UPS在220 kV变电站应急照明系统中的应用

姚甲刚,张智远

(1.德州供电公司，山东 德州 253008；2.河北省电力公司，石家庄 050021)

变电站是电力系统的重要组成部分，当变电站发生全站停电后，变电站应急照明系统能够为值班人员提供良好的光照环境，保障值班人员在黑夜和阳光不好的情况下，开展正常的设备巡视、倒闸操作和事故处理，对防止事故扩大，尽快恢复系统供电，减少经济损失具有重要意义。因此变电站应急照明系统对变电站的安全运行起着举足轻重的作用。

1 应急照明常规供电方法

截至2008年底，德州地区共有13座220 kV变电站，采用正常照明和应急照明分别独立供电的网络系统。正常照明供电采用交流380 V/220 V，由站用电源供电；应急照明供电采用直流220 V，由直流系统蓄电池供电。当变电站交流系统全部停电时，通过交流断相继电器启动直流接触器，从而将直流屏上的直流电送给应急照明灯。其原理是交流继电器位于所用电进线电源处，当所用电失电时，交流继电器的常闭触点断开，从而启动直流接触器，直流接触器的2对常开触点闭合，应急照明回路导通。

采用常规供电方法的变电站应急照明系统中，应急照明电源由直流电源屏提供，与正常照明分别敷设管线，分别装设灯具，可与正常照明同时运行。这种应急照明系统存在线路供电可靠性差、维护难度较大等缺点。目前，变电站内照明回路多采用导线穿管暗敷设方式，选用的导线绝缘强度低于电力电缆。另外，现场施工和运行环境较其它直流供电回路恶劣，造成应急照明系统经常发绝缘降低报警信号，不仅影响应急照明系统本身，而且对直流系统的安全、稳定运行产生威胁。由于照明回路在墙体内穿管敷设，通常不是单回路穿一根管，故障点逐点检查非常困难。由于查不到故障点，目前，德州地区已有几座变电站不得不采取重新穿金属线槽或金属桥架明敷线路的方式进行改造，不但造成重复投资，且不美观。实践证明，该问题不止在一个变电站内出现，也不单单是施工质量问题。这种应急照明系统的供电方式存在的缺点，给后期的检修维护带来很大麻烦。

2 UPS在应急照明系统中的应用

UPS经历数十年的生产考验和技术改进，具有很高的可靠性。利用UPS可以方便的将应急照明电源由直流供电转换成交流供电，使应急照明与正常照明在线路敷设、运行维护等方面做到统一。系统中重要的220 kV变电站都配有可靠的直流供电系统，且在容量选择时已考虑了事故照明负荷，不但提高了应急照明系统的可靠性，而且改善了直流回路的运行环境，降低了直流系统的故障率。

2.1 UPS的工作模式

传统在线式UPS[1]逆变器始终在线工作，切换时间极短，但整体效率较低。EPS[1]效率较高，切换时间短，但由于在切换过程中存在突然开机并带负载的恶劣运行条件，故障率明显高于在线式UPS。

近年来，在在线式UPS的基础上开发出一种带经济工作模式的UPS。当交流电源正常工作时，交流电源经处于导通状态的交流旁路上的静态开关向后接负载供电，与此同时，站用蓄电池向逆变器提供直流电源。此时，逆变器的工作状态具有2个特性[1]：逆变器输出与交流电源处于同步跟踪状态；由于逆变器的输出静态开关处于断开状态，UPS中的逆变器处于低功耗的空载运行状态。按经济工作模式工作的UPS，不仅可以驱动具有各种不同cosφ值的负载，而且处于高效运行状态，系统效率高达97%以上。当交流电源供电中断或电压、频率超限时，UPS可以在小于15 ms的时间内，从交流旁路供电状态转换到逆变器供电状态。当交流电源恢复正常后，系统自动执行从逆变器供电状态转换到交流旁路供电状态，此时的切换时间极短。由于这种UPS供电的应急照明系统，当交流电源正常时，逆变器处于空载待命状态，当交流电源中断或电压、频率超限时，逆变器只需执行从空载到带载的操作，不会出现突然开机启动并带载的恶劣工作环境，因此可靠性较高。此外，这种UPS的逆变器是按长期、连续工作方式设计的，其输出电流的裕量较大，UPS的抗输出过载能力强，产品较成熟，大型UPS的平均无故障时间高达4×105～5×105h。按经济工作模式运行的UPS系统控制接线见图1。

图1 UPS系统控制接线

UPS的逆变器电源供电通道主要由逆变器和输出隔离变压器组成。根据变电站应急照明负荷情况，UPS的输出功率为5 kVA，负载功率因数cosφ=0.8，过载能力为150%时维持500 ms、125%时维持10 s，如果超过时限，则有可能发生设备烧毁的事故。

2路交流输入电源经双电源自动切换装置变成1路交流输入，直接给正常照明回路负载供电，同时经过UPS交流旁路上的断路器给应急照明回路负载供电，与此同时直流输入给逆变电源供电，逆变电源正常运行，做为应急照明电源的备用。只有当两路交流输入电源断电后，通过UPS静态开关快速切换，逆变电源迅速供电给负载。

2.2 UPS的运行状态和切换

2.2.1 运行状态

交流输入电源正常工作时，UPS的系统控制接线见图2。

图2 UPS在交流输入正常时系统控制接线

交流电源经滤波器滤除高次谐波，再通过静态开关送至应急照明设备使用。直流输入经逆变器转成正弦波电源，经变压器隔离后作为备用。在这种工作条件下，应急照明负载实际使用的电源是来自电网的交流电源。电网具有带电阻性、电感性和电容性负载的能力，无需考虑电源的额定输出功率和负载特性。

当交流电源断电或过压(253 V±5 V)、欠压(180 V±5 V)时，UPS的系统控制接线见图3。

图3 UPS在交流输入故障时系统控制接线

UPS经静态开关迅速切换至逆变器电源。直流输入经逆变器和变压器隔离后，转成正弦波电源，经变压器隔离后作为备用，迅速供电给逆变器，产生纯净的正弦波，滤波器持续送至用户设备使用，不至造成负载断电情形发生。当恢复正常工作时，UPS经静态开关迅速切换，执行从逆变器电源供电到交流旁路供电的切换操作。

2.2.2 切换屏工作原理

应急照明切换屏的工作原理见图4。

图4 应急照明切换屏工作原理

正常工作时，电源分别来自站用电屏不同母线段的2路交流电源，经互投装置供电给正常照明系统和应急照明UPS，UPS在交流输入正常时的工作状态(图2)。当交流电源故障后，UPS迅速切换到经逆变器供电的工作状态(图3)，应急照明仍正常工作。如果交流供电恢复正常，UPS将自动切除直流逆变电源，恢复至正常时的工作状态。UPS配置有智能模块，对模块本身及所配置设备进行定期自检，如果有故障存在时，发出故障信号，无需运行人员定期操作试验开关来判别系统切换运行正常与否。

2.3 应用效果

目前，德州地区已按以上方案完成2座220kV变电站的建设。采用直流做为应急照明电源的220 kV天衢变电站，自2005年7月投产至2007年7月2年间，共发生直流接地故障2次，全部为应急照明回路对地绝缘降低造成断路器跳闸或报警，检修单位组织过一次对应急照明供电回路的维护，虽然收到一定的效果，但随着线路老化和绝缘强度降低，最近2年仍发生过1次相同故障。而采用交流做为应急照明电源的220 kV武城变电站，自2007年7月投产至今，没有发生过直流接地故障，应急照明回路运行稳定，检修单位没有对应急照明供电回路进行过维护。运行单位对不同供电方式的应急照明供电系统作对比分析。通过对比可以看出，照明系统采用交流供电网络，改善了直流系统的运行环境，系统的可靠性和可维护性得到很大提高。系统投运以来，未发生过任何接地故障。运行实践证明，这种交流供电的应急照明系统供电可靠性更高，性能更稳定，运行维护更方便。

3 结束语

UPS具有良好的充电、逆变、稳定等特性，在实际工作中，根据其特性，可将该装置用于改造变电站的应急照明系统。在变电站改造中，已将其应用于山东省多个220 kV变电站中，取得了很好的效果。UPS为变电站提供了稳定可靠的应急照明电源，减小了直流系统的故障率，具有良好的技术经济特性。UPS在线经济工作模式的供电方式大大提高了直流系统和应急照明系统的可靠性，减少了设备维护工作量，保证了变电站的安全、稳定运行，对提高电力系统的可靠性具有十分重要的意义。

参考文献：

[1] 蒋宁华，钱旭盛，王 洁．浅谈应急电源的选择[J]．南京供电技术，2008，31(1)：23-26．

[2] 付光杰，邹 洁．在线式UPS数字化复合控制技术的研究[J]．电力电子技术，2008，42(8)：76-78．

[3] 康洪波，于江利，秦 景，等．UPS的工作原理和发展趋势分析[J]．电源技术，2009，33(7)：637-638．

[4] 林卫东．EPS应急电源的探讨及应用[J]．电气应用，2005，26(5)：18-21．