UPS在电厂事故照明系统改造中的应用

杜陈君，邓佑清，李继平

（天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

1 概述

某水电厂厂房区域照明系统接线分为三段，其中两段a、b段为工作照明段，工作照明段采用380 V/220 V三相四线制交流供电，a段由10 kV厂用电Ⅳ段经400 V变压器29B降压后供电，b段由10 kV厂用电Ⅴ段经400 V变压器30B降压后供电，a、b段之间有母联开关，正常情况下工作照明a、b段分段运行，其备投控制方式置“自动”位置，当任一段失电后，跳开失电回路的400 V母线进线开关，自动投入母联开关；第三段为事故照明段，正常情况下由工作照明b段供电,当工作照明b段完全失电后，经延时自动切至220 V直流系统供电。

2 故障分析及改造处理的必要性

在一起事件中，该水电厂400 V工作照明a、b段完全失电，事故照明由交直流事故切换装置自动切换至220 V直流系统供电，结果导致220 V直流系统一点接地。而且该水电厂事故照明系统在进行定期试验切换至220 V直流系统供电的过程中，上位机经常会报220 V直流系统接地故障及复归信号，经试验排查发现，该水电厂事故照明系统原来的设计中，交直流切换装置是采用继电器作为切换开关，事故照明交直流切换原理如图1，原事故照明系统通过KM1和KM2两个继电器来实现事故照明的电压监视和交直流回路自动切换功能。从原理图来看，这种传统的交直流切换装置没有太大问题，但是该水电厂交流系统采用380 V/220 V三相四线制供电且变压器中性点是接地的，所以事故照明系统220 V交流回路的零线也是接地的，当事故照明通过继电器切换至220 V直流系统供电时，经常会导致220 V直流系统瞬时的单相接地故障。

图1 事故照明交直流切换原理图

综上所述，该水电厂事故照明切换导致直流系统接地原因是该水电厂事故照明系统原来的设计存在缺陷，交直流切换装置是采用继电器作为切换开关，而交流回路与直流回路之间却没有进行电气隔离，而事故照明系统220 V交流回路的零线是接地的，当事故照明段切换至220 V直流系统供电时，就会导致220 V直流系统一点接地，直流系统发生一点接地时对设备系统不会造成太大影响，但如果不及时处理, 直流接地会造成继电保护的拒动或误动,在复杂情况下产生高阻接地、环路接地、平衡接地及交直串接地等严重后果[1]，存在极大的安全隐患。

电力生产安全工作规程中要求，工作场所必须设有符合规定照度的照明。主控制室、重要表计、主要楼梯、通道等地点，必须设有事故照明[2]。在电厂中事故照明也是安全保障的一种技术措施，在厂用交流电源全失的情况下，为运行人员故障处理、恢复供电以及事故抢修提供照明，所以事故照明不能单采用交流电源，它必须还有可靠的直流电源作为备用电源。而且电厂中的直流系统不仅在厂用交流电源全失电时为事故照明提供电源，还承担着为继电保护、自动装置、控制信号等提供可靠电源的任务。在厂用交流电源全失电时，直流系统的可靠性对电厂的事故处理和安全运行起着至关重要的作用。因此，对于事故照明投入后造成直流系统一点接地故障的问题，需要针对事故照明存在的缺陷进行技术改造[3]。

3 事故照明系统改造方案

该水电厂为解决事故照明切至直流供电会引起200 V直流系统接地的设计缺陷，提出了在事故照明系统中增加UPS或逆变器来实现事故照明系统交直流回路间的电气隔离功能的改造方案。

3.1 UPS选型与事故照明系统接线

该水电厂事故照明系统设计总负荷35.8 kW，正常运行负荷为20 kW，事故照明灯均为220 V交/直流两用灯具且容量没有较大变动。经调研，额定容量为30 kVA左右的单独功能的逆变器及其盘柜在市场上没有成品，需要定制，相对于UPS主机来说，盘柜占地面积大，造价高、维保差。综合考虑现场盘柜布置情况及选型设计成本问题，确定选用成品UPS主机产品来实现事故照明系统交直流回路间的电气隔离功能。经多次咨询产品选型技术专家，确认具有满足该水电厂事故照明改造需求的UPS主机产品，最终选用施耐德Galaxy PWi系列三进单出产品，容量为30 kVA，型号为G1W30SU6PUTS的UPS主机。

UPS又称不间断电源，在矿山，医院，通信，计算机网络等对电源可靠性要求较高的行业领域有着广泛的应用。UPS（不间断电源）是将蓄电池(多为铅酸免维护蓄电池)与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成交流市电的系统设备[4]。通常情况下,电力系统控制室都配备有直流屏或蓄电池组,电力专用UPS就利用这些蓄电池组作为其逆变器的直流输入,以减少重复投资[5]。该水电厂改造后的事故照明系统接线如图2，其中交流/交流电源切换装置及配套的2只交流进线开关加装在400 V照明电b段10号馈电柜（事故照明馈电柜）内，当由厂用交流电源供电时，逆变的交流电源应完全隔离；反之，当由逆变交流电源供电时，厂用交流电源应完全隔离，交流/交流双电源切换设有延时装置，以便躲过400 V交流系统的瞬时故障而不误启动，延时0.5～5 s且可调，交流进线开关额定电流为100 A 4P，采用三相四线制的接线方式，事故照明系统交流回路与直流系统通过UPS和双电源切换装置连接起来，实现交直流回路的电气隔离，来解决事故照明切换导致直流接地问题。

图2 改造后的事故照明接线图

3.2 事故照明系统运行方式

此接线设计有以下几种运行方式：

正常情况下，事故照明由取自400 V照明电b段的220 V交流电源供电。

当400 V照明电b段失电时，双电源切换装置经延时后动作，由取自400 V照明电a段的220 V交流电源经UPS主机先整流再逆变为220 V交流电源供电。

当400 V照明电交流电源因故全失时，由取自220 V直流系统的直流电源逆变为220 V交流电源供电。

3.3 接线方式的优点

相对于直接采用UPS主机输出供应事故照明负荷，该设计有以下优点：

（1）正常情况下，事故照明负荷由400 V照明电b段供应，220 V直流系统仅在400 V照明电全失时才逆变输出。这样尽可能减少直流系统的负载供应需求，同时可尽量避免交流系统与直流220 V系统的互相影响。

（2）事故照明UPS主机承担220 V直流供事故照明负荷时的电气隔离作用，作为事故照明的热备用电源，不带经常性负载。这样可以避免UPS主机单一故障对整个事故照明系统的影响。

4 UPS应用中遇到的问题及解决方法

UPS原理图如图3，回路①为主用交流回路，回路②为200 V直流输入回路，回路③为交流旁路。即UPS系统的运行方式分为：正常运行方式、蓄电池供电运行方式、自动旁路运行方式、手动旁路运行方式4种[6]。

图3 UPS原理图

4.1 UPS无法使用交流旁路上电开机

该水电厂事故照明系统改造接线完成后对UPS主机上电调试过程中，主用交流开机正常，单独使用220 V直流输入开机试验正常，而无法使用交流旁路上电开机。经技术人员排查，确认原因为该水电厂400 V厂用电为TN-C接地系统（即N线和PE线是一根PEN线），而UPS主机要求交流旁路N线悬空（即不能接PE线）。为了不影响UPS主机的使用，交流旁路未接入。

4.2 UPS主机整流充电模块存在对220 V直流系统浮充电的可能性

如图3主用交流回路①供电时，220 V交流电源经UIB输入开关、输入变压器、整流器、直流电感、电池断路器BB与220 V直流系统蓄电池相连，可能存在UPS主机整流充电模块对220 V直流蓄电池浮充电的问题，针对此问题，厂家技术人员在UPS主机设置里将充电模块禁用，同时UPS主机运行中保持UIB主用交流输入开关断开，取消220 V主用交流电源经UPS主机先整流再逆变为220 V交流电源供电的运行方式。UPS主用交流进线暂且接入，仅在UPS主机维护时使用，220 V直流电源正常接入，运行中UPS主机只作为逆变器使用。

4.3 UPS输出的N相存在干扰电势

现场使用UPS后，进行事故照明双电源切换调试，结果发现双电源切换装置不能正常切换，经分析排查，确认原因为UPS输出的N相受到附近电气设备和电子元件的干扰，导致N相有一定的电势存在。该电势使双电源切换装置的控制器误判UPS输出的N相有电，从而影响双电源切换装置正常切换。

为了消除UPS输出的N相存在的干扰电势，现场采取将UPS输出的N相接地的方法。经试验验证，将UPS输出的N相接地后，N相干扰电势消失，UPS主机运行正常，事故照明双电源切换调试正常，如图2 UPS主机输出1路交流电源的N相是接地的，确认此方法可行。

5 结语

该水电厂事故照明系统改造完成后，进行事故照明双电源切换调试，并用400 V照明电b段校核事故照明系统实际总负荷为19 kW,满足UPS主机容量要求,然后将事故照明切至220 V直流系统供电，逐个点位投入事故照明直至全部投入，来校验UPS的带负荷能力，并观察对220 V直流系统的影响。

经试验验证，该水电厂改造后的事故照明系统双电源切换满足技术要求及现场使用需要，UPS的带负荷能力满足需要，UPS装置投入使用正常，改造后的事故照明系统实现了交直流系统的电气隔离，解决了事故照明切换导致直流系统接地的缺陷，事故照明切至220 V直流系统供电时对220 V直流系统的影响满足技术要求，达到改造的预期目的。