变电站直流系统改造方案的探讨
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【摘 要】随着电力系统的发展，变电站出现了越来越多的微机型保护装置和安全自动的装置，这就对站用直流电源提出了更高的要求。对于单电间充直流系统的66KV综合自动变电站，在更换直流系统的过程中易出现直流消失，开关拒动等严重事故，采用搭建临时直流系统与原有直流系统并列的方式。制定了具体的直流系统的改造具体实施步骤，并对并列产生了环流等问题提出了相关的解决方案。
【关键词】直流系统；直流改造；环流
一、直流系统故障导致重大事故案例分析
目前66kV 及以下变电站直流网络多采用的环状供电方式，存在供电可靠性低、直流失电不易查找等问题。例如2008 年7 月2 日，某地66 kV 变电站出现降雨雷暴天气，10 kVⅠ段母线2 回线路因遭雷击断线，弧光过电压沿线路侵入53 号断路器，柜中电流互感器击穿爆炸，导致直流短路，10 kV 直流保护电源空气断路器跳闸，1 号主变压器（以下简称主变）低压侧过流保护直流工作电源消失， 造成2 面10 kV 开关柜持续放电并爆炸， Ⅰ段母线及所连开关柜损毁；10 kV开关柜爆炸的同时，1 号主变35 kV 侧断路器附近遭直击雷，该间隔35 kV 的2 组隔离开关粉碎性爆炸，35kV 母线相间短路， 引发直流系统多点接地，35 kV 及110 kV 直流空气断路器跳闸，导致站内所有保护及控制回路失效，包括主变差动保护、瓦斯保护、66kV 后备保护均无法动作切除故障，在故障扩大过程中，1 号主变因电弧引燃泄漏出的变压器油，散热器起火燃烧，2 号主变因35 kV 出口处持续短路，内部绕组严重受损，最终酿成严重事故。
二、直流供电方案探讨
惨重的事故教训说明为保证变电站安全生产，66kV 变电站直流供电系统应进一步加强安全措施以预防事故。参照国家电网公司66kV 典型设计110-A-1方案，直流系统采用辐射状供电方式后，只需在原设计基础上增加一面直流馈线屏和800 m 的电力电缆，共投资约8 万元， 显然这对于投资达2 000 万元以上的变电站是完全可以接受的。与此同时，变电站直流系统的供电可靠性却可得到很大提高。
在66 kV 变电站直流供电系统中，66 kV 线路及主变保护、测控、故障录波、自动装置、电能采集及66 kV 断路器储能回路等可采用辐射状供电方式，35kV 及以下保护、测控装置、储能回路等可采用环形（小母线）供电方式。具体方案如下：
（1）66kV 线路保护及测控电源由直流馈电屏按间隔输出1 路， 操作电源由直流馈电屏按间隔输出1路，若有直流母线分段，则相邻间隔宜分别接入直流I，II 段母线。66 kV 断路器储能电源宜采取由直流馈电屏直接输出的辐射接线方式。
（2） 各电压等级母线公用电压切换及并列装置电源、测控电源应分别从直流馈电屏引取，不得与其他间隔电源共用，且切换、测控电源应分开。
（3）I 段直流母线馈电屏提供3 路馈出给主保护及后备保护、高压侧操作回路、低压侧操作回路；II 段直流母线馈电屏提供3 路馈出给主变非电量保护、中压侧操作电源、主变测控屏。以上按三圈变压器各侧设置一台断路器接线方式配置， 如断路器数量增减， 则相应增减直流馈出路数。若已建站点直流母线未分段，所有电源则取自同一段直流母线。主变各侧断路器储能回路电源宜采取由直流馈电屏直接输出的辐射接线方式。
（4）35（10） kV 保护测控电源、35（10） kV 断路器储能（合闸）电源分别采取两路电源环网接线方式，中间设置分段断路器，运行时开环运行。在每段接入线路及无功补偿设备数量较多且直流配电屏馈出回路数量充足情况下，也可按段采用环网供电方式。
（5）新建、扩建或改造的变电站直流系统空气断路器必须配置专用的直流空气断路器，上下级空气断路器配置应保证2～4 级级差，电源端选择上限，网络末端选择下限。
（6）新建或扩建变电站直流系统配置的直流空气断路器，在满足选择性的前提下应选用同一厂家系列产品。
（7）新建、扩建或改造的变电站直流回路严禁采用交流型或交直流两用型电压空气断路器，严禁直流空气断路器与熔断器串接混用。
三、解决的方法
首先，在直流改造过程中对于合闸电源及控制电源需要做出以下两点说明：
1、由于变电站断路器合闸电源平时空载，仅在断路器合闸时使用，允许短时停电，因此在更换过程中停用各馈线重合闸即可，所以我们不再对合闸电源进行说明。
2、由于控制、保护电源及信号电源对电力设备的安全运行至关重点，绝不允许中断，因此，我们主要针对控制电源进行说明。在对现场原有直流系统馈线网络进行仔细核查后，制定了更换方案，总体的更换思路是：搭建以馈线支路为例进行说明。
用临时电缆将馈支路直流由A点处引到空气开关的下侧（A点的位置在这条支路的受电侧电源接入点）。此时相当于将原来的直流电源引到空气开关的下方。此时在具体实施步骤上就面临两种选择。选择一：先断掉原有的直流系统，随后立即合上空气开关，这样做的好处是两套直流系统间的转换过程简单，清晰，但是这种比较快的转换过程中，瞬时的直流电压的变化，比较容易造成一些较为严重的后果，如保护装置误发信号、电源插件损坏、保护误动等。为了避免这些可能出现的问题。必然提前申请退出全站的保护出口压板，待直流系统安装调试完毕后恢复压板，而且还要在新的直流系安装调试完毕后重复一上述过程拆除临时直流电源。这样繁琐的操作过程，至少需要2h左右，在这段时间内就相当于变电所在无保护的状态下运行，这是不允许的，而且这样做中断了直流供电，与我们的初衷不符。选择二：先合上空气开关，将临时直流电源并入系统，然后拆去原有直流电源，在新的直流屏安装调试完毕后，重复以上步骤，拆掉临时直流系统即可。这样做的问题在于不同直流系统间容易产生压差，而且因为蓄电池的内阻较小，所以容易产生较大的环流（环流出现危害最大的情况是在两个电压不一样的蓄电池并列运行时冲击较大，影响蓄电池寿命）。但是这样做的优点也是显而易见的，首先可以确保在更换直流的过程中，不停止对外的直流供电，其次避免了更换过程中对保护装置压板的操作，因此我们选择这种方法。关于产生环流的问题，可以通过调整临时直流系统的电压，尽量缩小两套直流系统间的电压差，缩短两套直流系统并列时间的方法，将环流的影响降到最低。
四、注意事项
在具体工作过程中，有以下几点需要注意的事项：
1、更换前，需要对做为临时系统的蓄电池组进行仔细检查，将电池统充好电，测量其输出电压是否满足要求，以保证临时供电系统的可靠性。
2、由于一般的临时充电机只有一路交流电源输入，为了避免失去交流电带来的一系列问题，更换前，应对站用低压设备用电源自动投入功能进行试验。
3、电池容量选择和模块的配置。电池容量选择要进行直流负荷的统计，直流负荷按性质分为经常负荷、事故负荷、冲击负荷。经常负荷主要是保护、控制、自动装置和通信装置，事故负荷是指停电后必须由直流系统供电的负荷。如UPS、通信设置等。冲击负荷是指极短时间内施加的大电流负荷，比如断路器分、合闸操作等。
结束语：
此种更换方案已经通过几个66KV变电站成功应用。通过两次直流并列切换，顺利实现了直流屏的更换。在整个施工过程中没有发生控制、保护信号的直流电源中断，没有发生短路或接地，经直流屏换的变电站所有电力设备运行正常，确保了系统安全，稳定运行，提高了供电可靠性，达到预期的效果。
参考文献：
1、白忠敏 等，现代电力工程直流系统[M]北京；中国电力出版社2002
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