站跳閘失電或者越級(jí)跳閘事件已發(fā)生多次。直流電源系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是確保變電站正常運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。不論直流電源將來是向靈活化、分散化發(fā)展還是向綜合化、集成化發(fā)展，對(duì)其穩(wěn)定可靠的基本要求都不會(huì)改變。直流電源系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)——“兩充兩電”和“三充兩電”經(jīng)過實(shí)踐證明是可靠的?！拔宄淙姟?直流電源系統(tǒng)在理論上是先進(jìn)的，在實(shí)際工程應(yīng)用中還需要經(jīng)過時(shí)間和實(shí)踐的檢驗(yàn)。隨著特高壓交直流輸電工程的不斷發(fā)展，在滿足工程需要的同時(shí)提高可靠性和穩(wěn)定性將是直流電源系統(tǒng)未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

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