500 kV变电站通信专用高频开关电源不停电更换

冯兆辉，韩方韬

（乌海超高压供电局，内蒙古 乌海 016000）

0 引言

通信专用高频开关电源是500 kV 变电站通信传输系统中的重要设备，为通信传输、通信接入、线路保护等设备提供安全、稳定、可靠的不间断直流电源[1-3]。截至2019 年年底，内蒙古巴彦淖尔地区、乌海地区、阿拉善地区、鄂尔多斯西部地区9 座500 kV 变电站共计配置通信专用高频电源系统9套。每套通信专用高频开关电源由1 面交流分配屏、2 面高频开关电源屏、2 面直流分配屏及4 组96节通信蓄电池组成。由于内蒙古电网500 kV 网架结构分散，各站点投运时间较长，变电站超期服役的通信电源系统暴露出许多问题。位于巴彦淖尔地区乌拉特中旗境内的500 kV 德岭山变电站2005年投运后，高频开关电源已连续不间断运行了14年，存在许多严重隐患急需解决。

1 存在的问题

500 kV 德岭山变电站通信电源系统主要存在以下问题。

（1）500 kV 德岭山变电站是巴彦淖尔乌拉特中旗地区主要电源点，也是河套地区与包头地区电量交换的枢纽站点，变电站通信电源系统承载着包头地区与巴彦淖尔地区电力通信的重要任务，是蒙西环状电力通信网的北通道，不允许存在任何断电风险。因高频开关电源已不间断运行多年，存在电源模块元器件严重老化、绝缘失效、设备停产等严重隐患[4-5]。

（2）变电站位于乌拉特中旗德岭山镇附近，站点与维护单位之间的距离超过300 km。若发生通信电源故障导致通信设备失电，检修人员不能在短时间内到达站点开展检修工作，将影响500 kV主网线路安全稳定运行。

（3）由于通信电源独立于变电站直流电源系统运行，且老旧站点尚未将通信电源输入告警信号接入主控计算机，因此存在通信高频开关电源失电导致通信蓄电池电量耗尽无人知晓的风险[6]。

鉴于500 kV 电力系统中通信电源负载的重要性，并结合老旧通信电源系统的运行现状，决定以500 kV德岭山变电站为试点，对超期服役的通信高频开关电源等设备进行不停电更换。

2 电源设备更换存在的风险

由于电压等级高、运行稳定性要求高等原因，500 kV站点一般配置独立运行的通信电源系统，每套电源系统均由交流分配、高频整流、直流分配及蓄电池4个部分组成[7-8]。以下针对交流分配及高频整流部分屏位在不停电过程中可能存在的风险进行分析。

2.1 电源割接

不停电对通信高频电源进行割接的最大危险为负载意外失电[9]。内蒙古电网500 kV变电站通信电源系统示意图见图1。

图1 500 kV变电站通信电源系统示意图

从图1 可以看出，通信设备等电源接入全部集中于两个直流分配屏，众多负载的失电风险点全部集中于直流分配屏，因此，做好直流分配屏的不间断供电即可保障通信设备的稳定运行。

2.2 屏位拆除及安装

更换屏位时的风险存在于屏柜搬迁、屏位拆除、屏位安装、设备接线等过程中，鉴于本文重点分析设备更换部分，故屏柜搬迁风险不再讨论。以500 kV德岭山变电站为例，由于旧屏柜与槽钢架采用焊接固定方法，因此拆除屏位的第1 个风险便是焊点的拆除。因屏柜的安装空间狭小及槽钢架下布置了运行线缆，拆除焊点应特别注意对相邻屏柜及地下运行线缆的保护[10-11]。在使用电动工具时，应在运行线缆上放置隔离挡板，防止工器具意外损坏线缆。

2.3 电源类设备带电操作

电源类设备带电操作过程中最常见的危险点是工作中电源发生意外短路或接地故障，对设备和操作人员造成伤害[12]。由于通信高频电源系统中的整流模块单元具备短路保护功能，操作过程中若发生短路故障，整流器监控模块能够迅速响应（短路瞬态只有电容微秒级的放电，大功率放电被抑制）并关闭整流器，使得整流器无输出。因此，通信高频电源系统的短路能量主要来源于蓄电池，短路电流的大小取决于电池容量，电池内阻以及回路电阻的大小。电池的容量越大、内阻越小，则发生短路时短路电流越大[1]。

目前内蒙古电网500 kV 变电站配置的独立通信电源系统蓄电池通过动力电缆分别接入高频开关电源的两个屏位，通过200 A 容量的熔断器与高频开关电源输出、负载输入并联接入。在更换该高频电源屏时，需要对蓄电池连接线缆进行拆除，此时蓄电池系统短路或接地的风险最大，因此在电源割接时，做好蓄电池电缆的绝缘处理是防范电源系统意外短路或接地风险的重要措施。

3 通信专用高频开关电源更换方案

500 kV 德岭山变电站通信专用高频开关电源更换需同屏位带电替换原有2个高频开关电源屏和原交流配电屏。交流配电屏的更换相对简单，在完成高频开关电源屏更换后，由蓄电池临时为设备供电，即可直接进行替换。目前，高频开关电源设备的更换一般有3种备选方案。

3.1 方案一：临时电源过渡

流程示意图见图2，作业过程如下。

（1）在机房空余屏位处建一套电源系统，作为新旧电源屏更换过程中的过渡电源[12-14]。本工程中，可将1台新高频开关电源屏（即电源屏3）安装至机房空余屏位处，由交流屏为新高频开关电源屏3进行供电，作为备用电源。

（2）将电源屏3 与直流分配屏2 连接，调整电源屏3 的负载输出电压，使其等于直流分配屏2 的输入电压，此时直流分配屏2 由高频开关电源屏2、电源屏3同时供电，见图2b。

（3）依次关闭高频开关电源屏2 的整流模块，确认电源屏3 带负载成功后，退出并拆除高频开关电源屏2 及其所有接线，注意拆卸过程中需保持高频开关电源屏2完好。

在原高频开关电源屏2的位置安装新高频开关电源屏4，并与直流分配屏2连接。调整输出电压与分配屏2 输入电压相等，此时直流分配屏2 由电源屏4、电源屏3同时供电，见图2c。

（4）退出电源屏3 并拆除所有接线，即完成了一套高频开关电源屏的更换，见图2d。

（5）将拆下的原高频开关电源屏2作为备用电源，以同样的流程用新高频开关电源屏3 替换原高频开关电源屏1，完成两套高频开关电源屏的更换。

该方法利用新、旧高频开关电源屏分别作为备用电源，实现了更换全程满足“双电源”要求，但其也存在以下问题：

（1）备用电源屏无配套蓄电池组，若更换过程中备用电源屏出现故障，则其所带直流用电设备会面临失电风险。

（2）该变电站通信机房屏位不足，无空余屏位放置备用电源屏；机房屏位间过道宽度为80 cm，在过道摆放备用电源屏不便于开展工作，且易对静电地板造成伤害。

（3）全过程需要立四面屏（2套新高频开关电源屏、2套备用电源屏）、拆除4面屏（2套旧高频开关电源屏、2套备用电源屏），工作量大，流程繁琐，耗时长。

3.2 方案二：蓄电池供电过渡

作业步骤如下。

（1）断开并拆除高频开关电源屏1，此时直流分配屏1由蓄电池组供电。

（2）在原高频开关电源屏1的位置安装新高频开关电源屏3。调整电源屏3的负载输出电压，使其等于直流分配屏1 的输入电压，随后合上电源屏3的输出保险丝，从而完成一套高频开关电源屏的更换[15-16]。

图2 临时电源过渡法更换流程

（3）用相同流程由新高频开关电源屏4替换原高频开关电源屏2，完成两套高频开关电源屏更换。

该方法步骤较少，流程简单，但由于更换高频开关电源屏期间，单套直流系统仅靠蓄电池组供电，若更换机柜时间过长，设备易失电，且蓄电池电量耗尽会对电池组造成不可逆损伤。

3.3 方案三：单套高频开关屏接双套直流负载

3.3.1 原理

该方法利用了电源的并联特性及均流原理。图3 为2 个电源并联时的等效电路及其外特性曲线，当两个高频开关电源屏的参数相同时，即V1max=V2max，R1=R2，电流在2 个高频开关电源屏内均匀分配，而当其中1个电源的电压参考值较高、输出电阻较小，则该高频开关电源屏将承担大部分的电流[4]。根据外特性曲线可知，电压差下会使电压较小的高频开关电源屏流过的电流为0。

图3 2个电源并联时的等效电路

3.3.2 更换步骤

更换流程示意图见图4，作业过程如下。

（1）将原高频开关电源屏1连接的两组蓄电池与原高频开关电源屏2连接的两组蓄电池并联。

（2）将直流分配屏1 与直流分配屏2 的输入端子并联，此时原高频开关电源屏1、原高频开关电源屏2并列向4组蓄电池及2个直流分配屏供电。

（3）记录总输出电流值，根据电源的并联特性曲线，以0.1 V的步进降低原高频开关电源屏1的电压，则原高频开关电源屏2电流增大，原高频开关电源屏1 负载减小，继续降低电压直至原高频开关电源屏1电流为0。

（4）原高频开关电源屏1 输出电流降为0 时，已不带负载，断开原高频开关电源屏所有接线、拆除设备，并在其位置上安装新高频开关电源屏3；将输出电压设定为与原高频开关电源屏2 相同，随后恢复原高频开关电源屏1 的接线方式，即由电源屏3、原高频开关电源屏2 并列向4 组蓄电池及2 个直流分配屏供电。

（5）记录总输出电流值，根据电源的并联特性曲线，以0.1 V的步进降低原高频开关电源屏2的电压，则电源屏3 输出电流增大，原高频开关电源屏2负载电流减小，继续降低电压直至原高频开关电源屏2电流输出为0。

（6）原高频开关电源屏2电流输出降为0，表明其已不带负载，断开原高频开关电源屏所有接线、拆除设备，并在其位置上安装新高频开关电源屏4，将输出电压设定为与原高频开关电源屏2 相同，随后恢复原高频开关电源屏2 的接线方式，即由电源屏3、电源屏4 并列向4 组蓄电池及2 个直流分配屏供电。

（7）在保持电源屏3、电源屏4电压相等的情况下，断开直流分配屏1与直流分配屏2的短接线，断开原高频开关电源屏1连接的两组蓄电池与原高频开关电源屏2 连接的两组蓄电池之间的短接线，两套高频开关电源屏的更换工作全部完成（如图4）。

图4 单套高频开关屏接双套直流负载法更换流程

需要注意的是，在新电源屏安装过程中，为避免拔插熔断器时产生电火花，必须确保插入熔丝时负载开关在关位，先插熔丝再合负载开关，在插入蓄电池主熔丝前，要测量熔丝两端电压差小于0.5 V[5]。

相比于方案一，该方案无需占用空余屏位，工作量小，不会对静电地板造成损伤；相比于方案二，避免了更换过程中完全靠蓄电池组供电，工作时长不受电池供电时间限制，显著提高了稳定性与可靠性。但使用该方法也有前提条件：单个高频开关电源屏容量须大于通信机房总负载电流值，且满足整流模块“N+1”配置要求。以500 kV德岭山变电站为例，原高频开关电源屏整流容量为50 A×4=200 A，总负载电流为34+36=70 A，满足上述要求，最终按照方案三实施更换工作。

4 实施效果

2019 年3 月将方案三首次应用于500 kV 德岭山变电站，实践证明电源割接过程安全可靠。随后将该方案推广应用至500 kV千里山、乌海、河套、吉兰太等几座需进行电源改造的变电站，各站至今已运行1年多，变电站内设备运行情况良好，表明该方案合理可行、实际操作性好，可推广使用。

5 结语

以500 kV 德岭山变电站通信机房高频开关电源系统的高频开关电源屏和交流分配屏不停电更换实际工程为例，对更换风险进行了分析，探讨了更换步骤和注意事项。在实际工作中，由于通信电源不停电割接工程复杂，工作流程环环相扣，为了杜绝电源割接、设备更换过程中出现突发状况，影响500 kV主网架安全稳定运行，必须在现场作业前制订详尽的施工作业措施，作业过程中需特别关注设备负载在电源割接时的转移，以确保整体工作能够安全、平稳开展。