PGD8直流及逆变电源系统在高港枢纽的应用

2023-07-02王宇凡吴鹏鹏黄蔚徐年根江苏省泰州引江河管理处

珠江水运 2023年11期

王宇凡吴鹏鹏黄蔚徐年根江苏省泰州引江河管理处

1.引言

泰州引江河是江苏省东部地区引江供水口门，也是南水北调东线的水源工程之一，工程南起长江，北接新通扬运河，全长24km，主要工程作用为灌溉、排涝及调节水生态环境。高港枢纽距长江1.9km，是泰州引江河连接长江的口门控制建筑物，由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、一二线船闸以及110kV变电所等组成，其中泵站选用叶轮直径3m的立式开敞式轴流泵9台（设计流量35m3/s，设计扬程4m），配TL-2000型同步电机9台，总装机容量18000kW。2020年底，高港泵站管理所对直流及逆变电源系统进行改造，新系统采用浙江三辰电器有限公司的PGD8智能型直流电源屏及逆变屏，目前为止运行正常，安全可靠。

2.PGD8直流及逆变电源系统的组成

高港泵站直流装置采用PGD8-IV-180-220+30kVA型总线式智能直流屏，由高频开关整流模块、可编程控制器（PLC）、蓄电池组、SCMK母线电源控制器、蓄电池自动监测装置、母线调压装置、中央监控装置（触摸屏）、预告信号装置、防雷器等组成。另设置逆变屏，由直流母线引出经SCUPS-220-30kVA型正弦波逆变器提供稳定不间断的交流220V电源，供给监控系统、SF6储能等，以下为直流及逆变电源系统的主要组成部分。

2.1 中央监控装置

中央监控装置主要功能有显示、设置、控制、告警、通讯、电池管理等。便于值班人员了解此系统的所有运行状态。

2.2 AD整流模块

高频开关整流模块采用智能风冷的散热方式，功率密度高，占用空间少，主要功能是实现AC/DC变换，还有控制、保护、通信、告警等功能。模块内置微处理器，能自动独立完成对模块自身控制，同时接受中央监控装置的监控与管理。支持带电热插拔，扩容、维护方便。

2.3 母线调压装置

调压装置串接在整流模块和控制母线之间，整流模块通过降压硅链向控制母线供电，即将市电243V调压为220V，同时调压装置和连接到控制母线的整流模块一起构成控制母线电源的双备份，提高控制母线供电的可靠性。

2.4 直流配电模块

EDU01作为直流配电监控单元完成直流信号采集、硅链降压控制以及母线绝缘检测等功能。

2.5 SCMK母线电源控制器

绝缘监测继电器实时监测直流母线的绝缘情况，能判断母线电压是否过高、过低以及绝缘是否下降到<20kΩ，当出现上述情况发出告警信息。

2.6 可编程控制器（PLC）

采用的是SIMATIC S7-200 SMART（CPU ST20），具有采集数据、控制系统、管理电池、故障显示等功能，值班人员可在触摸屏查看控制。

2.7 开关电源 HDR-60-24

输出直流电压24V，给PLC等供电。

2.8 蓄电池组

电池组采用的是德国阳光A412-180AH阀控式铅酸蓄电池，共18只。该蓄电池具有免维护、无腐蚀、容量大、大电流放电性能优越、自放电率低等特点，此电池在充放电过程中安全可靠，反应效率高，各个电池可在直流屏实时显示状态。

2.9 逆变电源

逆变屏采用的是SCUPS-220-30kVA型正弦波逆变器，具有自我检测、保护、高品质正弦波输出和抗电磁干扰功能，可向微机、通讯、事故照明及其他重要设备供电。

3.PGD8直流系统的工作原理

3.1 直流系统主要工作原理

工作原理见图1，即高港枢纽直流及逆变电源系统的交流电均取自低压柜，在正常工作状态下，旁路220V经过逆变电源的交流输出，给微机采集柜、微机屏操作站、全自动化采集仪、厂房微机控制、SF6储能、微机控制、视频控制柜供交流电，而交流380V经过AD高频开关整流模块，转化为直流243V，一路经过VC调压装置，变为直流220V向控母负载供电，一路向合闸负载供电，一路向电池组供电。当在失电状态下时，一方面电池组向控母及合闸负载供电，另一方面电池组向逆变电源供电，通过转化为220V交流电向负载供电。其中高港泵站直流电源供给控母负载及合闸负载，包括微机系统、可控硅、SF6开关控制、191开关控制电源、上游闸门控制、下游闸门控制、上游闸门电磁铁、下游闸门电磁铁、10kV控母、10kV储能、电磁锁。高港泵站交流电源供给微机采集柜、微机屏操作站、全自动化采集仪、厂房微机控制、SF6储能、三楼微机控制、视频控制柜等负载。

图1 PGD8直流系统工作原理图

3.2 逆变系统具体工作方式

市电正常时，市电经输入隔离变压器、整流器、滤波器变换成稳定的直流电，再通过逆变器、正弦波滤波器、隔离变压器逆变出纯净的正弦交流电，通过逆变静态开关切换到输出。

市电异常时，蓄电池组向逆变器供电，通过逆变输出，得到纯净的正弦交流电，由逆变静态开关切换到输出。

逆变器出现异常时，可转换为旁路运行，旁路市电由旁路静态开关输出。

逆变器出现故障检修时，合上检修开关，可以使逆变器脱开电源，进行检修、维护。

逆变屏原理图见图2。

图2 逆变屏原理图

4.直流屏通讯协议（符合MODBUS规约）

PGD8 通过与上位机通讯的RS485接口，将遥测、遥信数据实时上传至后台计算机，运行人员可以及时监视直流屏的运行情况，同时可在后台计算机遥控整流模块，遥调直流屏的设定参数。PGD8作为MODBUS从机，支持MODBUS 1、2、3、4、5、6、16号等功能。

6号功能（遥调、遥控）见表1。

表1 6号功能（遥调、遥控）

3号功能（遥信、遥测）见表2。

表2 3号功能（遥信、遥测）

5.直流系统蓄电池组定期试验

根据DL/T 724-2021《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》及泵站相关作业指导书，开展蓄电池充放电试验。

5.1 放电前准备工作

直流室室内温度、湿度保持在合理区间，且通风、照明良好。直流室设“严禁烟火”标志牌，并配备相应的消防器材。

试验人员检查蓄电池外观是否异常，如渗液、鼓包。各蓄电池之间的连接应无误、紧固、牢靠。试验人员熟悉直流系统原理图，了解规程及相关作业指导书。试验人员在试验开始前向其他成员详细讲解蓄电池充放电的步骤、内容及各安全注意事项。

蓄电池充放电期间，现场必须做好安全措施，无关人员不得逗留现场。蓄电池充放电期间如遇电池损坏后酸溅至身体部位，尤其是眼睛时，应立即用活水清洗，必要时立即就医。

5.2 蓄电池充放电步骤

试验人员首先测量蓄电池组端电压，紧固每只电池的两个螺丝，测量每个电池的初始电压和初始内阻。其次将下面一排除微机保护、微机监控、10KV控制母线开关不分其余均分掉，上面一排4个开关（Ⅰ路交流进线开关、Ⅱ路交流进行开关、合闸交流进线开关、合闸母线输出总开关）全分掉，分低压室直流屏电源。最后准备放电电阻，先将电阻调到最大，将放电电阻接入回路，并合上开关，调节电阻，根据电池容量和放电时间确定放电电流，开始放电。放电后试验人员每小时巡视2～3次，当电池在12V以上的时候，一个小时记录一次数据，当在12V以下的时候，半小时记一次，当有单只电池电压到11.7V左右的时候停止放电，拆除电阻，将之前分掉的开关合上。

当电池开始充电，先均充4～5小时，再转浮充3～4小时，再静止2～3小时，然后进行测量，查看单只电池电压是否高于13.5V，内阻是否在7mΩ左右。对单只电池，若电池只到12V，则可单独充放，放至10.8V，然后再充，至11.2V左右注意观察，防止突降，重复三次后仍无法到13.5V，则电池需更换。

根据相关规范，蓄电池充放电试验需反复放充两次。

5.3 高港泵站蓄电池充放电试验过程记录

2022年3月17日，试验人员对直流蓄电池组进行第一次充放电试验，9:15开始放电，至14:15放电完毕，放电电流为18A，放电时间为5h，电池温升正常，未发现有电压不正常下降的蓄电池，电池最低电压为12.162V。充电试验由14:15开始进行，至21:15充电完毕，蓄电池电压244.3V，蓄电池各充电数据正常，电池温升正常。

2022年3月25日，试验人员对直流蓄电池组进行第二次充放电试验，9:15开始放电，至14:15放电完毕，电池最低电压为12.147V。充电试验由14:15开始进行，至21:15充电完毕，蓄电池电压244.4V。

经上述两次蓄电池充放电试验，判断蓄电池组合格，可正常使用。

2022年3月17日蓄电池放电测量记录见表3。

表3 蓄电池放电测量记录表

6.直流系统主要故障处理

直流系统常见的故障包括绝缘不良、一点接地、正负极接地、电源系统失电、逆变异常等，以下介绍的是近两年主要发生的故障处理过程。

6.1 逆变器故障

2022年某日，逆变屏提示逆变异常，如图3，为了排除是否误报，技术人员将系统调至逆变模式，结果显示异常。因此为了保障工程正常运行，及时联系厂家更换替换机，待替换机安装无误后，将故障逆变器送回厂家维修。经厂家拆机发现，逆变器输出IGBT功率管被击穿，5个交流风扇烧坏1个。风扇是接在交流输出上，分析是电压过高导致。当更换新的功率管后和损坏的器件后，逆变器恢复正常工作，未发现其他问题。

图3 逆变屏显示逆变异常

因此推断导致IGBT损坏情况的原因有以下几种：①输出负载线路长时间短路，导致机器不断复启动损坏，可能会损坏机器；②输出并联使用或者负载线路上有其他电压供电接入，但本逆变器不具有并联功能；③接线错误，如旁路输入接到交流输出上，或主机和变压器接线错误，接线松动等；④操作失误，如直流逆变输出时，检修旁路没有断开，导致检修旁路电压反灌到逆变器输出上导致损坏；⑤可能是IGBT器件物料质量问题。

但目前为止无类似故障，现场值班人员需密切注意逆变器或负载是否异常。

6.2 正母线绝缘不良

2023年2月某日，直流屏中央监控装置触摸屏告警，提示正母线绝缘不良故障，如图4。针对这一故障，技术人员采用拉路检查的方式对合闸母线和控制母线上的负载逐一检查。通过检查，发现了绝缘故障出现在下游闸门电磁铁这一负载上，随即技术人员赶到厂房，打开启闭机罩壳，发现电磁铁的控制线由于波纹管破损，与处于零电位的电机金属支架接触，导致发生正母线绝缘不良故障。技术人员将控制线重新接线，包扎绝缘胶带，更换了新的波纹管，防止再次与支架直接接触，故障排除。