锦界风井35 kV变电站直流系统研究与改造

杜水霞

（国能神东煤炭有限公司供电中心，陕西 神木 719300）

0 引 言

变电站直流系统是为站内控制装置、保护装置、自动化装置、信号设备、通信、计量以及事故照明等提供直流电源的供应设备。直流系统是一个独立的电源，它不受站用电及系统运行方式的影响，能在外部交流电中断时，由蓄电池组备用电源继续提供直流电源，保障系统设备正常运行。直流系统的用电负荷极为重要，对供电的可靠性要求很高，直流系统的安全可靠直接影响到电力系统的可靠性和安全性[1]。

1 锦界风井35 kV变电站直流系统基本情况

锦界风井35 kV变电站位于神木市锦界镇青草界村，于2004年建设，2005年5月投运，主要担负着锦界煤矿风井主扇、强排、皮带机、水泵房的用电，日平均负荷8 000 kW。

站内直流系统采用1组蓄电池1组充电装置的单母线接线，接线图见图1。

图1 锦界风井35 kV站直流系统接线图

锦界风井35 kV变电站直流系统主要由直流充馈电屏，蓄电池屏组成。充馈电屏包括交流输入、直流输出、充电装置、绝缘监测装置以及直流电源监控装置[2]。

蓄电池屏包括5层隔板，摆放山东圣阳的18只阀控式密封铅酸蓄电池，在系统正常情况时蓄电池组是在浮充电模式下运行，当交流电源断电或者充电装置自身故障时，蓄电池组放电承担全部的直流负荷。

2 锦界风井35 kV变电站直流系统存在问题分析

锦界风井35 kV变电站随着投运年限的增加，直流系统内部元器件老化，导致直流系统故障频发。

2.1 直流充电模块安全性和可靠性降低

由于产品的升级换代，备件的采购难度大，使故障模块得不到及时更换。当充电装置的其中1块模块故障时，检修队很难储备相同型号的备件，导致更换的模块与其他模块型号不同，不同特性的模块间充电电流不能得到均衡分配，这些因素都会使直流系统的安全性和可靠性大大降低[3]。

2.2 误报警增多

直流电源监控装置常常会出现连续误报警的情况，根据站内运行日志数据统计，在2018年站内直流监控装置连续误发告警信号多达56次，每次的误报值班人员都需认真检查一遍交直流系统的运行情况来查找报警原因，这给值班人员带来不必要的信息干扰。

2.3 接地故障不能准确定位

绝缘监测装置由于服务年限太久，装置的灵敏性逐渐降低，而且在反应接地故障时不能准确地定位故障的位置，在查找接地故障时只能采用拉路试验的办法，当拉路试验操作不当时，可能会造成保护误动，甚至引起事故范围的扩大。

2.4 变电站蓄电池出现过压、欠压告警

蓄电池在正常温度下的浮充使用设计寿命是10～15年，近些年，变电站蓄电池曾出现过压、欠压告警。在2018年，因上级变电站原因造成的一次全站失压事故中，在进线带电后因蓄电池电压过低而导致进线开关无法电动合闸，造成矿井停电时间超过规定的恢复送电时间，煤矿不得不启动应急预案，这起事故不仅给矿井生产带来经济损失同时也给井下人员安全带来了威胁。在随后的事故调查中发现有一块蓄电池内部故障造成整个蓄电池组电压偏低[4]。

2.5 无蓄电池巡检仪

电池巡检仪投资不大，系统也不复杂，可实现检测单个蓄电池电压，提升蓄电池的运行维护综合管理水平，延长蓄电池的使用寿命。在上述事故中若有蓄电池巡检仪在线监测每块单体电压，就可以第一时间发现蓄电池组中不合格的单体，运维人员能尽快安排检修处理，避免事故的发生。

2.6 UPS已无法满足安全运行需求

近年来随着中心智能化供电系统的建设，变电站后台设备在不断增加，监控设备，在线测温集中管理设备、通信设备等智能化设备的增加使3 kVA容量的不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）已无法满足现场安全运行需求，UPS曾发出过负载和过温的报警信号。

针对上述直流系统各部分存在的隐患，给变电站安全可靠运行带来了较大风险，为一次性解决这些不稳定因素，同时推进中心智能化变电站建设的进度，锦界风井35 kV变电站直流系统的改造已刻不容缓[5]。

3 直流系统改造方案

3.1 设备的选型

3.1.1 蓄电池的选择

阀控式密封铅酸蓄电池具有放电性能好、维护工作量小、价格便宜等优点，多年运行经验证明，阀控式密封铅酸蓄电池能够满足变电站对直流电源系统安全和可靠性的要求。随着国家对新能源的倡导和重视，属于无毒、无污染的磷酸铁锂蓄电池具有寿命长、工作温度范围宽、维护工作量小等特点，在新能源项目以及部分电网变电站已有应用，但考虑磷酸铁锂蓄电池的设计原型是频繁充放电的起动型蓄电池，将其转化成浮充方式运行的直流电源，对蓄电池安全性、容量选择计算以及现有直流电源系统接线适用性、充放电运行方式等方面的影响还需要作深入研究。根据目前的实际状况，磷酸铁锂蓄电池虽然在电力工程中已有一定的应用，但运行经验尚不成熟。在本次蓄电池电源改造更换工作中，蓄电池选择新乡市新电电力科技有限公司的阀控式密封铅酸蓄电池。

根据《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DL/T 5044—2014），锦界风井变电站选择单体12 V蓄电池1 组，蓄电池的浮充电电压13.5 V。蓄电池数量根据公式计算，具体为

由式（1）可知，n取18只。根据变电站的直流负荷，包括经常负荷、事故负荷和冲击负荷，锦界风井35 kV变电站安装2台 20 000 kVA变压器、5回35 kV线路、29回10 kV线路和2组电容器，事故应急照明灯25盏，UPS装置容量5 kVA，变电站断路器均采用弹簧储能操动机构，所以最终选择100 Ah的阀控式密封铅酸蓄电池即可满足现场运行的要求。

3.1.2 充电装置的选择

选择1组蓄电池配置1组充电装置的直流电源系统，充电装置设置2路交流电源，一路失去电源时自动切换至另一路。统计直流经常负荷和蓄电池10 h放电率电流，根据《电力工程直流电源系统设计技术规程》中高频开关电流整流模块数量的选择，计算出充电模块的数量是3。选用维谛技术有限公司的ER22010TE 充电模块。

3.1.3 监控装置、绝缘监测装置的选择

为适应智能化变电站建设，本站直流监控装置和绝缘检测装置选用XDJK7-Z型一体化电源直流监控器，它采用智能化“四遥”功能，提供标准通信协议，易与诸多设备进行连接，实现模块化管理，集成多路电源切换、防雷、配电及智能监控于一体。它实现了原先装置没有的拓扑显示功能。具有绝缘支路选线功能，可快速准确地选出接地故障支路，避免了原先拉路实验带来的隐患。具有电池在线巡检功能，可检测单个蓄电池电压、温度等信息。通信功能更加强大，可将直流系统检测数据上传供电中心调控一体化平台，可实现远程指令的下达和操作，为下一步实现无人值守提供技术支撑。

3.1.4 UPS的选择

UPS选择新乡市新电电力科技有限公司的3503R-DC220型容量5 kVA设备。该设备是先进的工业级超隔离在线式正弦波不间断供电系统，它可以为精密设备提供优质、可靠、纯净的交流电源。

3.2 改造方案的确定

为确保直流系统成功改造，提供2种方案。

方案1：利用新旧设备配合完成改造。先将新的充馈电屏、蓄电池屏组装并测试好，隔离撤出旧的蓄电池屏，将新的充馈电屏安装到对应位置，此过程，直流负荷由旧的充电装置供电。第二步，接通新的充电装置，然后将直流负荷依次倒入新的充电屏，此过程中直流负荷在倒出的一段时间直流电源是单回路供电的。第三步，将旧的充馈电屏隔离撤出，新的蓄电池屏装入对应位置并接入新系统。

此方案改造过程存在的问题：一是直流负荷在改造过程中只有充电装置供给电源，在交流失去电源时将导致整个直流系统瘫痪；二是在直流负荷倒出时需要增加联络断路器，在负荷倒出的一段时间直流电源是单回路供电，所以改造中直流系统安全性和可靠性较低。

方案二：加入新的1套临时直流系统，接线如图2所示。将临时直流电源直接提供到受电端端子箱，提前组装并调试好新的充馈电屏和蓄电池屏，确认临时直流系统为全部直流负荷供电后，将旧的充馈电屏和电池屏断电拆除，在对应位置装设新的充馈电屏和蓄电池屏，并完成对应接线。核对调试正确无误后，再依次将临时系统中的所有直流负荷倒回到新直流系统中。

图2 直流系统改造方案二原理

4 改造注意事项

（1）改造前，需做好各项准备工作。区队要组织运行人员对直流系该改造方案和应急措施进行学习，要对变电站一次设备和二次设备做一次全面的隐患排查，发现问题立即汇报处理，调度要根据天气情况安排改造时间，不再安排其他的检修工作，并通知锦界煤矿合理安排生产，确保负荷平稳。

（2）改造过程中要派人对临时直流系统进行密切的监视，做好记录。考虑直流负荷在倒负荷过程中所有工作都是在带电情况下进行的，所以在接线时必须核对极性，对打开的馈线要进行绝缘处理，并派专人进行看护，以防在支路打开后发生直流接地、短路故障以及触电事故。

5 结 论

锦界风井35 kV变电站直流系统在2021年7月改造完成后，运行至今未发生任何故障或误报警情况，现场运行效果良好，达到了预期的目标。本次直流系统的成功改造，为公司矿井其他地面变电站的智能化建设提供出了参考模板，也为公司智能变电站最终实现无人值守提供了可靠的技术保障。

随着供电中心预装式智能变电站的研发与应用，在太阳能电源和外部电源一体化热备用电源系统的管控技术上，研究交直流电源的无缝切合技术，通过将整站辅控设备两路电源优化为直流屏+光伏系统组合方式，将成为保障直流供电可靠性、达到节能减排的有力措施。