馮兆輝,韓方韜
(烏海超高壓供電局,內(nèi)蒙古 烏海 016000)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
3.3.1 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。
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。
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。