变电站直流系统母联开关的运行特点及位置判断

2022-02-28胡怡

技术与市场 2022年2期

胡怡

(广东电网有限责任公司惠州供电局，广东惠州 516000)

1 变电站直流系统运行情况

近年来，随着我国经济的不断发展，电力需求也相应地逐步提升，为解决人民日益增长的生活需要与电力发展不平衡之间的矛盾，在“十四五”期间，国家大力推进完善电网架构，大力推进变电站的规划及建设[1-2]。为了维护电网运行安全，提升变电站的运维管理尤为必要。变电站直流系统是站内重要的保护、测控等装置的电源，一旦直流母线失压，有可能会发生保护拒动的现象，严重影响电力安全，因此必须保障直流系统稳定可靠的供电。

目前，在广东电网变电站的直流系统通常采用双电双充模式，两段直流母线中的任一一段母线，都分别配置一组蓄电池组及充电模块，如图1所示。可以看出在母联开关断开情况时，两套直流系统相互独立，不存在相互干扰的情况。常规情况下，交流电源经由高频整流模块转变为直流电源输出，而蓄电池组则是作为应急电源，仅是在交流电源失电的情况下，能够起到及时补充直流电源的作用，给站内重要的直流负荷输出电能。

图1 变电站双电双充直流系统

其中蓄电池组是直流系统最为可靠的电源，现变电站多采用阀控式铅酸蓄电池组[3]，属于电化学蓄电池组，通过内部活性物质铅及硫酸铅发生化学反应，从而完成化学能到电能的转换。阀控式铅酸蓄电池因其容量大、维护量小的优势在变电站直流系统得以广泛应用。蓄电池组是极为可靠的直流电源，承担着常规电源失效的后备作用。因此在蓄电池使用时，特别需要注意其运行状态，以防止出现蓄电池开路等威胁系统运行安全的故障。

对于阀控式铅酸蓄电池而言，其内阻由极化电阻及欧姆电阻组成，欧姆电阻主要是蓄电池中的极板、极柱及电解液等部分的电阻，而极化电阻是由于电池中所存在的浓度差异及发生的化学反应所引起的电阻。内阻大小是判断阀控式铅酸蓄电池组老化的重要指标，蓄电池老化会伴随着其内阻的上升。同样，温度是影响阀控式铅酸蓄电池性能的重要参数。阀控式铅酸蓄电池在充放电过程中会产生较大热量，导致温度上升，加速电池内部水分解，产生大量气体。早期该类电池被认为是免维护的电池，不需要人员进行相关校验及操作，但在后期运行过程中，相关人员发现由于该类电池容量是与活性物质的浓度等直接相关，但与直观的电压、电流及电阻数据并不存在明显的关联，因此在正常运行状态下人员是很难以直接手段了解其具体容量。因此为了明确阀控式铅酸蓄电池组的容量，通常在一定时间内需要对其进行核对性放电，目前按照规程要求，新投运电池在4年内需要2年进行一次核对性放电，而运行时长超过4年后，需要每一年都对电池容量进行测试。为了明确监测电池容量，确认电池的状态，核对性放电要求电池在放电过程中必须退出原母线，从而可以准确控制电池以一定的电流均衡放电。为了保障母线的稳定供电，一般通过合上母联开关的方式，以一组蓄电池组作为两段母线的电源，这就要求母联开关的合位位置必须可靠，同时位置便于识别和判断。

2 直流系统母联开关形式

目前变电站的母联开关的设置除了两段母线之间直接用于合闸的类型，早期也有与蓄电池组输出开关混用的情况，即是蓄电池输出开关是同时兼作母联开关使用，具体形式如图2所示。当将蓄电池输出开关切换至合闸另一段母线时，会出现母线短时掉电的现象，这是早期设计的弊端。目前新设计的变电站都是采用独立母联开关的设计，在倒闸操作时，通过合上母联开关，可以确保两段直流母线有蓄电池组作为稳定可靠的电缆。

图2 直流系统母联开关形式

在日常运行中，如果母联开关合上，2套直流系统的蓄电池组会出现并列运行的情况，当2组蓄电池组压差较大时，会出现环流，对电池组容易造成冲击，因此正常运行时，直流系统的母联开关应始终保持断开状态。

3 直流系统母联开关状态检测方法

母联开关作为直流系统中重要的部件，其位置状态需要实时监控并确认。现有的母联开关通常会配置位置辅助接点，接点连接至直流系统监控装置或开关量采集模块等，实时确认母联开关位置，但辅助接点的相关接线仍然存在故障短接等风险，并且早期直流系统母联开关并没有辅助接点的配置，如果需要增加该接点，必须更换母联开关，改造难度较大。

由于母联开关仅在一段直流母线需要退出运行时才进行合闸，因此目前的母联刀闸位置的判断方式是通过在合上母联开关后，将其中一段直流母线转为均充模式，只要直流母联开关在合位，那么相应的另一段直流母线的电压会因此升高。但这种方法仍存在一定的风险，首先是操作步骤较为复杂，要求人员首先掌握蓄电池均浮充转换的方式，同时必须在确认完毕后，及时将蓄电池切换为浮充状态，以防止蓄电池长期处于均充状态，出现过热现象，蓄电池热老化加重，甚至出现热失控现象。因此在进行倒闸操作时，必须严格按照规定要求进行操作，执行均浮充转换，确认电压情况。这类方法操作较为复杂，判断方式不够直观，同时有误操作监控系统的风险，因此亟需一种更加灵活、方便辨识母联开关位置的方法。

由于充电模块是通过将交流输入经整流为直流，再经通过高速电子开关变成高频率的交流，通过变压器再经过整流输出另一种电压的直流电源，其转换过程如图3所示。可以看出在充电模块中，发生了交-直-交-直的转换，这是由于初始三相交流经整流后的直流无法达到输出要求，经过后续的高频交-直转换，直流输出更为稳定。

图3 充电模块转换过程

但是在整流逆变再整流的过程中，并不能完全消除交流分量，在实际测量过程中，直流母线的电压往往会存在一定的交流分量，只是其数值较小。以某站直流母线为例，经过实际对直流电压测量，检测到母线会有几十毫伏的交流电存在。如图4所示，是通过电压采集装置测量两段直流母线时长为20 min的交流电压曲线，从图中可以看出，两段直流母线电压的交流分量在15～25 mV变动，但随机性较大，没有明显的规律性可言，可能与充电装置本身运行状态及交流进线的电压情况有关系，由于两段母线充电装置不同，同时两段直流母线的充电装置多采用不同源的交流进线，因此直流母线之间的交流分量并不相同。

图4 直流母线交流分量电压

基于上述直流母线所存在的这一特点，可以考虑采集两段直流母线的交流分量进行比较，当母联开关确定在合位时，两段交流分量必然相同。采集两段直流母线电压时，以隔直装置来设置，通过交流分量来进行分析。为了避免电压的不稳定性对判定结果的干扰，可以增加检测比较次数来保障母联开关的准确性，比较判断母联开关位置，通过声光报警告知人员当前母联开关位置，便于运维人员高效快捷地处理故障。