馮兆輝，韓方韜

（烏海超高壓供電局，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

通信專用高頻開關(guān)電源是500 kV 變電站通信傳輸系統(tǒng)中的重要設(shè)備，為通信傳輸、通信接入、線路保護(hù)等設(shè)備提供安全、穩(wěn)定、可靠的不間斷直流電源[1-3]。截至2019 年年底，內(nèi)蒙古巴彥淖爾地區(qū)、烏海地區(qū)、阿拉善地區(qū)、鄂爾多斯西部地區(qū)9 座500 kV 變電站共計(jì)配置通信專用高頻電源系統(tǒng)9套。每套通信專用高頻開關(guān)電源由1 面交流分配屏、2 面高頻開關(guān)電源屏、2 面直流分配屏及4 組96節(jié)通信蓄電池組成。由于內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分散，各站點(diǎn)投運(yùn)時(shí)間較長，變電站超期服役的通信電源系統(tǒng)暴露出許多問題。位于巴彥淖爾地區(qū)烏拉特中旗境內(nèi)的500 kV 德嶺山變電站2005年投運(yùn)后，高頻開關(guān)電源已連續(xù)不間斷運(yùn)行了14年，存在許多嚴(yán)重隱患急需解決。

1 存在的問題

500 kV 德嶺山變電站通信電源系統(tǒng)主要存在以下問題。

（1）500 kV 德嶺山變電站是巴彥淖爾烏拉特中旗地區(qū)主要電源點(diǎn)，也是河套地區(qū)與包頭地區(qū)電量交換的樞紐站點(diǎn)，變電站通信電源系統(tǒng)承載著包頭地區(qū)與巴彥淖爾地區(qū)電力通信的重要任務(wù)，是蒙西環(huán)狀電力通信網(wǎng)的北通道，不允許存在任何斷電風(fēng)險(xiǎn)。因高頻開關(guān)電源已不間斷運(yùn)行多年，存在電源模塊元器件嚴(yán)重老化、絕緣失效、設(shè)備停產(chǎn)等嚴(yán)重隱患[4-5]。

（2）變電站位于烏拉特中旗德嶺山鎮(zhèn)附近，站點(diǎn)與維護(hù)單位之間的距離超過300 km。若發(fā)生通信電源故障導(dǎo)致通信設(shè)備失電，檢修人員不能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)站點(diǎn)開展檢修工作，將影響500 kV主網(wǎng)線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）由于通信電源獨(dú)立于變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)行，且老舊站點(diǎn)尚未將通信電源輸入告警信號(hào)接入主控計(jì)算機(jī)，因此存在通信高頻開關(guān)電源失電導(dǎo)致通信蓄電池電量耗盡無人知曉的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

鑒于500 kV 電力系統(tǒng)中通信電源負(fù)載的重要性，并結(jié)合老舊通信電源系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，決定以500 kV德嶺山變電站為試點(diǎn)，對(duì)超期服役的通信高頻開關(guān)電源等設(shè)備進(jìn)行不停電更換。

2 電源設(shè)備更換存在的風(fēng)險(xiǎn)

由于電壓等級(jí)高、運(yùn)行穩(wěn)定性要求高等原因，500 kV站點(diǎn)一般配置獨(dú)立運(yùn)行的通信電源系統(tǒng)，每套電源系統(tǒng)均由交流分配、高頻整流、直流分配及蓄電池4個(gè)部分組成[7-8]。以下針對(duì)交流分配及高頻整流部分屏位在不停電過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

2.1 電源割接

不停電對(duì)通信高頻電源進(jìn)行割接的最大危險(xiǎn)為負(fù)載意外失電[9]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV變電站通信電源系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 500 kV變電站通信電源系統(tǒng)示意圖

從圖1 可以看出，通信設(shè)備等電源接入全部集中于兩個(gè)直流分配屏，眾多負(fù)載的失電風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)全部集中于直流分配屏，因此，做好直流分配屏的不間斷供電即可保障通信設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 屏位拆除及安裝

更換屏位時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)存在于屏柜搬遷、屏位拆除、屏位安裝、設(shè)備接線等過程中，鑒于本文重點(diǎn)分析設(shè)備更換部分，故屏柜搬遷風(fēng)險(xiǎn)不再討論。以500 kV德嶺山變電站為例，由于舊屏柜與槽鋼架采用焊接固定方法，因此拆除屏位的第1 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)便是焊點(diǎn)的拆除。因屏柜的安裝空間狹小及槽鋼架下布置了運(yùn)行線纜，拆除焊點(diǎn)應(yīng)特別注意對(duì)相鄰屏柜及地下運(yùn)行線纜的保護(hù)[10-11]。在使用電動(dòng)工具時(shí)，應(yīng)在運(yùn)行線纜上放置隔離擋板，防止工器具意外損壞線纜。

2.3 電源類設(shè)備帶電操作

電源類設(shè)備帶電操作過程中最常見的危險(xiǎn)點(diǎn)是工作中電源發(fā)生意外短路或接地故障，對(duì)設(shè)備和操作人員造成傷害[12]。由于通信高頻電源系統(tǒng)中的整流模塊單元具備短路保護(hù)功能，操作過程中若發(fā)生短路故障，整流器監(jiān)控模塊能夠迅速響應(yīng)（短路瞬態(tài)只有電容微秒級(jí)的放電，大功率放電被抑制）并關(guān)閉整流器，使得整流器無輸出。因此，通信高頻電源系統(tǒng)的短路能量主要來源于蓄電池，短路電流的大小取決于電池容量，電池內(nèi)阻以及回路電阻的大小。電池的容量越大、內(nèi)阻越小，則發(fā)生短路時(shí)短路電流越大[1]。

目前內(nèi)蒙古電網(wǎng)500 kV 變電站配置的獨(dú)立通信電源系統(tǒng)蓄電池通過動(dòng)力電纜分別接入高頻開關(guān)電源的兩個(gè)屏位，通過200 A 容量的熔斷器與高頻開關(guān)電源輸出、負(fù)載輸入并聯(lián)接入。在更換該高頻電源屏?xí)r，需要對(duì)蓄電池連接線纜進(jìn)行拆除，此時(shí)蓄電池系統(tǒng)短路或接地的風(fēng)險(xiǎn)最大，因此在電源割接時(shí)，做好蓄電池電纜的絕緣處理是防范電源系統(tǒng)意外短路或接地風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。

3 通信專用高頻開關(guān)電源更換方案

500 kV 德嶺山變電站通信專用高頻開關(guān)電源更換需同屏位帶電替換原有2個(gè)高頻開關(guān)電源屏和原交流配電屏。交流配電屏的更換相對(duì)簡(jiǎn)單，在完成高頻開關(guān)電源屏更換后，由蓄電池臨時(shí)為設(shè)備供電，即可直接進(jìn)行替換。目前，高頻開關(guān)電源設(shè)備的更換一般有3種備選方案。

3.1 方案一：臨時(shí)電源過渡

流程示意圖見圖2，作業(yè)過程如下。

（1）在機(jī)房空余屏位處建一套電源系統(tǒng)，作為新舊電源屏更換過程中的過渡電源[12-14]。本工程中，可將1臺(tái)新高頻開關(guān)電源屏（即電源屏3）安裝至機(jī)房空余屏位處，由交流屏為新高頻開關(guān)電源屏3進(jìn)行供電，作為備用電源。

（2）將電源屏3 與直流分配屏2 連接，調(diào)整電源屏3 的負(fù)載輸出電壓，使其等于直流分配屏2 的輸入電壓，此時(shí)直流分配屏2 由高頻開關(guān)電源屏2、電源屏3同時(shí)供電，見圖2b。

（3）依次關(guān)閉高頻開關(guān)電源屏2 的整流模塊，確認(rèn)電源屏3 帶負(fù)載成功后，退出并拆除高頻開關(guān)電源屏2 及其所有接線，注意拆卸過程中需保持高頻開關(guān)電源屏2完好。

在原高頻開關(guān)電源屏2的位置安裝新高頻開關(guān)電源屏4，并與直流分配屏2連接。調(diào)整輸出電壓與分配屏2 輸入電壓相等，此時(shí)直流分配屏2 由電源屏4、電源屏3同時(shí)供電，見圖2c。

（4）退出電源屏3 并拆除所有接線，即完成了一套高頻開關(guān)電源屏的更換，見圖2d。

（5）將拆下的原高頻開關(guān)電源屏2作為備用電源，以同樣的流程用新高頻開關(guān)電源屏3 替換原高頻開關(guān)電源屏1，完成兩套高頻開關(guān)電源屏的更換。

該方法利用新、舊高頻開關(guān)電源屏分別作為備用電源，實(shí)現(xiàn)了更換全程滿足“雙電源”要求，但其也存在以下問題：

（1）備用電源屏無配套蓄電池組，若更換過程中備用電源屏出現(xiàn)故障，則其所帶直流用電設(shè)備會(huì)面臨失電風(fēng)險(xiǎn)。

（2）該變電站通信機(jī)房屏位不足，無空余屏位放置備用電源屏；機(jī)房屏位間過道寬度為80 cm，在過道擺放備用電源屏不便于開展工作，且易對(duì)靜電地板造成傷害。

（3）全過程需要立四面屏（2套新高頻開關(guān)電源屏、2套備用電源屏）、拆除4面屏（2套舊高頻開關(guān)電源屏、2套備用電源屏），工作量大，流程繁瑣，耗時(shí)長。

3.2 方案二：蓄電池供電過渡

作業(yè)步驟如下。

（1）斷開并拆除高頻開關(guān)電源屏1，此時(shí)直流分配屏1由蓄電池組供電。

（2）在原高頻開關(guān)電源屏1的位置安裝新高頻開關(guān)電源屏3。調(diào)整電源屏3的負(fù)載輸出電壓，使其等于直流分配屏1 的輸入電壓，隨后合上電源屏3的輸出保險(xiǎn)絲，從而完成一套高頻開關(guān)電源屏的更換[15-16]。

圖2 臨時(shí)電源過渡法更換流程

（3）用相同流程由新高頻開關(guān)電源屏4替換原高頻開關(guān)電源屏2，完成兩套高頻開關(guān)電源屏更換。

該方法步驟較少，流程簡(jiǎn)單，但由于更換高頻開關(guān)電源屏期間，單套直流系統(tǒng)僅靠蓄電池組供電，若更換機(jī)柜時(shí)間過長，設(shè)備易失電，且蓄電池電量耗盡會(huì)對(duì)電池組造成不可逆損傷。

3.3 方案三：?jiǎn)翁赘哳l開關(guān)屏接雙套直流負(fù)載

3.3.1 原理

該方法利用了電源的并聯(lián)特性及均流原理。圖3 為2 個(gè)電源并聯(lián)時(shí)的等效電路及其外特性曲線，當(dāng)兩個(gè)高頻開關(guān)電源屏的參數(shù)相同時(shí)，即V1max=V2max，R1=R2，電流在2 個(gè)高頻開關(guān)電源屏內(nèi)均勻分配，而當(dāng)其中1個(gè)電源的電壓參考值較高、輸出電阻較小，則該高頻開關(guān)電源屏將承擔(dān)大部分的電流[4]。根據(jù)外特性曲線可知，電壓差下會(huì)使電壓較小的高頻開關(guān)電源屏流過的電流為0。

圖3 2個(gè)電源并聯(lián)時(shí)的等效電路

3.3.2 更換步驟

更換流程示意圖見圖4，作業(yè)過程如下。

（1）將原高頻開關(guān)電源屏1連接的兩組蓄電池與原高頻開關(guān)電源屏2連接的兩組蓄電池并聯(lián)。

（2）將直流分配屏1 與直流分配屏2 的輸入端子并聯(lián)，此時(shí)原高頻開關(guān)電源屏1、原高頻開關(guān)電源屏2并列向4組蓄電池及2個(gè)直流分配屏供電。

（3）記錄總輸出電流值，根據(jù)電源的并聯(lián)特性曲線，以0.1 V的步進(jìn)降低原高頻開關(guān)電源屏1的電壓，則原高頻開關(guān)電源屏2電流增大，原高頻開關(guān)電源屏1 負(fù)載減小，繼續(xù)降低電壓直至原高頻開關(guān)電源屏1電流為0。

（4）原高頻開關(guān)電源屏1 輸出電流降為0 時(shí)，已不帶負(fù)載，斷開原高頻開關(guān)電源屏所有接線、拆除設(shè)備，并在其位置上安裝新高頻開關(guān)電源屏3；將輸出電壓設(shè)定為與原高頻開關(guān)電源屏2 相同，隨后恢復(fù)原高頻開關(guān)電源屏1 的接線方式，即由電源屏3、原高頻開關(guān)電源屏2 并列向4 組蓄電池及2 個(gè)直流分配屏供電。

（5）記錄總輸出電流值，根據(jù)電源的并聯(lián)特性曲線，以0.1 V的步進(jìn)降低原高頻開關(guān)電源屏2的電壓，則電源屏3 輸出電流增大，原高頻開關(guān)電源屏2負(fù)載電流減小，繼續(xù)降低電壓直至原高頻開關(guān)電源屏2電流輸出為0。

（6）原高頻開關(guān)電源屏2電流輸出降為0，表明其已不帶負(fù)載，斷開原高頻開關(guān)電源屏所有接線、拆除設(shè)備，并在其位置上安裝新高頻開關(guān)電源屏4，將輸出電壓設(shè)定為與原高頻開關(guān)電源屏2 相同，隨后恢復(fù)原高頻開關(guān)電源屏2 的接線方式，即由電源屏3、電源屏4 并列向4 組蓄電池及2 個(gè)直流分配屏供電。

（7）在保持電源屏3、電源屏4電壓相等的情況下，斷開直流分配屏1與直流分配屏2的短接線，斷開原高頻開關(guān)電源屏1連接的兩組蓄電池與原高頻開關(guān)電源屏2 連接的兩組蓄電池之間的短接線，兩套高頻開關(guān)電源屏的更換工作全部完成（如圖4）。

圖4 單套高頻開關(guān)屏接雙套直流負(fù)載法更換流程

需要注意的是，在新電源屏安裝過程中，為避免拔插熔斷器時(shí)產(chǎn)生電火花，必須確保插入熔絲時(shí)負(fù)載開關(guān)在關(guān)位，先插熔絲再合負(fù)載開關(guān)，在插入蓄電池主熔絲前，要測(cè)量熔絲兩端電壓差小于0.5 V[5]。

相比于方案一，該方案無需占用空余屏位，工作量小，不會(huì)對(duì)靜電地板造成損傷；相比于方案二，避免了更換過程中完全靠蓄電池組供電，工作時(shí)長不受電池供電時(shí)間限制，顯著提高了穩(wěn)定性與可靠性。但使用該方法也有前提條件：?jiǎn)蝹€(gè)高頻開關(guān)電源屏容量須大于通信機(jī)房總負(fù)載電流值，且滿足整流模塊“N+1”配置要求。以500 kV德嶺山變電站為例，原高頻開關(guān)電源屏整流容量為50 A×4=200 A，總負(fù)載電流為34+36=70 A，滿足上述要求，最終按照方案三實(shí)施更換工作。

4 實(shí)施效果

2019 年3 月將方案三首次應(yīng)用于500 kV 德嶺山變電站，實(shí)踐證明電源割接過程安全可靠。隨后將該方案推廣應(yīng)用至500 kV千里山、烏海、河套、吉蘭太等幾座需進(jìn)行電源改造的變電站，各站至今已運(yùn)行1年多，變電站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況良好，表明該方案合理可行、實(shí)際操作性好，可推廣使用。

5 結(jié)語

以500 kV 德嶺山變電站通信機(jī)房高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的高頻開關(guān)電源屏和交流分配屏不停電更換實(shí)際工程為例，對(duì)更換風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，探討了更換步驟和注意事項(xiàng)。在實(shí)際工作中，由于通信電源不停電割接工程復(fù)雜，工作流程環(huán)環(huán)相扣，為了杜絕電源割接、設(shè)備更換過程中出現(xiàn)突發(fā)狀況，影響500 kV主網(wǎng)架安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前制訂詳盡的施工作業(yè)措施，作業(yè)過程中需特別關(guān)注設(shè)備負(fù)載在電源割接時(shí)的轉(zhuǎn)移，以確保整體工作能夠安全、平穩(wěn)開展。