吳小鋒,劉鵬龍,張 鑫,孫曉偉
(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司,河南 新鄉(xiāng)463636)
目前,國內抽水蓄能電站廠房多采用地下式結構,廠房都布置在人工開挖數公里遠的山洞之中,廠房內安裝有事故照明系統(tǒng)和UPS(不間斷供電系統(tǒng))。事故照明系統(tǒng),即當正常照明因故障中斷時,供事故情況下的照明,事故照明配電盤平時由工作照明母線供電,事故時自動切換至DC220 V/AC380 V直流逆變電源,由直流系統(tǒng)逆變成交流電源供電。UPS系統(tǒng)在公用電源失電的非正常情況下,蓄電池電能經逆變器仍能連續(xù)向用戶提供優(yōu)質的220 VAC電源。
某抽水蓄能電站UPS采用克勞瑞德工業(yè)機CP系列產品,投入運行將近10年。電站UPS系統(tǒng)設計為拓撲結構如圖1所示,2組UPS系統(tǒng)并行連接,共同向負荷提供電能,如果其中一組故障,另一組能無擾動地承擔全部負荷。近年來,隨著電站UPS系統(tǒng)運行年久老化,設備故障頻發(fā),逐漸出現(xiàn)一些不可逆故障,最終發(fā)生并列運行的2套UPS系統(tǒng)逆變器同時故障,負荷轉由備用電源(靜態(tài)旁路)供電。因為備用電源取自普通廠用電220 VAC供給,所以UPS系統(tǒng)已經失去不間斷供電能力。然而,地下廠房UPS主要為電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)操作員站、機組現(xiàn)地控制單元設備、電站計量主機等重要設備供電,由于UPS旁路供電不可靠性,極易造成機組事故停機、計量系統(tǒng)故障等事故,需要找到解決辦法。
圖1 UPS系統(tǒng)簡圖
電站UPS系統(tǒng)拓撲結構如圖1,每一組UPS系統(tǒng)由4部分構成,充電器、電池、逆變器和靜態(tài)開關,其中2套UPS共用1組蓄電池。UPS系統(tǒng)正常運行時,逆變器持續(xù)向關鍵負載供應穩(wěn)定的交流電,充電器將交流輸入電源轉換為規(guī)定的直流電源,該直流電源轉而用于逆變器輸入和其連接的蓄電池充電,蓄電池通過內置CVCC充電器控制電路始終保持完全充電最佳運行條件,當交流輸入電壓驟降至低于規(guī)定限值或電源故障時,逆變器將繼續(xù)使用蓄電池作為電源向設備負載提供恒定電壓。備用電源(也稱旁路電源)作為2組UPS的共同的后備電源,當2套UPS逆變器均無法正常輸出電能時,系統(tǒng)自動切換至靜態(tài)旁路供電,人為操作可以切換至檢修旁路供電,然后將UPS系統(tǒng)隔離出來消缺或檢修。JD1作為UPS系統(tǒng)總輸出開關,Q1、Qn為具體負荷饋線開關。
電站事故照明所用DC220 V/AC380 V直流逆變電源系統(tǒng)如圖2,直流輸入電源取自電站220 V直流系統(tǒng),為純凈的直流電源,220 V直流電源經逆變器、濾波器等環(huán)節(jié),轉換成純凈的正弦波電源,最后經由靜態(tài)開關送至用戶設備使用。經測定電壓(220 VAC)和頻率(50 Hz)穩(wěn)定,電能質量良好。電站地下廠房2組220 V直流系統(tǒng)均設置了事故照明用直流逆變電源裝置,事故照明逆變電源容量充裕。電站事故照明配電盤配置有1個交流進線開關和1個直流逆變進線開關,交流進線開關取電自正常照明配電盤,直流逆變進線開關取電自地下廠房220 V直流事故照明逆變柜。系統(tǒng)正常運行時,事故照明配電盤自動選擇交流進線開關合閘,直流逆變進線開關分閘;當系統(tǒng)檢測到交流進線失電時,自動切換為直流逆變進線開關合閘,交流進線開關分閘,以實現(xiàn)交流廠用電發(fā)生事故時,事故照明系統(tǒng)繼續(xù)工作。
圖2 事故照明所用直流逆變電源系統(tǒng)簡圖
2015年01月18日,受強風天氣影響,電站戶外架空線路故障導致廠用電跳閘,進而造成地下廠房UPS系統(tǒng)逆變器1、逆變器2同時大故障,UPS系統(tǒng)自動轉為靜態(tài)旁路電源帶負荷運行。后期檢查發(fā)現(xiàn),逆變器1、逆變器2多個控制板卡變形損壞,充電器2存在大故障,經與原設備廠家工程師共同研判,2組UPS均已不具備修復可能。然而,2組UPS備用電源取自普通廠用電220 VAC,已經不具備不間斷供電能力,而且電站所處位置屬于大風、雷電多發(fā)地區(qū),戶外架空線路多次因惡劣天氣導致跳閘,電站安全生產面臨嚴重威脅,急需尋找其他不間斷電源替代UPS系統(tǒng)。
電站技術人員通過對地下廠房現(xiàn)場實際仔細勘測,充分研究UPS系統(tǒng)及事故照明逆變電源接線圖紙,查閱技術資料,發(fā)現(xiàn)UPS和事故照明逆變電源輸出電源參數相似,從而設計出一種用事故照明逆變電源為UPS系統(tǒng)備用的方法。當發(fā)生UPS逆變器故障時,在事故照明逆變電源總輸出開關JD2出線側與UPS系統(tǒng)總輸出開關JD1進線側連接一根電纜,將UPS系統(tǒng)隔離出來,采用事故照明直流逆變電源為原UPS系統(tǒng)負荷供電,實現(xiàn)備用(如圖3所示)。
圖3 事故照明逆變電源為UPS系統(tǒng)備用接線圖
(1)容量復核:電站原UPS總負荷電流7.4 A(測量值),額定容量10 kVA;地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變裝置額定容量為50 kVA;地下廠房220 V第一組直流系統(tǒng)整流裝置額定電流200 A,實際負荷電流25 A,直流系統(tǒng)蓄電池容量1 200 A·h(C10);由此可見,事故照明直流逆變裝置和直流系統(tǒng)容量可以滿足為UPS負荷供電要求。
(2)電纜走線布置:電纜從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜接至地下廠房UPS旁路與配電柜;電纜走副廠房三樓空調泵房電纜橋架,兩端分別從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜和地下廠房UPS旁路與配電柜下部穿出。
(3)接線:按照設計方案接線,具體為從地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜10LAA001DL交流輸出開關JD2下側(交流輸出端子B:N)接至地下廠房UPS旁路與配電柜10LNA001TB輸出開關JD1進線側,如圖4、圖5所示。
圖4 事故照明逆變柜接線
圖5 UPS旁路與配電柜接線
(4)送電:按照圖紙和方案設計接線后,先合上地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變柜交流輸出開關JD2,再合上地下廠房UPS輸出開關JD1,最后逐個合上UPS各負荷開關(事先全部斷開),檢查UPS各負荷供電正常。
上述備用方案實施后,地下廠房220 V直流1號事故照明直流逆變裝置由 原來的空載備用轉為負載工作,并將長期保持帶載運行模式,而且事故照明逆變電源電能質量的穩(wěn)定性有待更為長久的觀察,設備運行方式的改變在客觀上增加了一定的安全風險。
事故照明逆變電源取自地下廠房220 V直流系統(tǒng),也就意味著原來UPS供電負荷全部轉移由地下廠房220 V直流系統(tǒng)間接供電,大幅增加了直流系統(tǒng)的負擔,一旦直流系統(tǒng)故障,將造成機組緊急停機、保護誤動、自動化設備失去控制等,后果不堪設想。
加強事故照明直流逆變電源及UPS供電系統(tǒng)的監(jiān)視,定期測量事故照明直流逆變裝置交流輸出端子電壓,定期測量UPS負荷母線電壓,加強該臨時供電回路的專業(yè)巡視,發(fā)現(xiàn)異常及時消除。
加強220 V直流系統(tǒng)日常維護,定期檢查各整流模塊工作狀態(tài)、輸出電壓、輸出電流等,定期測量蓄電池電壓和內阻,保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
為確保UPS負荷供電可靠,在上述備用方案實施后,暫不開展事故照明定期切換試驗,采用正常照明帶事故照明運行,將事故照明直流逆變進線開關控制方式保持在手動。
鑒于原UPS系統(tǒng)改造需要重新設計、采購、施工等環(huán)節(jié),周期較長,僅依靠事故照明直流逆變電源風險較大,電廠可以采購相同容量的便攜后備式UPS作為備用。
通過上述備用方案現(xiàn)場實施,自2015年3月至2016年5月期間,電站事故照明逆變電源為UPS負荷供電穩(wěn)定,多次發(fā)揮為重要設備不間斷供電作用,實現(xiàn)了電站UPS系統(tǒng)改造前保障電站安全生產的良好過渡,取得令人滿意的效果。
這種方法的創(chuàng)新,在于充分考慮地下式廠房水電站現(xiàn)有設備安裝情況,同時具備UPS系統(tǒng)和事故照明系統(tǒng),并且兩系統(tǒng)均具備一定不間斷供電能力,且輸出電源類型和電能質量類似。這種備用方法操作簡單,效果明顯,具有很強的實用性,對地下水電站UPS系統(tǒng)專業(yè)管理具有參考意義。