炼钢厂10 kV 系统直流屏升级改造实践

□ 张 伟

直流屏是直流电源操作系统的简称，是一种全新的数字化控制、保护、管理、测量的直流系统，为控制、信号、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的直流电源，是当代电力系统控制、保护的基础，具有高保护性和高智能化的特点。直流屏主要由机柜、整流模块系统、监控系统、绝缘监测单元、电池巡检单元、开关量检测单元、降压单元，以及一系列交流输入、直流输出、电压显示、电流显示等配电单元组成。直流系统可靠与否，对供配电系统能否安全运行起着至关重要的作用。本文将对河钢邯钢邯宝炼钢厂10 kV系统直流屏升级改造情况进行详细分析。

一、改造前状况

河钢邯钢邯宝炼钢厂10 kV系统直流屏由邯郸五一八自动化有限公司设计提供，该直流屏带有高压设备的控制电源、合闸电源，以及测控装置电源、通讯管理设备电源等。自2007年上线以来该系统已运行多年，在其运行过程中发现了一些问题：一是直流屏出现电压飘移严重、输出电压不稳定、绝缘检测装置故障及元器件老化等情况，设备内的一些配件已经严重落后，无法满足现阶段的使用要求；二是原直流屏设计的纹波系数、稳压精度、稳流精度等技术指标严重滞后，这些指标直接关系着直流屏运行状况和使用寿命；三是原有直流屏使用的充电模块和监控装置已经停产多年，一旦出现故障，将只能报废或花高价购买市场已经淘汰的产品；四是直流屏的其他辅料配件损坏后无法购买备件，会导致其不能正常工作，给炼钢厂供配电系统及电网的安全运行带来极大的安全隐患。鉴于以上情况直流屏系统升级改造工作已迫在眉睫。

二、改造方案设计

原直流屏的相控电源在纹波系数、稳压精度等技术指标上已经明显落后，由图1可以看出，现阶段的主流技术是具有智能化、模块化、微机化、数字化、体积小、重量轻等优势的高频开关电源。因此，炼钢厂10 kV系统直流屏在升级改造时要充分保留直流屏内仍有价值的辅件，保留屏柜骨架，尽量减少老产品的元器件报废，用最低的费用实现改造。改造中使用电力模块、微机监控器、电池巡检仪等先进核心元件，替换原有的傻大笨器件，延长直流屏使用期限，为炼钢厂10 kV系统提供稳定的交直流电源。

图1 直流屏示意

1.监控系统的升级改造

由以前的蓝屏监控升级成高清彩色触摸屏监控，升级后的彩色触摸屏是1套以嵌入式低功率CPU为核心的高性能一体化工控机。面板采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏。同时，还预装了微软嵌入式实施多任务操作系统WINCE.NET和嵌入式组态软件。这使得监控系统运行更加安全可靠，人机节目更清楚，操作更便捷，速度更流畅，扩展孔可外接USB鼠标键盘，配有标准RS232/485串行接口和以太网接口。

升级后的新监控系统可直观显示交直流信息、充电模式、各功能单元盒的通讯状态、系统工作状态等。通过点击触摸屏“参数设置”进入“权限管理”界面，输入密码进入相应界面进行参数设置修改，且只有进行正确密码输入才能进入绝缘监测、开关状态、电池巡检、充电模块等相关内容的查询。当直流屏监控系统监测到异常数据时，启动声光报警，提醒维检人员查看报警信息，及时排除故障。新监控系统具有遥控、遥信、遥测功能和远程通讯接口，可通过该接口设定和修改运行状态和定值，满足电力自动化和电力系统无人值守的要求。

2.充电模块的升级改造

原直流屏电池老化严重的主要原因是充电部分没有采用活化式充电方式。长期偏低电压充电，连浮充电压值都没有达到。升级新款的充电模块由高频开关电路组成，自控程度高，技术指标好，具备完善的输入、输出保护措施及电池自动均充、浮充转换，并具有温度补偿功能。其运行参数设置好以后，一般就无需再改动。充电模块由开关电源和监控2个部分组成。开关电源模块的排热风扇、监视信号灯状态一目了然，模块输出电压、电流数值显示明显。电路、风扇积灰是影响开关电源电路稳定工作的重要因素，定期进行清除。同时，在直流屏室内加装空调系统，以保证设备运行的环境温度，提高设备的使用寿命。

直流屏正常运行时，交流电源通过整流器模块对蓄电池进行充电，以保证交流电源故障时蓄电池能提供可靠的操作电源。一旦整流器模块发生故障，输出的电压不可控制，极易出现蓄电池充电电压过高导致电池发热甚至鼓包的现象。为避免安全隐患，通过在充电模块与电池间加装过压保护装置，对炼钢厂直流屏蓄电池充电系统进行过电压保护改造，能够有效避免充电电压过高造成的设备损害，为高压室后续用电操作和供电运行提供可靠保障。

3.蓄电池的升级改造

蓄电池是直流系统的重要组成部分。其主要功能是储存电能，为电力系统中的合闸线圈及事故工况下的控制、保护、信号和照明提供能量，保障失电时信息的准确上传，确保信息无丢失。炼钢厂10 kV系统直流屏已上线运行多年，蓄电池严重老化，假如交流失电，电池供电不足，高压操控就无法工作，炼钢厂供电系统将极度危险，为保证高压供电安全，必须更换蓄电池。

更换直流屏蓄电池之前首先要确保安全，如果负荷不能停电，那么要确保充电模块工作正常后，关掉电池回路的开关，并把电池回路的熔断器拔出方能更换，而且更换过程中要避免短路。如果出现接线打火的现象，可能是蓄电池开关没有断开。更换完毕后，利用直流屏自检系统和万用表定期检查单只电池电压，发现电压过低或没有电压的电池应及时更换。要保证蓄电池串联联接，不得擅自改变蓄电池数目。进行电池容量活化放电时也应检查每只电池电压，这样能更有效地判别出损坏的电池。及时更换不良蓄电池能有效保证蓄电池组的使用效果，但是对于已超过规定年限的电池组，单只更换只能作为应急处理措施，待条件具备时应进行整组更换。

三、改造实施步骤

1.准备工作

改造中可能存在新款充电模块与旧款充电模块的尺寸、接口均不一致的情况，因此需现场施工改造。如新款模块比旧款模块尺寸小，需要改动原直流屏面板，改造完毕后有类似打补丁的效果，不太美观；但其优点在于改造速度快，不用重新定做面板，能速效解决现场问题。考虑到原直流屏3个充电模块均需要升级，因此在设备改造前就需要把类似的补丁支撑面板根据实际情况提前制作出来，待更换模块时直接安装使用，缩短辅料加工的时间。

2.原直流屏元件撤除

用标示胶带标示好原直流屏输出负载电缆的起始点及用途，并标明正负极；断开电池回路保险，然后撤去原有的电池连接线，并搬出旧电池；待全部电池移除完成后，断开并撤去直流屏的交流输入电源，断开充电模块之间的连接线，拔掉监控旧屏连接线；最后，移除全部充电模块和监控旧屏。

3.新直流屏元件安装

将18块新电池搬入直流屏，先摆放好全部电池，再串联连接各个电池，将电池组接入电池回路。安装充电模块时需根据现场尺寸加装补丁支撑面板，确保固定牢靠后，再连接充电模块之间的连接线。安装监控系统新屏时，需根据图纸对连接线进行优化重组。最后，将合母电源和控母电源空开与相应的负载电缆对应连接。

所有安装工作结束后，对新组装的直流屏进行调试，期间要注意蓄电池过放电的严重性。过放电严重时会造成整组电池报废。为避免事故的发生，可以先把直流屏电池回路上2个保险拔下来。待调试完毕正式送电后再插上，确保蓄电池正常运行。

四、改造成果及经济效益

本次改造升级将原有的旧设备拆除更换，在原有基础上安装新直流系统1套触摸屏、3块充电模块和1套蓄电池组。相对于以前只有1套直流系统，改造升级后成为双电源直流系统，若其中1套出现故障或需要检修维护时，可以相互切换使用，增加了直流系统的安全性、可靠性。改造后的直流屏采用一体化设计，将交流电源系统、直流电源系统、电力UPS电源系统、通信电源系统进行统一设计。通过网络通信、设计优化和系统联动，实现炼钢厂站用电源安全化、网络智能化。直流屏在炼钢厂供配电系统中将更好地发挥其不可或缺的作用。

通过对直流屏内各套系统的升级改造，目前炼钢厂直流屏系统运行平稳，自动化运维模式更加优化，降低了设备仪表的采购和维护，有效提升了蓄电池组的运维效率。通过蓄电池实时监控和定期核容测试，可即时发现故障电池并指导精准定位更换，减少人工排查工作量，降低因蓄电池故障导致的电源事故发生率。同时，蓄电池组自动均衡，保障蓄电池浮充电压偏差值在50 MV内，避免电池串联使用中存在的“木桶效应”，整体提升了电池组性能，延长了其使用寿命。○