集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置的研制*

*基金項(xiàng)目：2021年國(guó)家電網(wǎng)公司研究開(kāi)發(fā)費(fèi)項(xiàng)目計(jì)劃（群創(chuàng)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）(5211JX210019)資助

作者簡(jiǎn)介：盧思瑤（1991—），女，江蘇泰州人，工程師，從事變電運(yùn)檢工作。

摘要：本文介紹了集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置的研制過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)合母及蓄電池組電壓降壓至控母電壓；實(shí)現(xiàn)電流電壓監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)將異常信號(hào)實(shí)時(shí)接入后臺(tái)及就地告警；擁有單一直流饋電屏所沒(méi)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(kāi)負(fù)荷；同時(shí)，增加降壓硅鏈強(qiáng)制并聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)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(cè)、降壓、告警、指示、電流電壓監(jiān)測(cè)及饋電六大模塊。在實(shí)際推廣應(yīng)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(yùn)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(hào)回路、繼電保護(hù)、自動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的安全，盡管直流電源十分穩(wěn)定可靠，但實(shí)際應(yīng)用中，目前嘉興110 kV 及以下電壓等級(jí)的變電站，直流電源系統(tǒng)一般均設(shè)置一套，隨著運(yùn)行時(shí)間久遠(yuǎn)，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(shè)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(yùn)行狀況的好壞直接關(guān)系到變電站二次系統(tǒng)能否正常工作，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響^[1-5]。

因此，及時(shí)對(duì)直流電源系統(tǒng)升級(jí)改造就顯得尤為重要，適時(shí)的對(duì)老化嚴(yán)重的直流系統(tǒng)進(jìn)行改造，不但可以提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，也可以節(jié)約日常運(yùn)行維護(hù)的人力、物力資源。但是因場(chǎng)地空間受限或控制、裝置電纜長(zhǎng)度不夠等原因，直流充饋電屏無(wú)法實(shí)現(xiàn)易地更換改造，并且針對(duì)用電單位對(duì)供電要求較高，全站設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足全部停電要求，改造工程需進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)供，但改造過(guò)程中存在整站保護(hù)及自動(dòng)化裝置失電引起裝置誤動(dòng)甚至癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)，因此改造過(guò)程中直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置的應(yīng)用就顯得尤為重要。

為此，本文對(duì)當(dāng)前變電站直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置開(kāi)展分析研究，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析以及反復(fù)論證，從4個(gè)薄弱點(diǎn)著手開(kāi)展創(chuàng)新應(yīng)用，從而進(jìn)一步提高工作效率，精益化管理生產(chǎn)隊(duì)伍，提高供電服務(wù)質(zhì)量。本文的創(chuàng)新點(diǎn)為：①裝置高度集成化、小型化，節(jié)省大量組裝拆接時(shí)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(cè)裝置，確保負(fù)荷轉(zhuǎn)供期間的安全；此外，加入本地聲光告警以及后臺(tái)告警功能，當(dāng)改造過(guò)程中有任何告警會(huì)提醒檢修及值班人員及時(shí)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(hù)，三者均可提供電源。④擁有單一直流饋電屏所沒(méi)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(kāi)負(fù)荷。降壓硅鏈可方便拆卸更換，且適用于直流系統(tǒng)各種運(yùn)行方式，增加了降壓硅鏈強(qiáng)制并聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)單母線系統(tǒng)此裝置也依然適用。

1   現(xiàn)狀分析

近年來(lái)，電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)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(duì)應(yīng)的，檢修人員數(shù)量變化不大。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)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(yùn)行10多年，設(shè)備嚴(yán)重老化，且無(wú)備件更換，直流系統(tǒng)改造任務(wù)勢(shì)在必行。根據(jù)年度工作計(jì)劃，新建變電站及老舊變電站直流改造工程日益增多。針對(duì)變電站直流系統(tǒng)改造工程的用戶(hù)需求進(jìn)行調(diào)研，用戶(hù)及公司提出直流負(fù)荷轉(zhuǎn)供11 h（660 min）保證投入的需求，確保用電質(zhì)量。目前，直流改造缺少必要的直流電源轉(zhuǎn)接裝置，所需裝置笨重繁雜且重復(fù)拆接線導(dǎo)致工作流程復(fù)雜，工作效率低下；改造過(guò)程中典型電磁繼電器絕緣監(jiān)察裝置存在固有缺點(diǎn)，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(dòng)調(diào)壓裝置都為固定式，在改造過(guò)程中對(duì)不同電壓等級(jí)的直流系統(tǒng)不通用。當(dāng)二極管開(kāi)路或者損壞時(shí)，整個(gè)直流系統(tǒng)控制母線都將失電，影響直流系統(tǒng)安全運(yùn)行。當(dāng)直流系統(tǒng)為單母線系統(tǒng)時(shí)，無(wú)法提供正常的控制母線電壓；在改造現(xiàn)場(chǎng)或者改造中斷后，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)改造人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作需要設(shè)計(jì)了一種集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置，其具備電源接入、降壓、實(shí)時(shí)報(bào)警、饋電、電壓電流顯示等功能，實(shí)現(xiàn)直流改造中負(fù)荷轉(zhuǎn)供工作，保障內(nèi)外顧客實(shí)際需求，應(yīng)用前景廣泛。

2   制定方案

從直流電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接饋電裝置應(yīng)具備：①實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)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(bào)警；③電流電壓監(jiān)測(cè)功能；④準(zhǔn)確輸出直流饋電等功能，基于以上功能，裝置應(yīng)具備降壓模塊、指示模塊和饋電模塊。此外，為了更好滿(mǎn)足工作安全性，考慮配備直流絕緣檢測(cè)和告警功能；為了提高工作效率，增加可視化模塊，即各種測(cè)量?jī)x表，便于對(duì)比參數(shù)是否一致。

根據(jù)直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置的實(shí)際功能設(shè)定，對(duì)應(yīng)的裝置應(yīng)具備直流絕緣檢測(cè)、降壓、告警、指示、電流電壓監(jiān)測(cè)以及饋電六大模塊，應(yīng)具有電源接入、降壓、實(shí)時(shí)報(bào)警、饋電、電壓電流值顯示等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源的轉(zhuǎn)接工作。

圖1 直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置模塊劃分

通過(guò)將各個(gè)功能模塊集成化且一體化實(shí)現(xiàn)一次接線、一個(gè)裝置完成直流電源轉(zhuǎn)接，大幅縮短技改時(shí)間，提高了工作效率。

3   方案實(shí)施

通過(guò)對(duì)方案的細(xì)化分解，通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析最終確定細(xì)化后方案如圖2所示。

圖2 方案細(xì)化分解圖

步驟1 依據(jù)目標(biāo)：①直流絕緣檢測(cè)裝置采樣穩(wěn)定，誤差不超過(guò)5%；②常規(guī)故障點(diǎn)查找時(shí)間不超過(guò)10 min；③完成直流絕緣檢測(cè)模塊中微機(jī)型裝置或繼電器型裝置的選擇。進(jìn)一步選?。孩俳拥仉娮柚挡蓸诱`差；②裝置重量及價(jià)格，選型采購(gòu)電源模塊，查詢(xún)相關(guān)直流絕緣檢測(cè)裝置型號(hào)，確保滿(mǎn)足要求。

步驟2 依據(jù)目標(biāo)：①降壓硅鏈降壓穩(wěn)壓精度不超過(guò)2%；②合適的質(zhì)量和體積，完成降壓模塊選擇，對(duì)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(biāo)：①直流系統(tǒng)異常確定時(shí)間不超過(guò)10 min；②異常傳達(dá)準(zhǔn)確率。對(duì)比就地+ 遠(yuǎn)程式模式及遠(yuǎn)程+ 手機(jī)通信式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選擇就地+ 遠(yuǎn)程式模式，確保滿(mǎn)足要求。

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

步驟5 依據(jù)目標(biāo)：①數(shù)據(jù)讀取誤差小；②讀取時(shí)間短。選型采購(gòu)電流電壓測(cè)量模塊，確保滿(mǎn)足要求。

步驟6 依據(jù)目標(biāo)：①開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗪蠡謴?fù)時(shí)間不超過(guò)10 min；②機(jī)械壽命長(zhǎng)；③完成熔斷開(kāi)關(guān)和空氣開(kāi)關(guān)的選擇。進(jìn)一步選?。孩賹?duì)開(kāi)關(guān)通以5In、10In、50In 的電流，斷開(kāi)時(shí)間不大于100 ms；②穩(wěn)定性高，滅弧性能滿(mǎn)足要求；③完成直流空氣開(kāi)關(guān)和交流空氣開(kāi)關(guān)的選擇。選型采購(gòu)直流饋電模塊，確保滿(mǎn)足要求。

最終完成以下集成式直流絕緣檢測(cè)裝置，其總原理框圖如圖3。

圖3 集成式直流絕緣檢測(cè)裝置原理框圖

4   效果檢查

通過(guò)裝置不同模塊間的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級(jí)直流系統(tǒng)合母及蓄電池組電壓降壓至控母電壓；實(shí)現(xiàn)電流電壓監(jiān)測(cè)、直流接地監(jiān)測(cè)、交流竄入監(jiān)測(cè)過(guò)壓、欠壓監(jiān)測(cè)等功能，并將異常信號(hào)通過(guò)硬接點(diǎn)和RS-485 接口接入后臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)后臺(tái)及就地告警；擁有單一直流饋電屏所沒(méi)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(kāi)負(fù)荷。降壓硅鏈可方便拆卸更換，各個(gè)電壓等級(jí)變電站適應(yīng)性強(qiáng)，且適用于直流系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行方式，增加了降壓硅鏈強(qiáng)制并聯(lián)隔離開(kāi)關(guān)，對(duì)單母線系統(tǒng)此裝置也依然適用；同時(shí)，提供蓄電池電壓、蓄電池電流、控母電壓、總負(fù)荷電流監(jiān)測(cè)功能。

圖4 裝置實(shí)物圖

1）在安全方面。為保證成果安全、可靠投入使用，對(duì)裝置的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)100% 合格。在多處現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中效果良好，經(jīng)相關(guān)部門(mén)認(rèn)證，該裝置在安全、質(zhì)量、管理、成本等方面均無(wú)負(fù)面影響。

圖5 裝置現(xiàn)場(chǎng)使用情況

2） 在效率方面。采用集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置后，使得變電站負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)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(guò)編寫(xiě)編制《集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置作業(yè)指導(dǎo)書(shū)》、《集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置使用說(shuō)明書(shū)》、對(duì)檢修人員開(kāi)展直流裝置專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)、圖紙歸檔等方法進(jìn)行成果鞏固。并通過(guò)培訓(xùn)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(zhuān)利已授權(quán)：CN110277779B《一種用于臨時(shí)替代直流屏的供電裝置》；實(shí)用新型專(zhuān)利已授權(quán)：CN212114877U《一種蓄電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置》。集成式直流電源轉(zhuǎn)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(nèi)代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流改造負(fù)荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接饋電裝置能夠適應(yīng)更多變電站建設(shè)工程的需要，應(yīng)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(jié)束語(yǔ)

本文研制的集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置，其關(guān)鍵技術(shù)是公司在以下方面開(kāi)展創(chuàng)新應(yīng)用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，包括：對(duì)嘉興電網(wǎng)乃至系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)兄弟企業(yè)的變電站直流系統(tǒng)改造工作全面調(diào)研；對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)接工作深度研究，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)分析；梳理日常工作過(guò)程中存在的斷層，通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析及反復(fù)論證集成化、一體化直流饋電轉(zhuǎn)接裝置、絕緣監(jiān)察裝置、硅鏈電壓自動(dòng)調(diào)壓裝置的薄弱點(diǎn)。

從國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)的情況來(lái)看，本文成果所述集成式直流電源轉(zhuǎn)接饋電裝置為國(guó)內(nèi)首臺(tái)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(guò)變電站充饋電屏的發(fā)明原理實(shí)現(xiàn)一臺(tái)裝置一次拆接線完成多項(xiàng)電源負(fù)荷轉(zhuǎn)接內(nèi)容，多維智能防護(hù)技術(shù)確保測(cè)試過(guò)程中人身、電網(wǎng)、設(shè)備安全，改進(jìn)后的硅鏈電壓自動(dòng)調(diào)壓裝置及告警系統(tǒng)保證了正常運(yùn)行時(shí)降壓及直流故障正確報(bào)警等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性實(shí)踐。充分融合后改變了以往相對(duì)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(wù)地方經(jīng)濟(jì)以及推進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)及管理發(fā)展等方面體現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 國(guó)家能源局.中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直流電流系統(tǒng)用測(cè)試設(shè)備通用技術(shù)條件(DL/T 1397.1—2014)[S].

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[4] 國(guó)家電網(wǎng)公司.國(guó)家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)直流電流系統(tǒng)用測(cè)試設(shè)備通用技術(shù)條件(Q/GDW 1901.2013)[Z].2014.

[5] 陳慶軍.直流設(shè)備檢修[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）