航天发射场变电站可靠性升级改造技术研究与应用

北京特种工程设计研究院 刘惠文 张 莹 邓雅琦 李轶伦

供配电系统是航天发射场的动力源泉，一旦断电发射场直接瘫痪，测试流程直接终止，因此供配电系统的可靠性对发射场至关重要。目前变电站已连续运行多年，设备老化陈旧、备件缺乏停产、故障陆续出现，系统智能化程度较低、可靠性逐年降低，考虑到供电系统的重要性和可靠性，升级改造势在必行。

航天发射场供配电系统要求设备成熟可靠，并不是把先进性和经济性放在首位，而是要求把可靠性放在首位，确保系统运行万无一失。故障发生后要求快速准确定位、快速判读分析、快速检修回复，尽快缩短停电时间，尽量降低停电对任务的影响，依据这些原则和要求对供配电系统实施改造。同时要求改造应用的设备和技术必须成熟可靠，在实际应用中证明是合理可靠的。因此需经过反复论证、充分调研，确保万无一失。

1 改造具体设备和技术应用

经前期的大量参观调研，并结合设计人多年的发射场实践经验，某航天发射场对原有老化的设备进行了大量的升级改造，提高了智能化水平，达到了良好效果，主要包括以下几个方面。

1.1 航天发射场35kV主变压器

大容量35kV 干式变压器在民用建筑工程中已应用广泛，但在发射场项目中尚无应用，目前主变仍采用油浸式为主。树脂浇注线圈干式变压器具有防火难燃不爆、不污染环境、体积小噪声低、工程安装简单、无需集油池、可深入负荷中心、安装费用低、常年免维护、温升低、超铭牌容量运行能力大、承受突发短路能力强、运行安全可靠、损耗低、节能显著、绝缘水平高、局部放电量小等优点，近年来得到快速发展，已成为国内电力系统必不可少的设备。缺点就是造价略高、大容量有限，对运行温湿度环境有要求；油浸式变压器具有高稳定性抗干扰、耐久性强、容量大、环境适应性强等优点，但也存在体积较大、检修维护工作量大、可燃可爆等缺点[1-2]。

综合考虑发射场可靠性要求高、维护人员较少、防火防爆等要求，改造采用了低噪声低损耗树脂浇注线圈干式变压器，目前设备运行良好，效果显著。

1.2 一体化继电测控保护装置

继电保护系统在电力系统中扮演着关键的角色，其作用是当电力系统发生故障或者异常工况时，实现最短时间和最小区域内切除故障、发出信号，降低损失和影响，是电力系统安全运行的重要保障。其主要作用包括：故障检测、故障隔离、降低故障损失、人身安全保护、信号接收处理、备用电源投入、设备监视监控等。

原有系统保护功能单一、种类较少、灵敏度较低，更新改造后采用新一代一体化继电测控保护装置，应用了保护测控一体化装置中的六功能合一技术，通过一个装置实现了保护、测量、控制、遥信、合并单元、远端模块功能，减少中间连接及传输环节，就地柜面安装，提高了可靠性。具备接入保护及故障信息处理系统的接口，并采用符合IEC870-5-103标准规约[3]。

各单元设置完善的保护装置，主要包括：每台35kV 主变压器配置主保护和后备保护，主变保护安装于35kV 和10kV 开关柜内，保护具体配置为主变差动保护、主变后备保护、主变非电量保护等；35kV 进线保护配置为线路光纤差动保护、过流保护、接地保护、过负荷保护、加速保护、低周保护、重合闸、小电流接地选线功能，单独的操作控制回路和断路器遥控分合闸；35kV 馈线保护为线路距离保护、过流保护、接地保护、过负荷保护、加速保护、低周保护、重合闸、小电流接地选线功能、单独的操作控制回路和断路器遥控分合闸；10kV 馈线保护为过流保护、接地保护、过负荷保护、加速保护、低周保护、重合闸、小电流接地选线功能，独立的操作回路和防跳回路、电源监视回路，断路器遥控跳、合。

备用电源自投装置具备如下功能：4种备自投方式实现进行和母联的自动投切、过负荷减载、过流保护、零序过流保护、加速保护、充电保护。遥信量开入采集，装置内部遥信，突发事故遥信遥测参数如：电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、零序电流等；高速现场总线通讯口。

1.3 在线式微机防误闭锁系统

电力系统中配电柜因内部改造和运行检修需要，需要对配电设备进行检修操作，为防止操作过程中可能产生的误操作、误动作，需要通过电脑操作规程及程序来防止误操作，保护操作人员和设备的安全。防误装置做到表面防腐、内部防锈、抗电磁干扰、防金属体强行开启。室外的防误装置需防水IP55、耐高低温。与微机五防系统配套的机械挂锁宜采用不锈钢锁具，以有效防止因锁具生锈导致的挂锁失效。开关柜的“五防”和联锁控制功能主要如下。

防止断路器误操作或误动作、防止带电操作断路器或检修设备、防止带电操作接地刀闸、防止送电时合接地刀闸、防止操作人员带电进入间隔检修操作；配电柜的电缆室检修门与接地刀闸之间采取机械联锁方式，并配有紧急机械解锁机构；当送电的断路器处在合闸送电位置时，断路器操作小车无法推进拉出；当断路器小车后面连接套扣未与送电底座可靠连接到位时，断路器无法进行送电操作。

当柜内检修用的接地刀闸处在合闸位置时，断路器小车无法从“试验”位置进入“工作”位置；当断路器小车处在“试验”位置与“工作”位置之间（包括“工作”位置）时，无法操作配电柜内下部接地刀闸；开关柜应装自动检测进线侧电压，并配电柜表面安装具有自检功能的带电显示装置；开关柜电气闭锁装置采用可靠的独立电源供电。

微机五防系统反映的是变电站一次设备的工作状态，具有故障定位功能和事件相应告警显示功能。防误装置应有专用的解锁工具，且专用解锁工具的保管与使用需要有专门的规范与流程，以确保操作工具的正确使用。断路器的事故状态下跳闸不允许闭锁和操作。

1.4 建立完善的变电站综合防火控制体系

原有变电站消防设施简单落后，电缆密集、易燃易爆设备较多，存在重大消防安全隐患。改造后变电站建立完善的变电站综合防火控制体系，包括重新规划了防火分区，更换防火门；地面采用防火绝缘防静电地坪漆，美观整洁，防火绝缘性能好；电缆沟内设置智能感温光纤火灾探测器，提高火灾探测准确度；配电室内设置可视火灾探测报警系统，早期发现火灾，保护设备可靠运行；配电柜内安装火探管自动气体灭火装置，及时发现、精准扑灭，保护设备安全[4-6]。

1.5 变电站内设置智能环控系统

温湿度是配电室管理的重要指标，要求室温10～30℃，相对湿度不大于60%。改造后设备房间内设置温湿度传感器，通风空调系统自动节能运行，每天通风次数达到8次/小时，排除变电站内设备散发的有毒气体，保障岗位巡视人员的生命安全，确保设备在最佳环境下运行，延长设备使用寿命。配电柜内设置温湿度控制装置，改善柜内局部环境，加强配电柜运行的可靠性，不产生静电干扰。

1.6 采用消弧线圈小电流中性点接地系统

电网中性点接地是指三相交流配电网的中性点与大地间连接的方式。中性点经消弧线圈接地方式又称补偿接地电网系统。经消弧线圈接地方式，单相接地故障电流将可以被补偿或中和到很小的数值，从实际运行经验和资料表明，当接地故障电流小于10A 时一般情况下接地电弧不能维持，而且在电流经过零点使电弧熄灭，显著减小故障电压的恢复速度，减小电弧重燃的可能性。尤其是在架空配电网中，单相故障占多数特别是瞬时故障，如树枝或雷电造成的闪落一般能自动消弧，线路绝缘子在电弧熄灭后绝缘能迅速自行恢复。

按规程规定，中性点经消弧线圈接地方式运行，电网可带故障运行2h，从而获得排除故障时间，相对提高供电可靠性，目前国内的架空线配电网和架空线、电缆混合配电网多数采用消弧线圈接地方式。当系统电容电流超过30A 时，消弧线圈容量增大，处理过程中对线路逐条进行拉闸，不易排除故障，而且产生较高的过电压，消弧线圈目前多是手动调节，调节不够方便，虽有了自动调节装置但仍存在价格偏高问题，需另配备检测装置。

提高供电系统可靠性是发射场10kV 配电网中性点接地方式选择时考虑的重要因素之一，因为它涉及到场区人员安全和测发工艺设备运行安全等问题。确定接地方式时必须考虑场区供电可靠性，以及单相接地故障时短路电流限制、故障线路继电保护的灵敏度和选择性及健全相最大过电压等因素。另外，经济因素也是选择中性点接地方式必须考虑的重要参考因素，因为随着电压等级的提高，输变电设备的绝缘费用在总投资中的比重愈来愈大。

经计算，变电站单相接地电容电流为21A，场区架空线居多易发生单相短路，因此采用消弧线圈接地方式。利用消弧线圈产生的电感电流补偿电网对地的电容电流，故障点接地电流变小、电弧熄灭，保护系统稳定运行。控制器采用高可靠性、高集成度专用于工业应用的功能模块作为核心控制单元，模块化结构有利于功能扩展；自动检测系统电容电流，跟踪电容电流变化，及时补偿电感电流，使接地故障点电流限制在整定范围内，装置能够根据需要调整和设置脱谐度及残流；控制器能够满足静电放电、快速脉冲群、浪涌、射频场感应的传导骚扰、工频磁场、阻尼振荡磁场、电压暂降短时中断和电压变化、振荡波、脉冲磁场的抗度试验，并满足相应标准所规定的严酷性等级的要求。

1.7 建立成熟先进的直流操作系统

直流系统应用于作断路器分合闸以及二次回路中控制、保护、信号和事故照明的电源。直流系统电压220V，控制母线电压范围220V±5%，交流输入为双路AC380V 电源并可自动切换，直流系统接线为单母线接线，蓄电池型式为阀控式密封铅酸免维护蓄电池，蓄电池容量100Ah，蓄电池运行方式为浮充电方式。

高频开关内的充电装置采用电脑智能控制，控制方式分为自动和手动两种控制，当自动控制发生故障无法操作时自动转入手动控制；装置故障、整流模块过热均能向变电所监控系统发出报警信号；直流系统配置绝缘监察装置，实时显示母线电压及监测直流系统对地绝缘状况，当直流回路某一极对地绝缘下降时发出“直流接地”信号；设置母线调压装置，具有自动/手动调压功能；采用模块化屏架结构，功能单元分隔布置；馈线开关配有报警触点；触点信号应输入直流总监控单元；高频开关充电装置满足工程对电磁兼容性能的要求；高频开关充电电池的输出电压范围满足蓄电池放电后期和充电末期电压的要求。

2 应用效果

改造完成后效果显著，具有以下特点：设备成熟，技术先进。选用的是国内应用广泛，运行可靠的设备，较为先进；可靠运行，保障有力。改造完成后已连续运行多年，无故障发生，有力地保障了航天任务的持续进行；高效集中，作用突出。改造后把多个监控分中心集中为一个中心，实现数据共享、专家集中、决策迅速，核心作用明显；操作简单，深受欢迎。改造后系统实现智慧运行，自动化程度高，节约人力，深受岗位人员欢迎。改造达到良好效果，有力地保障了航天任务的顺利实施。