某电站配电系统操作电源优化改进

摘要：本文分析了某電站配电系统投入运行后暴露的缺陷，并寻找合理的改进方案，以优化操作电源并确保备用电源自动投入功能的正常运行，保障防汛设施及辅助设备的可靠运行。同时，经过优化方案后，可为运行维护人员操作、检修等工作提供便利性。

关键词：配电系统；备用电源自动投入；操作；运维

某电站厂用配电系统采用两级电压供电，分别为10kV、400V。两级供电分别由厂内和厂外厂用电系统两部分组成。厂内400V配电系统操作电源通常来自相邻部位的220V直流系统。部分400V配电系统处于厂外较远位置，由于直流电源线路过远不便敷设，厂外配电系统因此无法具备外来操作电源。这部分操作电源取自各系统10kV变压器低压侧。当变压器停电后，失去操作电源会导致无法正常操作，进而导致备用电源自动投入[1]功能无法正常使用。与配电系统相邻的10kV隔离开关柜，其操作电源也取自相邻变压器低压侧，所以停电后同样会导致操作电源消失，无法正常操作。下文以某电站厂外400V配电系统为例，对此类配电系统存在的缺陷进行分析，并提出解决方案。

一、400V配电系统概述

某电站厂内400V系统包括以下部分：1～4号机机组自用电、1～2号公用电系统、地面副厂房配电系统、地下副厂房照明系统、排风机室配电系统、水垫塘配电系统、水厂配电系统和进厂交通洞照明配电系统。厂外400V系统包括坝顶控制楼配电系统、进水口配电系统、泄洪洞配电系统、坝体集水井配电系统、坝区枢纽10kV配电房400V配电系统。

400V开关柜采用某电器公司生产的SIVACON型开关柜，进线和联络开关采用西门子生产的塑壳断路器3WL型。本体设置了速断、过流和接地故障保护，以实现在负荷发生故障时及时切除[2]。400V系统采用RCS-9651CS型微机备自投装置，安装于各配电系统的联络开关屏内。400V备自投主要包含备用电源自动投入和自动恢复功能。配电系统的备自投主要功能是当主用电源因故障断开后，够自动迅速地将处于备用状态的另一路电源投入使用，或将用户迅速切换到备用电源上去，以保证使用设备不受主用电源停电影响，简称为BZT装置。对BZT装置有以下基本要求：BZT装置的启动功能应能够及时反应主用工作母线失去电压的状态；处于工作状态的BZT装置只能正确动作一次，以避免在持续故障情况下，备用电源多次投入到故障未消除的原件上，造成多次损坏和更严重的事故；BZT装置的动作时间应尽可能短，使电动机在突发故障消除后更容易自启动；对于电压互感器的保险熔断情况，BZT装置应加入判据，不应立即动作；当装置监测到备用电源未正常供电时，BZT装置不应动作；为防止投入备用电源时，故障状态未消除导致事故扩大，设备损坏程度增加，合格的BZT装置要求工作电源断开后，备用电源才能投入，这一点十分重要。为满足上述要求，合格的BZT装置需由两个重要部分组成，即低电压启动部分[3]和自动合闸部分。低电压启动部分用于断开工作电源当母线因各种原因失去电压时。自动合闸部分用于在工作断路器断开后，使备用电源的断路器合闸。

400V系统正常运行方式为母线分段运行，母联开关设置工作“分闸”位置，备自投的备用电源自动投入功能和自动恢复功能均投入。

二、存在问题

发生紧急停电情况时，备自投装置需要判断工作电源是否消失，以确定是否需要进行备用电源投入。目前的情况是进线开关操作电源消失，导致不能执行分闸令，进而无法正确合上联络开关。为解决这个问题，可以考虑在备自投装置中增加一个备用电源控制模块，通过监测进线开关操作电源的状态，判断是否消失，如果消失，则通过备用电源控制模块发出备用电源投入指令，进而合上联络开关恢复母线供电。

针对10kV隔离开关柜操作电源消失后电磁闭锁无法解除的问题，可以考虑安装一个独立的操作电源供给装置，该装置可以通过备用电源或其他电源为隔离开关柜提供操作电源。这样，在变压器停运后，即使操作电源消失，仍然可以通过独立的操作电源供给装置解除电磁闭锁，从而方便运行操作人员和检修维护人员进行检修作业。

通过以上改进措施，可以使备自投装置能够更加可靠地进行备用电源的投入，并解决10kV隔离开关柜操作电源的问题，提高配电系统的可靠性和操作的便利性。

三、改进方案

水垫塘配电系统为水垫塘及周围区域水工建筑渗漏水排水系统和水垫塘区域附属设备提供电源。由于配电系统存在功能缺陷，导致故障或应急情况下排水系统无法正常运行，防洪门无法正常启闭，照明、通风等附属设备无法工作，工业电视无法监视。这可能会导致水工建筑物以及水垫塘排水系统等机电设备发生水淹的情况，对物资财产和人身安全造成危害，同时也对电站的安全稳定运行造成威胁。因此，为解决短时停电或故障停电时操作电源消失的问题，提出以下几种操作电源的改进方案。

（一）从相邻段母线取操作电源

若考虑停电情况下操作电源会消失的情况，则可以采取交叉取电的方式，即从相邻段母线引入本段操作电源。由于上级电源分别取自不同机组的10kV厂用电，当某一端电源需要停电或故障停电时，另一端电源通常都是正常运行的，因此本段操作电源能够正常供电，备自投装置可以正确动作，将两端母线联络运行，恢复供电。然而，当一段母线停电后，另一段母线上的操作电源会消失。在这种情况下，若工作中的母线所带负荷发生故障或者母线本身发生故障需要启动过流保护跳闸等情况时，由于正常运行母线的进线开关的操作电源取自已经停电的另一段母线，将导致无法正确分闸，从而造成开关越级跳闸，进一步扩大故障范围甚至引起上级电源故障，对主设备造成危害。

虽然该方案只需将操作电源改自相邻段母线，施工难度小，接线简单，但考虑到极端情况下需要保证设备运行的可靠性，不建议采取此方案。

（二）从生产区域临近直流系统取操作电源

使用直流电为设备提供操作电源是电力系统中常见的方式，在发电厂、变电站和其他场合中已广泛应用。一般用作开关分合闸、仪器仪表、继电保护装置和故障照明等设备的电源。电力系统中常见的直接供电的直流电源主要有两个电压等级，分为220V和110V两种。为实现对电力设备提供操作电源，并保证其可靠性和所供电源的质量，直流的操作电源由以下几个部件组成：交流配电单元、降压硅链、直流馈电单元、充电模块单元和监控单元。

水电站厂房内分区域提供了5套直流系统，配电系统操作电源均来自相邻直流系统提供的220V直流电源。水垫塘配电系统处于厂房外部靠近大坝位置。若从直流系统敷设电缆提供直流操作电源，可以解决配电系统的缺陷。但是由于距离最近的直流电源点有4千米的距离，且由于边坡地形复杂，导致施工难度大，滑坡情况多发。电缆损坏概率非常大，需要新敷设电缆较多，成本也较高。

若在水垫塘配电室单独配置一套直流系统，也可解决直流操作电源消失的问题。但是由于成本较高，并且需要增加大量的日常维护检修工作，所以不建议采取以上方案。

（三）在配电系统增加UPS电源专供操作电源

综合考虑距离、位置、投入成本、施工难度等因素，提出一套比较方便的方案，通过在配电系统中增加UPS（不间断电源）来消除隐患[4]。UPS是一种将蓄电池和电源主机结合起来，通过内部的逆变器和直流交流电路等模块将直流电源转换为交流电源，以供市电使用的设备系统。在市电正常输入时，UPS主机将经过稳压后的市电供应给负载，并同时对蓄电池进行补充充电，使其处于浮充状态。当发生市电中断或停电情况时，UPS发挥作用，将储能电池的能量通过逆变器切换转换为交流电，供应给负载设备，让其继续正常工作，保护负载设备的软硬件不会因停电而损坏。UPS不间断电源还能对设备提供保护[5]，防止电压过高或过低的情况对设备造成影响。

设备正常运行时，UPS在市电模式下工作，将母线电源经过内部稳压后输出，为配电系统提供操作电源，可供设备的正常操作及指示灯仪表灯显示。

当发生事故跳闸或电源掉电时，UPS主机会立即无缝切换至蓄电池供电模式，将蓄电池存储的电能逆变输出为220V交流电源，为操作电源供应备用自投装置跳开进线开关并合上联络开关，以确保BZT装置正确动作。

在设备停电检修时，UPS主机切换至蓄电池供电模式，为400V进线开关及10kV隔离开关提供220V操作电源。在进行开关分合闸试验及闭锁试验时，可以保证10kV开关柜和400V进线开关正常操作，方便开展维修工作并提高检修效率。

在确定合理方案后，需要进行施工图纸等设计。为使两段电源互不影响，最科学的方案是在两段进线柜各加一台UPS主机，让两段分开使用。设计原理如图2所示。

考虑到变压器合闸时电压冲击对用电设备的寿命会产生不良影响，UPS主机从进线开关下端即400V母线处取一路电源供给，作为UPS主机的电源。同时从UPS主机的负载端引出两路电源，分别供给进线开关柜和隔离开关柜作为操作电源。

四、应用

经仔细设计，此方案在配合水垫塘400V配电系统检修的过程中进行施工，增加UPS主机后，经操作试验隔离开关与进线开关分合闸操作正常。备自投装置经校验，功能执行准确，证明此方案可行。

于大型水电站体量大，配电系统配置较多，难以避免有些系统所处位置距离生产区域较远。因此，该电站水厂400V配电系统、泄洪洞400V配电系统、排风机室400V配电系统、坝体集水井400V配电系统在施工安装时同样存在没有外来直流系统提供的操作电源的问题，这可能导致配电系统在安全稳定运行方面存在隐患。

为解决这一问题，在配合设备检修周期时，计划对以上四套配电系统进行相同方案的改进。该方案同样适用于其他大型水电站的配电系统以及存在类似问题的配电系统。该方案具有成本投入低、施工便捷的優势，可以解决潜在的事故隐患。

五、结束语

通过在水垫塘400V配电系统进线电源屏后新增安装UPS电源主机，分别为400V进线柜和10kV隔离开关柜提供操作电源。这样消除了“因400V配电系统进线电源屏操作电源均取自本段母线，导致特殊情况下BZT装置无法正确动作”的安全隐患。同时解决了“10kV隔离开关柜因操作电源取自相邻变压器低压侧，导致变压器停运后隔离开关柜断路器无法正常操作”的问题。还能解决停电检修期间开关分合闸试验无法进行的问题。通过此次改进，水垫塘配电系统备用电源自动投入功能开始正常使用。这从根本上解决了水垫塘排水系统等防汛设施供电可靠性不高的问题，保障了水垫塘水工建筑及机电设备的安全运行[6]。

作者单位：沈杨阳 国能大渡河流域生产指挥中心

参  考  文  献

[1]陈胜，彭碧君，于立涛.双母双分段接线方式中备用电源自动投入装置配置[J].山东电力技术，2018，45（10）：45-48.

[2]陈淑秋，孙水英，张凤等.水利工程电气设计塑壳断路器的选用[J].山东水利，2003（04）：35.

[3]陈启萍.备用电源自投装置在水电厂的应用[J].电工技术，2011（07）：22-23.

[4]李广环.UPS电源设计与运用[J].山东工业技术，2019（04）：137.

[5]李富尧.UPS电源系统工作原理及维护[J].内燃机与配件，2018（18）：150-151.

[6]庞则珑.配电系统的安全运行可靠性分析[J].通讯世界，2018（11）：206-207.

沈杨阳（1994-），女，江西景德镇，助理工程师，研究方向：流域水电调度、电气设备自动化等。