升船機直流電源系統(tǒng)設(shè)計及應用

孔麗君

摘 要：為了提高升船機直流電源系統(tǒng)的可靠性，結(jié)合向家壩升船機運行特點，對其直流電源的設(shè)計現(xiàn)狀及運行情況進行分析，并提出優(yōu)化改進建議。

關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng);接線方式;設(shè)計應用

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0065-02

升船機是為船舶通過航道上集中水位落差而設(shè)置的一種“通航建筑物”。向家壩升船機由上游引航道、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室和輔助閘首）等五部分組成，全長約1530m。升船機直流系統(tǒng)主要給10kV開閉所和10kV/0.4kV變電所的控制和保護設(shè)備等用電負荷供電，因此直流系統(tǒng)的可靠性是升船機正常運行的必備條件。本文主要結(jié)合升船機直流系統(tǒng)的設(shè)計及應用情況，提出優(yōu)化改進措施。

1直流系統(tǒng)的接線方式

直流系統(tǒng)常見的基本接線方式分為單母線接線、單母線分段接線等接線方式。目前直流系統(tǒng)最常用的接線方式是單母線分段接線方式，按照蓄電池和充電裝置與直流系統(tǒng)的不同連接方式，單母線分段接線又可分為一組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線，兩組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線，以及兩組蓄電池、三套充電裝置的單母線分段接線。

向家壩電站升船機直流電源系統(tǒng)成套設(shè)備由上海青辰電源有限公司提供。結(jié)合實際負荷需求，在10kV/0.4kV變電所配置一套直流系統(tǒng)設(shè)備，系統(tǒng)采用單母線接線供電方式，直流電源屏接線示意圖見圖1。系統(tǒng)設(shè)計共1套充電/浮充電裝置、1組蓄電池的供電方式。其設(shè)備主要由1組蓄電池、直流電源主屏、直流電源分屏、充電/浮充電裝置、微機監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)測裝置、配電裝置、放電裝置，以及各種附件等組成。其中升船機10kV開閉所設(shè)有1個直流電源屏和1個電池柜;升船機10kV/0.4kV變電所設(shè)有1個直流分電屏。

當前單母線接線方式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，占用空間小。但是也存在很多缺陷，如交流進線電源采用單路供電，無互投裝置且系統(tǒng)僅配置一組蓄電池，無法有效滿足冗余供電保護及控制的需求;所有負荷電源取自一段母線，當回路出現(xiàn)短路或接地故障后將導致用電負荷無法正常工作;該接線方式不利于設(shè)備的運行維護，當充電裝置檢修時，只能靠蓄電池向母線供電，可靠性較低;按照要求蓄電池每年進行10小時核容試驗，試驗時僅充電裝置向母線供電，缺少后備電源。

2 蓄電池的選擇

蓄電池組是直流電源系統(tǒng)中的主要構(gòu)成部分，當交流電源失電后，由蓄電池向負載供電。蓄電池有堿性蓄電池和酸性電池，向家壩電站升船機直流系統(tǒng)設(shè)計為一組閥控密封式鉛酸膠體蓄電池，單體2V，共104瓶，100Ah。由于鉛酸電池維護工作量小，運行穩(wěn)定，放電性能良好，目前應用廣泛。由于受廠房實際空間限制，蓄電池采用組屏集中安裝的方式。配置在線實時監(jiān)測電池組的單體電壓，實時記錄分析不同工作狀態(tài)下每一只電池的電壓，及時發(fā)現(xiàn)落后或異常電池，給蓄電池維護提供重要的參考依據(jù)，確保蓄電池組安全運行。

3 充電機的選擇

充電機將交流電變換為直流電，經(jīng)保護電器輸出，一方面給蓄電池組充電，一方面經(jīng)直流配電饋電單元給控制負荷和動力負荷提供正常的工作電源。充電裝置型式有高頻開關(guān)電源模塊和相控式充電裝置。

相控電源是采用晶閘管作為整流器件的電源系統(tǒng)，工作原理是交流輸入電壓首先經(jīng)變壓器降壓，然后由控制器計算觸發(fā)控制角并通過移相控制晶閘管導通、關(guān)閉，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

高頻開關(guān)電源模塊經(jīng)過高頻變換器將直流電壓變換為脈寬可調(diào)的高頻交流脈沖電壓，經(jīng)過高頻變壓器隔離輸出至高頻整流器，將高頻交流脈沖電壓變換為高頻脈動直流電壓，經(jīng)LC整流濾波電路得到所需平滑的直流電壓輸出給負載。

由于兩者的工作原理不同，高頻開關(guān)電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度以及紋波系數(shù)均優(yōu)于相控電源。相控電源的誕生早于高頻開關(guān)電源，其智能化程度較低，同時，相控電源整流模塊當出現(xiàn)故障后，需要將整臺充電裝置退出運行后進行檢修和維護，檢修周期長，影響系統(tǒng)正常供電，直流系統(tǒng)的可靠性低。而高頻開關(guān)電源設(shè)計都采用N+1冗余方式和模塊化結(jié)構(gòu)，運行中當其中一個模塊出現(xiàn)故障時，不需要整套裝置停電檢修，只需要退出單個故障模塊，其他模塊自動重新分配負荷電流，實現(xiàn)均流運行，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，且充電模塊都可帶電拔插，維護方便，安全性高。后期如遇到供電網(wǎng)絡(luò)擴容改造時，只需增加整流模塊數(shù)量即可實現(xiàn)直流系統(tǒng)的擴容。因此，相控電源已逐步被高頻開關(guān)電源模塊所代替。

向家壩電站升船機直流系統(tǒng)充電機由四塊QCF22010型號的高頻開關(guān)電源模塊組成，開關(guān)模塊包括濾波器、全橋整流器、高頻變換器、高頻變壓器、高頻整流器、LC濾波器、控制電路和保護電路等部分。充電機設(shè)計容量滿足滿負荷運行以及同時對蓄電池進行主充的要求，并留有20%的裕量。

4 饋電及其他

饋電回路全部采用空氣斷路器，空氣斷路器具有使用方便，操作安全，工作可靠，安裝簡單，動作后 （如短路故障排除后 ） 不需要更換元件等優(yōu)點，因此被廣泛應用于饋電網(wǎng)絡(luò)中。但是，由于設(shè)計時無維修旁路，一旦斷路器、指示燈或監(jiān)測CT故障后，在不中斷供電狀態(tài)下，無法及時進行更換，對設(shè)備運行產(chǎn)生一定影響。

5 改進措施

升船機直流電源系統(tǒng)設(shè)計雖然可滿足負荷正常供電需求，運行也較為穩(wěn)定，但該套設(shè)備仍存在一些需要優(yōu)化和改進的地方。

5.1 接線方式優(yōu)化

鑒于單母線接線方式存在的問題，建議直流電源系統(tǒng)可采取以下優(yōu)化措施：

（1）系統(tǒng)接線方式調(diào)整為單母線分段接線，新增一組充電機，設(shè)計母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)，具體可采用圖2的接線方式。

（2）從廠房直流系統(tǒng)接入一應急電源回路供短時使用，解決緊急情況下的需要。由于原直流系統(tǒng)蓄電池容量選擇時沒有考慮另一組蓄電池的負荷，故可考慮聯(lián)絡(luò)回路按照直流饋線設(shè)計，裝設(shè)直流斷路器，具體設(shè)計可見圖3綠色標注。同時，為了便于蓄電池充放電試驗，新增一條充放電小母線，具體設(shè)計可見圖3紅色標注。

5.2采用新型模塊化裝配工藝

針對第四節(jié)中饋電回路設(shè)計存在的問題，可考慮采用模塊化裝配工藝，將斷路器、CT、信號燈及信息采集板組成標準化抽屜單元，實現(xiàn)饋電信息的全面采集。為實現(xiàn)饋電回路供電不中斷狀態(tài)下進行維護和更換，可配置維修插接組件，從而解決饋電開關(guān)及直流CT更換困難的問題。

5.3升級系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

隨著智能化的發(fā)展，實現(xiàn)蓄電池充放電智能管控，可通過一鍵順控的方式實現(xiàn)蓄電池自動化維護，從而降低人員維護的工作量。

直流系統(tǒng)應從傳統(tǒng)的分散式系統(tǒng)設(shè)計模式改為集中控制模式，并采用遠程開關(guān)操控，提高自動化水平，同時為防止誤操作，可采用防誤閉鎖技術(shù)，在減少人工維護工作量同時消除人工誤操作風險，大幅提高運維工作安全和工作效率。

擴展現(xiàn)有的監(jiān)測功能，除了對蓄電池電壓監(jiān)測外，增加對內(nèi)阻、開路、短路、溫度等的監(jiān)測，實現(xiàn)蓄電池全生命周期管控。通過對過程中蓄電池各參數(shù)的變化趨勢分析、判斷，建立蓄電池單體剩余電量或健康度預警機制，達到為蓄電池提供全生命的體檢服務(wù)。主動預防因蓄電池自身問題導致的直流母線失電故障。

5.4新增防誤報警功能

當直流母線脫離蓄電池或充電裝置時，監(jiān)控裝置發(fā)出告警信息，提示操作人員當前操作可造成母線失壓，避免人員誤操作導致的電力事故發(fā)生。

參考文獻：

[1]標準：DLT 5044-2014 電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程.