升船机直流电源系统设计及应用

孔丽君

摘 要：為了提高升船机直流电源系统的可靠性，结合向家坝升船机运行特点，对其直流电源的设计现状及运行情况进行分析，并提出优化改进建议。

关键词：直流系统;接线方式;设计应用

中图分类号：U642             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0065-02

升船机是为船舶通过航道上集中水位落差而设置的一种“通航建筑物”。向家坝升船机由上游引航道、上闸首（包括挡水坝段和渡槽段）、船厢室段、下闸首和下游引航道（含辅助闸室和辅助闸首）等五部分组成，全长约1530m。升船机直流系统主要给10kV开闭所和10kV/0.4kV变电所的控制和保护设备等用电负荷供电，因此直流系统的可靠性是升船机正常运行的必备条件。本文主要结合升船机直流系统的设计及应用情况，提出优化改进措施。

1直流系统的接线方式

直流系统常见的基本接线方式分为单母线接线、单母线分段接线等接线方式。目前直流系统最常用的接线方式是单母线分段接线方式，按照蓄电池和充电装置与直流系统的不同连接方式，单母线分段接线又可分为一组蓄电池、两套充电装置的单母线分段接线，两组蓄电池、两套充电装置的单母线分段接线，以及两组蓄电池、三套充电装置的单母线分段接线。

向家坝电站升船机直流电源系统成套设备由上海青辰电源有限公司提供。结合实际负荷需求，在10kV/0.4kV变电所配置一套直流系统设备，系统采用单母线接线供电方式，直流电源屏接线示意图见图1。系统设计共1套充电/浮充电装置、1组蓄电池的供电方式。其设备主要由1组蓄电池、直流电源主屏、直流电源分屏、充电/浮充电装置、微机监控装置、绝缘监测装置、配电装置、放电装置，以及各种附件等组成。其中升船机10kV开闭所设有1个直流电源屏和1个电池柜;升船机10kV/0.4kV变电所设有1个直流分电屏。

当前单母线接线方式优点是结构简单，成本低，占用空间小。但是也存在很多缺陷，如交流进线电源采用单路供电，无互投装置且系统仅配置一组蓄电池，无法有效满足冗余供电保护及控制的需求;所有负荷电源取自一段母线，当回路出现短路或接地故障后将导致用电负荷无法正常工作;该接线方式不利于设备的运行维护，当充电装置检修时，只能靠蓄电池向母线供电，可靠性较低;按照要求蓄电池每年进行10小时核容试验，试验时仅充电装置向母线供电，缺少后备电源。

2 蓄电池的选择

蓄电池组是直流电源系统中的主要构成部分，当交流电源失电后，由蓄电池向负载供电。蓄电池有碱性蓄电池和酸性电池，向家坝电站升船机直流系统设计为一组阀控密封式铅酸胶体蓄电池，单体2V，共104瓶，100Ah。由于铅酸电池维护工作量小，运行稳定，放电性能良好，目前应用广泛。由于受厂房实际空间限制，蓄电池采用组屏集中安装的方式。配置在线实时监测电池组的单体电压，实时记录分析不同工作状态下每一只电池的电压，及时发现落后或异常电池，给蓄电池维护提供重要的参考依据，确保蓄电池组安全运行。

3 充电机的选择

充电机将交流电变换为直流电，经保护电器输出，一方面给蓄电池组充电，一方面经直流配电馈电单元给控制负荷和动力负荷提供正常的工作电源。充电装置型式有高频开关电源模块和相控式充电装置。

相控电源是采用晶闸管作为整流器件的电源系统，工作原理是交流输入电压首先经变压器降压，然后由控制器计算触发控制角并通过移相控制晶闸管导通、关闭，以保持输出电压的稳定。

高频开关电源模块经过高频变换器将直流电压变换为脉宽可调的高频交流脉冲电压，经过高频变压器隔离输出至高频整流器，将高频交流脉冲电压变换为高频脉动直流电压，经LC整流滤波电路得到所需平滑的直流电压输出给负载。

由于两者的工作原理不同，高频开关电源模块输出电压的稳压精度、稳流精度以及纹波系数均优于相控电源。相控电源的诞生早于高频开关电源，其智能化程度较低，同时，相控电源整流模块当出现故障后，需要将整台充电装置退出运行后进行检修和维护，检修周期长，影响系统正常供电，直流系统的可靠性低。而高频开关电源设计都采用N+1冗余方式和模块化结构，运行中当其中一个模块出现故障时，不需要整套装置停电检修，只需要退出单个故障模块，其他模块自动重新分配负荷电流，实现均流运行，提高了系统运行的可靠性，且充电模块都可带电拔插，维护方便，安全性高。后期如遇到供电网络扩容改造时，只需增加整流模块数量即可实现直流系统的扩容。因此，相控电源已逐步被高频开关电源模块所代替。

向家坝电站升船机直流系统充电机由四块QCF22010型号的高频开关电源模块组成，开关模块包括滤波器、全桥整流器、高频变换器、高频变压器、高频整流器、LC滤波器、控制电路和保护电路等部分。充电机设计容量满足满负荷运行以及同时对蓄电池进行主充的要求，并留有20%的裕量。

4 馈电及其他

馈电回路全部采用空气断路器，空气断路器具有使用方便，操作安全，工作可靠，安装简单，动作后 （如短路故障排除后 ） 不需要更换元件等优点，因此被广泛应用于馈电网络中。但是，由于设计时无维修旁路，一旦断路器、指示灯或监测CT故障后，在不中断供电状态下，无法及时进行更换，对设备运行产生一定影响。

5 改进措施

升船机直流电源系统设计虽然可满足负荷正常供电需求，运行也较为稳定，但该套设备仍存在一些需要优化和改进的地方。

5.1 接线方式优化

鉴于单母线接线方式存在的问题，建议直流电源系统可采取以下优化措施：

（1）系统接线方式调整为单母线分段接线，新增一组充电机，设计母线联络开关，具体可采用图2的接线方式。

（2）从厂房直流系统接入一应急电源回路供短时使用，解决紧急情况下的需要。由于原直流系统蓄电池容量选择时没有考虑另一组蓄电池的负荷，故可考虑联络回路按照直流馈线设计，装设直流断路器，具体设计可见图3绿色标注。同时，为了便于蓄电池充放电试验，新增一条充放电小母线，具体设计可见图3红色标注。

5.2采用新型模块化装配工艺

针对第四节中馈电回路设计存在的问题，可考虑采用模块化装配工艺，将断路器、CT、信号灯及信息采集板组成标准化抽屉单元，实现馈电信息的全面采集。为实现馈电回路供电不中断状态下进行维护和更换，可配置维修插接组件，从而解决馈电开关及直流CT更换困难的问题。

5.3升级系统监控网络

随着智能化的发展，实现蓄电池充放电智能管控，可通过一键顺控的方式实现蓄电池自动化维护，从而降低人员维护的工作量。

直流系统应从传统的分散式系统设计模式改为集中控制模式，并采用远程开关操控，提高自动化水平，同时为防止误操作，可采用防误闭锁技术，在减少人工维护工作量同时消除人工误操作风险，大幅提高运维工作安全和工作效率。

扩展现有的监测功能，除了对蓄电池电压监测外，增加对内阻、开路、短路、温度等的监测，实现蓄电池全生命周期管控。通过对过程中蓄电池各参数的变化趋势分析、判断，建立蓄电池单体剩余电量或健康度预警机制，达到为蓄电池提供全生命的体检服务。主动预防因蓄电池自身问题导致的直流母线失电故障。

5.4新增防误报警功能

当直流母线脱离蓄电池或充电装置时，监控装置发出告警信息，提示操作人员当前操作可造成母线失压，避免人员误操作导致的电力事故发生。

参考文献：

[1]标准：DLT 5044-2014 电力工程直流电源系统设计技术规程.