浅析水电站直流系统安全运行防控措施

杨 恒，庞希斌，宋太平，韩 轲，赵聚平

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 引言

在抽水蓄能电站中，直流系统为开关控制操作、继电保护及自动装置等系统提供电源[1]，直流系统的可靠与否，直接决定着电站能否安全运行，若其发生故障未及时处理，可能会造成大面积停电，甚至全厂停机，后果不堪设想。如2016年陕西某330 kV变电站因直流系统运维不到位，导致变电站起火爆炸，造成了大面积停电事故。

目前，我国的抽水蓄能电站直流系统的配置与能源局下发的25项反措要求还有差异，直流系统的运维精细化管控与上级单位管理要求还存在一定差距[2]，主要表现为：直流系统“两充一备”、交流串入检测功能不完善、直流接地、整流模块故障、绝缘检测装置异常、蓄电池电压异常等问题。故选取黑麋峰公司、张河湾公司、天荒坪公司等为调研对象，进行直流系统配置情况调研，统计缺陷设备、缺陷发生时间、频次等，从设计、安装、运维、检修等维度分析原因，并制定针对性预防措施，为直流系统运维及设备升级改造选型提供指导性建议。

2 直流系统配置概况及存在的问题

现场调研发现3个电厂直流系统布置较分散，相互之间距离较远，全站直流系统按供电范围一般设置3套，即：地下主厂房、开关站、上库分别各设置1套，分别对地下主厂房、开关站及下库、上库的用电设备提供直流供电电源。

抽水蓄能电站直流系统主要由蓄电池组、充电装置、直流馈电回路、绝缘监测装置等组成。2010～2016年，新源公司直流系统共发生直流缺陷630个。其中，蓄电池组缺陷发生率为7.14%、充电装置缺陷发生率为10.16%、直流馈电回路缺陷发生率为76.35%、绝缘监测装置缺陷发生率为6.35%。

由图1可知，直流系统缺陷主要集中在直流馈电回路，主要包括直流系统绝缘降低、直流回路接地两方面，另外蓄电池容量降低、充电模块故障也较常见。

图1 2010～2016直流系统缺陷统计

2.1 蓄电池组

某主厂房直流系统为密封阀控式铅酸蓄电池，型号为HZY2-1500，一共有2组，分别接入主厂房直流系统I、II段，每只蓄电池的标称电压2 V，使用GZDW高频开关电源模块为其充电，控制电源模块的中央控制器RM2201有均充和浮充两种充电模式，正常情况下为浮充状态，每3个月进行一次均充，均充和浮充为自动转化，均充电压为2.35 V，浮充电压为2.25 V。电池的设计寿命在理想情况下（20℃恒温）为10～18年，充电装置具备温度补偿功能，电池密封良好，未发生过充和过放，无气体溢出，无化学物质损失。

2.1.1 蓄电池组故障

从定期单电压测量和放电试验数据情况来看，主厂房蓄电池2014年来设备健康水平开始恶化，如表1、图2、图3所示。

表1 2014～2015年放电试验不合格蓄电池数量

图2 主厂房I组蓄电池第6 h的放电数据

图3 主厂房II组蓄电池第5 h的放电数据

通过2012年、2014年与2015年相同放电小时后的试验数据对比，发现随着运行年数的增加蓄电池单体电压绝大部分都有下降，从图中可以发现2014年蓄电池电压与2012年蓄电池电压比较接近，从2015年放电数据看劣化趋势愈加明显，且I组电池与II组电池保持同步劣化。

2.1.2 原因分析

（1）环境温度

电池的使用寿命与环境温度有很大关系，温度升高时，蓄电池的极板腐蚀将加剧，消耗更多的水，使电池寿命缩短[3]。阀控蓄电池高于25℃时，每升高6～9℃，电池寿命缩短一半，由于直流室相对封闭，而充电装置发热量较大，虽采取了通风和降温措施，但环境温度仍然维持在28℃左右，较理想的20℃偏高，降低了电池组的使用寿命。

（2）过充电

蓄电池充放电过程的化学反应公式表示如下：

在浮充情况下，氧气穿过隔板由正极板到负极板，并同负极板中的活性物质发生反应，生成氧化铅。氧化铅同硫酸反应生成硫酸铅。硫酸铅再与负极形成的氢气结合生成铅和硫酸。以上反应概括了气体再合成的过程，正常情况下气体再合成的效率为95%～99%。

环境温度升高，氧气和氢气再化合效率随充电电流增大而变小，过充电将使产生的气体不可能完全再化合，从而引起电池内部压力增加，当到达一定压力时，安全阀打开，氢气和氧气逸出，同时带出酸雾，消耗了有限的电解液，导致硫酸的浓度升高，使电池的自放电增加，加速了板栅的腐蚀，也促使二氧化铅的松散脱落，使蓄电池的循环寿命下降[4]。

（3）放电深度

电池的寿命与每次放电的深度有很大关系，化学物质无损失，放电深度为20%时电池寿命可达2000次循环，放电深度为100%时电池使用寿命为350次[3]。在进行深度放电时，单体电池的电压和容量都会出现不平衡的现象，完成深度放电后，整组电池中就会出现落后电池，当对电池进行恢复充电时，由于落后电池的化学物质不足，无法达到电压平衡的目的，下一次放电差异将会进一步扩大[5]。

2.2 直流系统绝缘监测仪

2.2.1 绝缘监测仪的工作原理

目前绝缘监测仪多采取双电源供电，其控制电源供电如图4所示。

图4中直流电源I、II的正极用正向并联的二极管D1和D3进行隔离，负极用反向并联的二极管D2和D4进行隔离，在正常情况下只要两回电源的电压完全一致，没有出现波动，则两回电源就不产生影响[6]。

图4 双电源供电系统控制电源供电图

监测仪自动巡回检测直流系统的电压和电阻，当母线对地绝缘电阻降低时，装置自动报警，如果支路的漏电流超过限定值2 mA，装置自动报警。绝缘监测仪的直流传感器套接在直流支路上，它与直流系统没有任何电的联系，不影响直流系统的运行；在不发生接地时，支路KM流出的电流I1=I2，此时传感器所感应到的电流差为0 mA，绝缘监测仪不会产生告警。当发生了如图5所示的直流110 V系统接地情况时，则此时：

如此实现了直流支路的接地监测。

图5 双电源供电回路直流接地示意图

当使用环路供电时（两路开关的输出馈线都接在一个负载上，并且两路同时供电），由于很难保证两条环路的线路电阻对称相等，导致每个传感器上所检测到的磁通大小不同方向相反，即便该环路没有绝缘过低，只要负载上有电流流过，环路上的两个传感器就会报警，并且报警是恒定的，不会消失。

2.2.2 原因分析

当直流系统两段出现不同程度的接地后，两路电源之间将出现环流供电的现象，这样容易出现电压的叠加，导致负载过电压，同时还产生接地告警，环路不间断的供电，如果直流系统电压稳定，这样的供电方式是可靠的。但是任何直流系统都不能保证两段对地电阻完全相同，也不能保证系统不发生接地现象。

2.3 直流接地

2.3.1 放电仪工作电源混入直流系统

某厂曾发生过合上蓄电池放电仪开关时，发生了10 kV进线开关310、320跳闸事件，对报警信息分析，初步确定是由于直流系统充放电试验引起跳闸。现场检查发现试验前直流系统负极和蓄电池负极电压相等，对放电仪进一步分析，在稳压电源输出电压为DC±58 V的基础上，接上放电仪电缆，用数字示波器测量放电仪对稳压电源的影响。

（1）当放电仪AC 220 V开关和放电仪电池组开关都为分闸时，测量稳压电源的电压

V正对地=58 V V负对地=-58 V

（2）当放电仪AC 220 V开关分闸但放电仪电池组开关合闸时，测量稳压电源的电压

V正对地=45.7 V V负对地=-45.7 V

（3）当放电仪AC 220 V开关合闸但放电仪电池组开关分闸时，测量稳压电源的电压

V正对地=57.8 V V负对地=-57.8 V

（4）当放电仪AC 220 V开关合闸和放电仪电池组开关合闸时，测量稳压电源的电压

V正对地=129 V V负对地=-129 V由以上的试验数据可得出如下结论：当AC 220 V开关合上而放电仪电池组开关分时，稳压电源电压基本保持不变。

当AC 220 V开关分而放电仪电池组开关合时，稳压电源的正负极电压都有12.3 V的下降，所以如果是接入到直流系统中表现为正负极电压的绝对值都下降。

当AC 220 V开关合而放电仪电池组开关合时，造成稳压电源的正极电压升高，负极电压的绝对值也升高。

综合以上试验数据得出：直流系统的蓄电池负极通过2ZK1接入系统负极，而蓄电池的正极与系统分开，当合上放电仪AC 220 V开关和放电仪电池组开关时将造成负极电压下降正极电压上升，10 kV系统控制电源正负极电压不正常发生接地，导致10 kV进线开关310、320跳闸。

2.3.2 母线联络开关合闸

某厂曾发生地下直流系统II段绝缘低告警，随即复归，上位机告II/III段母线联络开关304合闸。现场检查联络开关304确在合闸位置，直流系统II段15支路接地告警，漏电流为-3.1 mA。15支路为10 kV II段开关控制电源2KM9。拉开直流系统10 kV II段及III段的储能电源开关及控制电源开关，对直流电缆摇绝缘，摇测结果均大于500 MΩ。

现场模拟直流系统接地状态，试验304开关的动作情况发现：

304开关在试验位置，分闸，闭锁条件满足：解开X3：12端子，将304开关控制电源正极瞬时接地，动作结果：304未动作，其他开关未动作。

304开关在试验位置，分闸，闭锁条件满足：恢复 X3：12端子，解开 X3：13端子，将304开关控制电源正极瞬时接地，动作结果：304合闸，其他开关未动作。

从试验中可以看出，304开关合闸为保护回路因直流接地导致误动，REF542保护装置受直流接地干扰，存在误动现象。但304开关在工作位置，由于合闸闭锁条件满足，开关不会合闸；开关在合闸位置，直流系统接地未引起开关误分现象，因此在直流系统控制电源系统中存在另一处接地，从而形成了两点接地，故导致了304开关动作。

2.3.3 5001跳闸事件

某电厂更换完开关站直流系统I段1ZM1模块，更换模块显示正常。不久直流系统I/II段中央控制单元报交流失压报警，接着新更换模块内发生爆炸；查询得知500 kV 5001断路器跳闸，5001断路器保护装置动作，根据现场设备的检查分析得知，是由于1ZM1模块故障引起开关站直流系统1号段电压异常造成用于5001开关操作箱第2组跳闸的继电器误动作。

经技术人员对设备进行检查和分析，对于5001开关误跳闸得出以下分析及结论：1号、2号发变组保护5001开关跳闸II回路至5001开关操作箱II组跳闸的电缆长度超过400 m，属于长电缆，对地分布电容较大，当开关站直流系统I段1ZM1模块故障引起直流系统电压异常，对地形成电容电压，达到继电器线圈动作电压，造成5001开关操作箱用于第2组跳闸继电器误动作，从而导致5001开关误跳闸。

2.3.4 50016跳闸分析

某日某电厂上位机报“1号机主变高压侧无压”信号，紧接着显示“隔离开关50016位置分闸”，现场检查发现主厂房直流系统正极母线电压为27 V，正极发生了接地现象。对地下50016分闸回路进行检查发现由监控LCU6分50016的电缆发生了接地，对地电阻为500 Ω，该点为直接接在分闸回路的负极上。在对50016闭锁回路进行分析中发现50016刀闸根据现场的设备运行状态，闭锁是被解除的，且50016刀闸的闭锁回路未加入与5001断路器的闭锁关系。

根据以上情况可以得出结论，由于直流系统控制电源存在正极接地，而在50016分闸回路中存在负极接地，从而造成了两点接地，且闭锁逻辑满足条件，所以50016刀闸有偷跳。

3 防控措施

3.1 直流系统蓄电池组

（1）蓄电池在放电过程中要考虑到整组电池的电压平衡，避免小电流深度放电或过放电[7]。

（2）进一步采取降温措施尽可能使电池室的环境温度在20～25℃的范围内[8]，①能避免极板的老化；②能使电池在额定条件下运行；③能有效提高氢气和氧气的重新化合能力。

（3）将主厂房两组蓄电池进行有效物理隔离，防止两组电池故障后互相影响[9]。

（4）及时清理蓄电池表面及接线柱，防止电池自放电现象[10]。

（5）做好蓄电池单体电压定期测量工作，对于浮充电压低于2.2 V的蓄电池加强监视，如持续下降，对其更换。

3.2 双电源供电回路

采用允许长期带电的直流继电器进行切换（图6），当I路直流电源有效时，则选择I路直流电源进行供电，当I路电源失电后继电器复归，其常闭触点接通，II路直流电源供电，两路直流电源彻底隔离，直流系统不会产生因环流而造成的误告警，同时克服了负载的过电压供电。此外在回路中加装了一个小型的UPS（不间断电源），维持继电器的辅助触点在切换的过程中保证负荷侧的电压短时间不变，在继电器复位成功以后直流电源II开始给负荷供电，同时给UPS充电，两路直流电源没有发生相互影响的现象，因此不会造成绝缘监测仪误发告警信号，也不会给直流系统造成过电压，而且由于UPS的不间断供电的使得负荷能够不断电。

图6 双直流电源供电回路优化

3.3 直流接地缺陷防控措施

（1）在电缆选型的时候要选择性能优越、质量可靠、运行稳定且具有良好售后服务的厂家所提供的设备。某厂型号为ZR-KVVP2-22电缆曾多次接地，经过对电缆的分析发现是由于电缆自身的屏蔽线造成了电缆的绝缘降低[11]。

（2）如果接地发生在控制或保护回路，应通知保护人员协助，查找接地要慎重，断开电源前，要采取防止保护误动的措施，如退出出口压板等[12]。

（4）查找直流系统的接地时应注意：查找时应谨防造成短路和造成另一点接地，应使用高内阻电压表进行测量[11]。

（5）在直流系统电压异常时，如有微机保护的电源自动切除，异常排除后，恢复电源重新启动前，应做好防止保护误动措施。

（6）由于直流系统中很多负荷属于会影响机组运行的重要负荷，因此处理直流系统故障时最好选择机组停机时进行。

4 结语

本文对抽水蓄能电站典型直流系统缺陷进行了分析、处理研究，并提出了预控措施，为直流系统的设计提供了参考。结合电站运行的经验，对直流系统配置提出了改进措施，其研究思路和成果可为后续研究提供基础，具有较好的参考意义。在抽水蓄能电站社会责任越来越重大的背景下，有利于电站的安全稳定运营，更好的服务电网、服务社会，确保社会的长治久安。

由于直流系统典型缺陷原因多样，难以一一剖析，加之水平有限，本文总结出的针对性预防措施及设备运维、升级改造建议存在一定局限性，需在后续工作中进一步完善。