单电单充直流系统改进

张永生

(国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司，江苏 苏州 215004)

0 引言

直流系统的可靠与否对变电站的安全运行起着至关重要的作用，目前，110 kV及以下电压等级变电站直流系统一般都使用单组蓄电池、单组充电机(以下简称“单电单充”)接线方式，这种接线方式结构简单、投资较低，能够基本满足110 kV及以下电压等级变电站运行要求。

但这种接线方式在交流电源切换过程中，需要蓄电池作为直流电源对直流系统供电，一旦交流切换失败，需要蓄电池长时间供电。考虑到蓄电池运行一定时间以后容量下降，可能无法满足直流用电设备的要求，甚至出现开路的情况，导致设备失电。因此，有必要研究一种新的直流系统接线方式，提高直流系统供电可靠性。

1 单电单充直流系统概述

单电单充直流系统典型接线方式如图1所示。两路交流电源分别从1号、2号交流母线引出，经交流切换装置切换后，选择其中一路电源作为充电模块电源[1]。一般情况下，由1号交流母线作为主电源供电，2号交流母线作为备用电源，当1号交流母线失电时切换至2号交流母线供电。某些直流系统不使用硅链，充电模块及蓄电池组直接接到直流母线上，但充电模块的交流电源都是经过交流切换装置切换后得到的。

图1 单电单充直流系统接线方式

当1号交流母线失电或运维人员进行交流切换试验时，通过双路交流切换装置进行切换，转由2号交流母线供电。在切换过程中，由于无交流电源，充电模块无法正常工作，全站直流电源需要由蓄电池组供电。一旦双路交流切换装置切换失败，蓄电池组需要长时间供电。因此，该种接线方式一旦蓄电池出现故障，直流系统就无法正常供电，可靠性较低。现场多次发生交流失电时蓄电池故障导致保护装置无法正常动作而造成越级跳闸的事故，影响电力系统的安全稳定运行。且在浮充电情况下性能不良的蓄电池不易被发现，但在大电流冲击时就容易发生开路等故障，导致发生事故的关键时刻反而直流失电。

2 单电单充直流系统改进方案

单电单充直流系统接线方式的主要缺点是在交流切换过程中及切换失败时需要蓄电池组作为直流电源对外供电。如果设计一组备用充电模块，其交流电源不经交流切换装置切换而是直接接在2号交流电源上，这样即使切换过程中及切换失败时原充电模块无法正常工作，备用充电模块仍可以正常对直流母线供电，保证直流系统运行稳定。只有当两路交流电源同时失电时，才需要蓄电池组作为直流电源对外供电。

由于两路交流电源同时失电的概率远远小于单组交流电源失电的概率，因此所有充电模块同时失电概率大大降低，直流供电可靠性得到显著提升。另外，当双路交流电源切换装置故障或检修时，直流系统将失去充电模块，由蓄电池供电，增加备用充电模块后，此时可由备用充电模块供电，提高直流系统的可靠性。

改进后的直流系统接线方式如图2所示。备用充电模块交流电源取自2号交流母线馈线支路(也可取至2号交流母线进线处)，直流输出直接接在直流母线。备用充电模块容量及数量选择满足相关规范及直流系统运行要求，在原充电模块失电时，可由备用充电模块对直流母线供电。

图2 单电单充直流系统改进接线方式

3 单电单充直流系统改进方案试验验证

为验证该方案的有效性，在试验室搭建了直流系统平台，模拟变电站单电单充接线方式。调节原充电模块输出电压为230 V，备用充电模块输出电压为225 V，此时由于备用充电模块输出电压低于原充电模块的输出电压，直流母线由原充电模块供电，直流母线负荷约10 A。

为模拟交流切换过程中直流蓄电池故障的情况，试验前断开蓄电池组输出开关，使蓄电池退出运行。在此状态下断开原充电模块的交流电源，使其无电流输出，直流母线电压由229.4 V降至224.7 V，电流为10.28 A，母线负荷由备用充电模块提供电源。在此切换过程中，直流母线电压未出现闪变或间断，直流用电设备未出现断电重启现象，直流系统运行正常。

在蓄电池组未退出情况下重复上述试验，试验结果显示直流母线电压稳定无间断，可以保证设备的正常运行。说明在蓄电池组无故障情况下进行交流电源切换时，增加备用充电模块后未影响原直流系统的正常运行。

综合以上2种试验结果，增加备用充电模块后，不论蓄电池组是否故障，都可以保证交流电源切换过程中直流母线的正常供电，提高了供电可靠性，保证了变电站安全运行。

4 单电单充直流系统改进实施

现场实施过程中，若原直流屏柜内有空余安装位置则将备用充电模块安装在原直流屏内，否则单独加装一面屏柜或在合适的位置加装一个备用充电模块挂箱(该方案现场实施时使用挂箱)。为保证备用充电模块的安全运行，备用充电模块交流电源侧安装防雷器进行保护。通过电压表和电流表测量备用充电模块输出电流及电压，方便运维人员观察备用充电模块的运行状态。备用充电模块直流输出端经过逆止二极管接到直流母线上，这样只能备用充电模块对直流母线供电，直流母线不会对备用充电模块供电，保证备用充电模块故障时不会影响直流母线正常运行。为尽量减少对原直流设备的影响，调节备用充电模块输出电压，使其低于直流母线电压0.5～1 V，这样正常运行时由原直流设备对直流母线供电，备用充电模块不输出电流。备用充电模块故障告警输出接点接入原直流屏充电模块故障告警回路，保证备用充电模块故障时能将告警信号送达后台及监控。

5 单电单充直流系统改进验证

由于现场直流母线电压为226 V，将备用充电模块直流输出电压调节为225 V，此时直流负荷全部由原充电模块供电，备用充电模块输出电流为0 A。

将直接接于直流母线的充电模块退出运行，将硅链控制调节开关调整至手动位置，调节原直流屏充电模块电压，使经过硅链后输出至直流母线的电压低于备用充电模块的电压，此时，原充电模块输出电流为0 A，全部直流负荷由备用充电模块提供。直流系统切换的过程中未出现电压闪变或间断，现场所有二次设备未发生断电重启或告警现象，直流系统运行正常，说明改进后直流系统能够满足正常及1号交流进线失电时的运行要求。

6 结束语

该改进方案已实施1年，现场经历过多次交流切换试验及交流进线失电情况，直流系统运行稳定，未发生过直流失电事故。该方案降低了直流系统对双路交流切换装置的依赖性，满足现场运行要求，具有一定的推广价值。