集成式直流電源轉接饋電裝置的研制*

*基金項目：2021年國家電網(wǎng)公司研究開發(fā)費項目計劃（群創(chuàng)和技術標準）(5211JX210019)資助

作者簡介：盧思瑤（1991—），女，江蘇泰州人，工程師，從事變電運檢工作。

摘要：本文介紹了集成式直流電源轉接饋電裝置的研制過程，能夠實現(xiàn)不同電壓等級直流系統(tǒng)合母及蓄電池組電壓降壓至控母電壓；實現(xiàn)電流電壓監(jiān)測；實現(xiàn)將異常信號實時接入后臺及就地告警；擁有單一直流饋電屏所沒有的降壓硅鏈，從而多一條合閘母線，可接后備電源蓄電池或合閘空開負荷；同時，增加降壓硅鏈強制并聯(lián)隔離開關，對單母線系統(tǒng)此裝置也依然適用。裝置分為直流電源監(jiān)測、降壓、告警、指示、電流電壓監(jiān)測及饋電六大模塊。在實際推廣應用中，極大地提高直流檢修人員的工作效率，保障了電網(wǎng)的安全運行。

0   引言

直流系統(tǒng)是變電站的“心臟”，為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及照明等提供可靠穩(wěn)定的不間斷電源，它還為斷路器的分、合閘提供操作電源，是變電站不可或缺的一部分。由于直流電源在二次系統(tǒng)所處的重要地位，直流系統(tǒng)自身的可靠及安全直接影響到整個系統(tǒng)的安全，盡管直流電源十分穩(wěn)定可靠，但實際應用中，目前嘉興110 kV 及以下電壓等級的變電站，直流電源系統(tǒng)一般均設置一套，隨著運行時間久遠，直流電源系統(tǒng)性能下降、可靠性降低，故障頻發(fā)，影響高壓設備可靠供電，使直流系統(tǒng)的故障成為電力系統(tǒng)更大故障的事故隱患。直流系統(tǒng)運行狀況的好壞直接關系到變電站二次系統(tǒng)能否正常工作，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要影響^[1-5]。

因此，及時對直流電源系統(tǒng)升級改造就顯得尤為重要，適時的對老化嚴重的直流系統(tǒng)進行改造，不但可以提高設備運行的穩(wěn)定性，也可以節(jié)約日常運行維護的人力、物力資源。但是因場地空間受限或控制、裝置電纜長度不夠等原因，直流充饋電屏無法實現(xiàn)易地更換改造，并且針對用電單位對供電要求較高，全站設備無法滿足全部停電要求，改造工程需進行負荷轉供，但改造過程中存在整站保護及自動化裝置失電引起裝置誤動甚至癱瘓的風險，因此改造過程中直流電源轉接饋電裝置的應用就顯得尤為重要。

為此，本文對當前變電站直流電源轉接饋電裝置開展分析研究，通過大量的數(shù)據(jù)分析以及反復論證，從4個薄弱點著手開展創(chuàng)新應用，從而進一步提高工作效率，精益化管理生產隊伍，提高供電服務質量。本文的創(chuàng)新點為：①裝置高度集成化、小型化，節(jié)省大量組裝拆接時間，且能覆蓋所有饋線，適用變電站多種改造工況。②加入絕緣監(jiān)測裝置，確保負荷轉供期間的安全；此外，加入本地聲光告警以及后臺告警功能，當改造過程中有任何告警會提醒檢修及值班人員及時處理。③裝置配有合母充電接口，控母充電接口以及蓄電池接口及保護，三者均可提供電源。④擁有單一直流饋電屏所沒有的降壓硅鏈，從而多一條合閘母線，可接后備電源蓄電池或合閘空開負荷。降壓硅鏈可方便拆卸更換，且適用于直流系統(tǒng)各種運行方式，增加了降壓硅鏈強制并聯(lián)隔離開關，對單母線系統(tǒng)此裝置也依然適用。

1   現(xiàn)狀分析

近年來，電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴大，以嘉興電網(wǎng)為例，2005—2015 年，變電所數(shù)量由原先102 座劇增至181 座，增幅比例77.5%；檢修工作日益增多，而與此相對應的，檢修人員數(shù)量變化不大。隨著社會經濟的發(fā)展，對可靠供電提出了更高的要求。

嘉興地區(qū)有些老舊變電站直流系統(tǒng)已運行10多年，設備嚴重老化，且無備件更換，直流系統(tǒng)改造任務勢在必行。根據(jù)年度工作計劃，新建變電站及老舊變電站直流改造工程日益增多。針對變電站直流系統(tǒng)改造工程的用戶需求進行調研，用戶及公司提出直流負荷轉供11 h（660 min）保證投入的需求，確保用電質量。目前，直流改造缺少必要的直流電源轉接裝置，所需裝置笨重繁雜且重復拆接線導致工作流程復雜，工作效率低下；改造過程中典型電磁繼電器絕緣監(jiān)察裝置存在固有缺點，且缺少交流竄入直流系統(tǒng)告警功能；目前的硅鏈電壓自動調壓裝置都為固定式，在改造過程中對不同電壓等級的直流系統(tǒng)不通用。當二極管開路或者損壞時，整個直流系統(tǒng)控制母線都將失電，影響直流系統(tǒng)安全運行。當直流系統(tǒng)為單母線系統(tǒng)時，無法提供正常的控制母線電壓；在改造現(xiàn)場或者改造中斷后，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，現(xiàn)場改造人員不能及時發(fā)現(xiàn)異常情況。根據(jù)現(xiàn)場工作需要設計了一種集成式直流電源轉接饋電裝置，其具備電源接入、降壓、實時報警、饋電、電壓電流顯示等功能，實現(xiàn)直流改造中負荷轉供工作，保障內外顧客實際需求，應用前景廣泛。

2   制定方案

從直流電源轉接饋電裝置的功能入手，確定裝置的基本模塊。一般而言，變電站直流電源轉接饋電裝置應具備：①實現(xiàn)不同電壓等級直流系統(tǒng)合母及蓄電池組電壓降壓至控母電壓；②直流系統(tǒng)故障報警；③電流電壓監(jiān)測功能；④準確輸出直流饋電等功能，基于以上功能，裝置應具備降壓模塊、指示模塊和饋電模塊。此外，為了更好滿足工作安全性，考慮配備直流絕緣檢測和告警功能；為了提高工作效率，增加可視化模塊，即各種測量儀表，便于對比參數(shù)是否一致。

根據(jù)直流電源轉接饋電裝置的實際功能設定，對應的裝置應具備直流絕緣檢測、降壓、告警、指示、電流電壓監(jiān)測以及饋電六大模塊，應具有電源接入、降壓、實時報警、饋電、電壓電流值顯示等功能，實現(xiàn)對直流電源的轉接工作。

圖1 直流電源轉接饋電裝置模塊劃分

通過將各個功能模塊集成化且一體化實現(xiàn)一次接線、一個裝置完成直流電源轉接，大幅縮短技改時間，提高了工作效率。

3   方案實施

通過對方案的細化分解，通過對相關參數(shù)及優(yōu)缺點對比分析最終確定細化后方案如圖2所示。

圖2 方案細化分解圖

步驟1 依據(jù)目標：①直流絕緣檢測裝置采樣穩(wěn)定，誤差不超過5%；②常規(guī)故障點查找時間不超過10 min；③完成直流絕緣檢測模塊中微機型裝置或繼電器型裝置的選擇。進一步選?。孩俳拥仉娮柚挡蓸诱`差；②裝置重量及價格，選型采購電源模塊，查詢相關直流絕緣檢測裝置型號，確保滿足要求。

步驟2 依據(jù)目標：①降壓硅鏈降壓穩(wěn)壓精度不超過2%；②合適的質量和體積，完成降壓模塊選擇，對比固定式及抽拉式確定采用抽拉式降壓模塊。

步驟3 依據(jù)目標：①直流系統(tǒng)異常確定時間不超過10 min；②異常傳達準確率。對比就地+ 遠程式模式及遠程+ 手機通信式，通過現(xiàn)場試驗，選擇就地+ 遠程式模式，確保滿足要求。

步驟4 依據(jù)目標：①指示燈光源功率?。虎诮^緣電阻不小于2 MΩ。選型采購LED 指示燈，安裝、接線到位并進行調試，確保滿足要求。

步驟5 依據(jù)目標：①數(shù)據(jù)讀取誤差小；②讀取時間短。選型采購電流電壓測量模塊，確保滿足要求。

步驟6 依據(jù)目標：①開關分斷后恢復時間不超過10 min；②機械壽命長；③完成熔斷開關和空氣開關的選擇。進一步選取：①對開關通以5In、10In、50In 的電流，斷開時間不大于100 ms；②穩(wěn)定性高，滅弧性能滿足要求；③完成直流空氣開關和交流空氣開關的選擇。選型采購直流饋電模塊，確保滿足要求。

最終完成以下集成式直流絕緣檢測裝置，其總原理框圖如圖3。

圖3 集成式直流絕緣檢測裝置原理框圖

4   效果檢查

通過裝置不同模塊間的配合，能夠實現(xiàn)不同電壓等級直流系統(tǒng)合母及蓄電池組電壓降壓至控母電壓；實現(xiàn)電流電壓監(jiān)測、直流接地監(jiān)測、交流竄入監(jiān)測過壓、欠壓監(jiān)測等功能，并將異常信號通過硬接點和RS-485 接口接入后臺實現(xiàn)實時后臺及就地告警；擁有單一直流饋電屏所沒有的降壓硅鏈，從而多1 條合閘母線，可接后備電源蓄電池或合閘空開負荷。降壓硅鏈可方便拆卸更換，各個電壓等級變電站適應性強，且適用于直流系統(tǒng)各個運行方式，增加了降壓硅鏈強制并聯(lián)隔離開關，對單母線系統(tǒng)此裝置也依然適用；同時，提供蓄電池電壓、蓄電池電流、控母電壓、總負荷電流監(jiān)測功能。

圖4 裝置實物圖

1）在安全方面。為保證成果安全、可靠投入使用，對裝置的各項數(shù)據(jù)進行檢測，各項數(shù)據(jù)100% 合格。在多處現(xiàn)場實踐應用過程中效果良好，經相關部門認證，該裝置在安全、質量、管理、成本等方面均無負面影響。

圖5 裝置現(xiàn)場使用情況

2） 在效率方面。采用集成式直流電源轉接饋電裝置后，使得變電站負荷轉供時間大大縮短，由1 050 min 縮短至590 min，較使用前節(jié)省460 min，效率提升43.8%。

通過編寫編制《集成式直流電源轉接饋電裝置作業(yè)指導書》、《集成式直流電源轉接饋電裝置使用說明書》、對檢修人員開展直流裝置專項培訓、圖紙歸檔等方法進行成果鞏固。并通過培訓使得技改檢修人員熟悉裝置使用操作流程，提升工作效率。

目前發(fā)明專利已授權：CN110277779B《一種用于臨時替代直流屏的供電裝置》；實用新型專利已授權：CN212114877U《一種蓄電池的遠程監(jiān)控裝置》。集成式直流電源轉接饋電裝置在變電站直流系統(tǒng)改造效率上的提升，以及技改工作安全性及便捷性的改善，可以在較大范圍內代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流改造負荷轉供方法；且該裝置集成多功能組件于一體，方便、安全、快捷。因此，集成式直流電源轉接饋電裝置能夠適應更多變電站建設工程的需要，應用范圍很廣，節(jié)省大量的人力物力，提升了供電可靠性。

5   結束語

本文研制的集成式直流電源轉接饋電裝置，其關鍵技術是公司在以下方面開展創(chuàng)新應用的基礎上實現(xiàn)的，包括：對嘉興電網(wǎng)乃至系統(tǒng)內相關兄弟企業(yè)的變電站直流系統(tǒng)改造工作全面調研；對負荷轉接工作深度研究，結合實際情況進行技術分析；梳理日常工作過程中存在的斷層，通過大量數(shù)據(jù)分析及反復論證集成化、一體化直流饋電轉接裝置、絕緣監(jiān)察裝置、硅鏈電壓自動調壓裝置的薄弱點。

從國內外電力行業(yè)的情況來看，本文成果所述集成式直流電源轉接饋電裝置為國內首臺首套，極大地提高了直流系統(tǒng)改造工作效率和安全性。通過變電站充饋電屏的發(fā)明原理實現(xiàn)一臺裝置一次拆接線完成多項電源負荷轉接內容，多維智能防護技術確保測試過程中人身、電網(wǎng)、設備安全，改進后的硅鏈電壓自動調壓裝置及告警系統(tǒng)保證了正常運行時降壓及直流故障正確報警等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性實踐。充分融合后改變了以往相對碎片化的改造手段，提升了直流改造工作的安全和效率，在電網(wǎng)安全、供電可靠性、服務地方經濟以及推進電網(wǎng)技術及管理發(fā)展等方面體現(xiàn)了顯著的經濟效益。

參考文獻：

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[ 3 ] 國家能源局.國家能源局關于印發(fā)《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的通知[Z].2014.

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[5] 陳慶軍.直流設備檢修[M].北京:中國電力出版社,2010.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年10月期）