王宇凡 吳鵬鵬 黃蔚 徐年根 江蘇省泰州引江河管理處

1.引言

泰州引江河是江蘇省東部地區(qū)引江供水口門，也是南水北調(diào)東線的水源工程之一，工程南起長江，北接新通揚運河，全長24km，主要工程作用為灌溉、排澇及調(diào)節(jié)水生態(tài)環(huán)境。高港樞紐距長江1.9km，是泰州引江河連接長江的口門控制建筑物，由泵站、節(jié)制閘、調(diào)度閘、送水閘、一二線船閘以及110kV變電所等組成，其中泵站選用葉輪直徑3m的立式開敞式軸流泵9臺（設(shè)計流量35m3/s，設(shè)計揚程4m），配TL-2000型同步電機(jī)9臺，總裝機(jī)容量18000kW。2020年底，高港泵站管理所對直流及逆變電源系統(tǒng)進(jìn)行改造，新系統(tǒng)采用浙江三辰電器有限公司的PGD8智能型直流電源屏及逆變屏，目前為止運行正常，安全可靠。

2.PGD8直流及逆變電源系統(tǒng)的組成

高港泵站直流裝置采用PGD8-IV-180-220+30kVA型總線式智能直流屏，由高頻開關(guān)整流模塊、可編程控制器（PLC）、蓄電池組、SCMK母線電源控制器、蓄電池自動監(jiān)測裝置、母線調(diào)壓裝置、中央監(jiān)控裝置（觸摸屏）、預(yù)告信號裝置、防雷器等組成。另設(shè)置逆變屏，由直流母線引出經(jīng)SCUPS-220-30kVA型正弦波逆變器提供穩(wěn)定不間斷的交流220V電源，供給監(jiān)控系統(tǒng)、SF6儲能等，以下為直流及逆變電源系統(tǒng)的主要組成部分。

2.1 中央監(jiān)控裝置

中央監(jiān)控裝置主要功能有顯示、設(shè)置、控制、告警、通訊、電池管理等。便于值班人員了解此系統(tǒng)的所有運行狀態(tài)。

2.2 AD整流模塊

高頻開關(guān)整流模塊采用智能風(fēng)冷的散熱方式，功率密度高，占用空間少，主要功能是實現(xiàn)AC/DC變換，還有控制、保護(hù)、通信、告警等功能。模塊內(nèi)置微處理器，能自動獨立完成對模塊自身控制，同時接受中央監(jiān)控裝置的監(jiān)控與管理。支持帶電熱插拔，擴(kuò)容、維護(hù)方便。

2.3 母線調(diào)壓裝置

調(diào)壓裝置串接在整流模塊和控制母線之間，整流模塊通過降壓硅鏈向控制母線供電，即將市電243V調(diào)壓為220V，同時調(diào)壓裝置和連接到控制母線的整流模塊一起構(gòu)成控制母線電源的雙備份，提高控制母線供電的可靠性。

2.4 直流配電模塊

EDU01作為直流配電監(jiān)控單元完成直流信號采集、硅鏈降壓控制以及母線絕緣檢測等功能。

2.5 SCMK母線電源控制器

絕緣監(jiān)測繼電器實時監(jiān)測直流母線的絕緣情況，能判斷母線電壓是否過高、過低以及絕緣是否下降到<20kΩ，當(dāng)出現(xiàn)上述情況發(fā)出告警信息。

2.6 可編程控制器（PLC）

采用的是SIMATIC S7-200 SMART（CPU ST20），具有采集數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)、管理電池、故障顯示等功能，值班人員可在觸摸屏查看控制。

2.7 開關(guān)電源 HDR-60-24

輸出直流電壓24V，給PLC等供電。

2.8 蓄電池組

電池組采用的是德國陽光A412-180AH閥控式鉛酸蓄電池，共18只。該蓄電池具有免維護(hù)、無腐蝕、容量大、大電流放電性能優(yōu)越、自放電率低等特點，此電池在充放電過程中安全可靠，反應(yīng)效率高，各個電池可在直流屏實時顯示狀態(tài)。

2.9 逆變電源

逆變屏采用的是SCUPS-220-30kVA型正弦波逆變器，具有自我檢測、保護(hù)、高品質(zhì)正弦波輸出和抗電磁干擾功能，可向微機(jī)、通訊、事故照明及其他重要設(shè)備供電。

3.PGD8直流系統(tǒng)的工作原理

3.1 直流系統(tǒng)主要工作原理

工作原理見圖1，即高港樞紐直流及逆變電源系統(tǒng)的交流電均取自低壓柜，在正常工作狀態(tài)下，旁路220V經(jīng)過逆變電源的交流輸出，給微機(jī)采集柜、微機(jī)屏操作站、全自動化采集儀、廠房微機(jī)控制、SF6儲能、微機(jī)控制、視頻控制柜供交流電，而交流380V經(jīng)過AD高頻開關(guān)整流模塊，轉(zhuǎn)化為直流243V，一路經(jīng)過VC調(diào)壓裝置，變?yōu)橹绷?20V向控母負(fù)載供電，一路向合閘負(fù)載供電，一路向電池組供電。當(dāng)在失電狀態(tài)下時，一方面電池組向控母及合閘負(fù)載供電，另一方面電池組向逆變電源供電，通過轉(zhuǎn)化為220V交流電向負(fù)載供電。其中高港泵站直流電源供給控母負(fù)載及合閘負(fù)載，包括微機(jī)系統(tǒng)、可控硅、SF6開關(guān)控制、191開關(guān)控制電源、上游閘門控制、下游閘門控制、上游閘門電磁鐵、下游閘門電磁鐵、10kV控母、10kV儲能、電磁鎖。高港泵站交流電源供給微機(jī)采集柜、微機(jī)屏操作站、全自動化采集儀、廠房微機(jī)控制、SF6儲能、三樓微機(jī)控制、視頻控制柜等負(fù)載。

圖1 PGD8直流系統(tǒng)工作原理圖

3.2 逆變系統(tǒng)具體工作方式

市電正常時，市電經(jīng)輸入隔離變壓器、整流器、濾波器變換成穩(wěn)定的直流電，再通過逆變器、正弦波濾波器、隔離變壓器逆變出純凈的正弦交流電，通過逆變靜態(tài)開關(guān)切換到輸出。

市電異常時，蓄電池組向逆變器供電，通過逆變輸出，得到純凈的正弦交流電，由逆變靜態(tài)開關(guān)切換到輸出。

逆變器出現(xiàn)異常時，可轉(zhuǎn)換為旁路運行，旁路市電由旁路靜態(tài)開關(guān)輸出。

逆變器出現(xiàn)故障檢修時，合上檢修開關(guān)，可以使逆變器脫開電源，進(jìn)行檢修、維護(hù)。

逆變屏原理圖見圖2。

圖2 逆變屏原理圖

4.直流屏通訊協(xié)議（符合MODBUS規(guī)約）

PGD8 通過與上位機(jī)通訊的RS485接口，將遙測、遙信數(shù)據(jù)實時上傳至后臺計算機(jī)，運行人員可以及時監(jiān)視直流屏的運行情況，同時可在后臺計算機(jī)遙控整流模塊，遙調(diào)直流屏的設(shè)定參數(shù)。PGD8作為MODBUS從機(jī)，支持MODBUS 1、2、3、4、5、6、16號等功能。

6號功能（遙調(diào)、遙控）見表1。

表1 6號功能（遙調(diào)、遙控）

3號功能（遙信、遙測）見表2。

表2 3號功能（遙信、遙測）

5.直流系統(tǒng)蓄電池組定期試驗

根據(jù)DL/T 724-2021《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》及泵站相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書，開展蓄電池充放電試驗。

5.1 放電前準(zhǔn)備工作

直流室室內(nèi)溫度、濕度保持在合理區(qū)間，且通風(fēng)、照明良好。直流室設(shè)“嚴(yán)禁煙火”標(biāo)志牌，并配備相應(yīng)的消防器材。

試驗人員檢查蓄電池外觀是否異常，如滲液、鼓包。各蓄電池之間的連接應(yīng)無誤、緊固、牢靠。試驗人員熟悉直流系統(tǒng)原理圖，了解規(guī)程及相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書。試驗人員在試驗開始前向其他成員詳細(xì)講解蓄電池充放電的步驟、內(nèi)容及各安全注意事項。

蓄電池充放電期間，現(xiàn)場必須做好安全措施，無關(guān)人員不得逗留現(xiàn)場。蓄電池充放電期間如遇電池?fù)p壞后酸濺至身體部位，尤其是眼睛時，應(yīng)立即用活水清洗，必要時立即就醫(yī)。

5.2 蓄電池充放電步驟

試驗人員首先測量蓄電池組端電壓，緊固每只電池的兩個螺絲，測量每個電池的初始電壓和初始內(nèi)阻。其次將下面一排除微機(jī)保護(hù)、微機(jī)監(jiān)控、10KV控制母線開關(guān)不分其余均分掉，上面一排4個開關(guān)（Ⅰ路交流進(jìn)線開關(guān)、Ⅱ路交流進(jìn)行開關(guān)、合閘交流進(jìn)線開關(guān)、合閘母線輸出總開關(guān)）全分掉，分低壓室直流屏電源。最后準(zhǔn)備放電電阻，先將電阻調(diào)到最大，將放電電阻接入回路，并合上開關(guān)，調(diào)節(jié)電阻，根據(jù)電池容量和放電時間確定放電電流，開始放電。放電后試驗人員每小時巡視2～3次，當(dāng)電池在12V以上的時候，一個小時記錄一次數(shù)據(jù)，當(dāng)在12V以下的時候，半小時記一次，當(dāng)有單只電池電壓到11.7V左右的時候停止放電，拆除電阻，將之前分掉的開關(guān)合上。

當(dāng)電池開始充電，先均充4～5小時，再轉(zhuǎn)浮充3～4小時，再靜止2～3小時，然后進(jìn)行測量，查看單只電池電壓是否高于13.5V，內(nèi)阻是否在7mΩ左右。對單只電池，若電池只到12V，則可單獨充放，放至10.8V，然后再充，至11.2V左右注意觀察，防止突降，重復(fù)三次后仍無法到13.5V，則電池需更換。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，蓄電池充放電試驗需反復(fù)放充兩次。

5.3 高港泵站蓄電池充放電試驗過程記錄

2022年3月17日，試驗人員對直流蓄電池組進(jìn)行第一次充放電試驗，9:15開始放電，至14:15放電完畢，放電電流為18A，放電時間為5h，電池溫升正常，未發(fā)現(xiàn)有電壓不正常下降的蓄電池，電池最低電壓為12.162V。充電試驗由14:15開始進(jìn)行，至21:15充電完畢，蓄電池電壓244.3V，蓄電池各充電數(shù)據(jù)正常，電池溫升正常。

2022年3月25日，試驗人員對直流蓄電池組進(jìn)行第二次充放電試驗，9:15開始放電，至14:15放電完畢，電池最低電壓為12.147V。充電試驗由14:15開始進(jìn)行，至21:15充電完畢，蓄電池電壓244.4V。

經(jīng)上述兩次蓄電池充放電試驗，判斷蓄電池組合格，可正常使用。

2022年3月17日蓄電池放電測量記錄見表3。

表3 蓄電池放電測量記錄表

6.直流系統(tǒng)主要故障處理

直流系統(tǒng)常見的故障包括絕緣不良、一點接地、正負(fù)極接地、電源系統(tǒng)失電、逆變異常等，以下介紹的是近兩年主要發(fā)生的故障處理過程。

6.1 逆變器故障

2022年某日，逆變屏提示逆變異常，如圖3，為了排除是否誤報，技術(shù)人員將系統(tǒng)調(diào)至逆變模式，結(jié)果顯示異常。因此為了保障工程正常運行，及時聯(lián)系廠家更換替換機(jī)，待替換機(jī)安裝無誤后，將故障逆變器送回廠家維修。經(jīng)廠家拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，逆變器輸出IGBT功率管被擊穿，5個交流風(fēng)扇燒壞1個。風(fēng)扇是接在交流輸出上，分析是電壓過高導(dǎo)致。當(dāng)更換新的功率管后和損壞的器件后，逆變器恢復(fù)正常工作，未發(fā)現(xiàn)其他問題。

圖3 逆變屏顯示逆變異常

因此推斷導(dǎo)致IGBT損壞情況的原因有以下幾種：①輸出負(fù)載線路長時間短路，導(dǎo)致機(jī)器不斷復(fù)啟動損壞，可能會損壞機(jī)器；②輸出并聯(lián)使用或者負(fù)載線路上有其他電壓供電接入，但本逆變器不具有并聯(lián)功能；③接線錯誤，如旁路輸入接到交流輸出上，或主機(jī)和變壓器接線錯誤，接線松動等；④操作失誤，如直流逆變輸出時，檢修旁路沒有斷開，導(dǎo)致檢修旁路電壓反灌到逆變器輸出上導(dǎo)致?lián)p壞；⑤可能是IGBT器件物料質(zhì)量問題。

但目前為止無類似故障，現(xiàn)場值班人員需密切注意逆變器或負(fù)載是否異常。

6.2 正母線絕緣不良

2023年2月某日，直流屏中央監(jiān)控裝置觸摸屏告警，提示正母線絕緣不良故障，如圖4。針對這一故障，技術(shù)人員采用拉路檢查的方式對合閘母線和控制母線上的負(fù)載逐一檢查。通過檢查，發(fā)現(xiàn)了絕緣故障出現(xiàn)在下游閘門電磁鐵這一負(fù)載上，隨即技術(shù)人員趕到廠房，打開啟閉機(jī)罩殼，發(fā)現(xiàn)電磁鐵的控制線由于波紋管破損，與處于零電位的電機(jī)金屬支架接觸，導(dǎo)致發(fā)生正母線絕緣不良故障。技術(shù)人員將控制線重新接線，包扎絕緣膠帶，更換了新的波紋管，防止再次與支架直接接觸，故障排除。

圖4 觸摸屏告警

7.結(jié)束語

直流系統(tǒng)無論是在泵站還是其他一些領(lǐng)域，均是十分重要的系統(tǒng)，值班人員在日常巡查過程中，要密切關(guān)注告警信息、電池電壓數(shù)值等，特別是在機(jī)組開機(jī)過程中，更要加強(qiáng)巡視，發(fā)現(xiàn)問題要及時排查處理，確保遇到泵站失電等極端情況下，不影響工程運行，以防無法發(fā)揮工程效益，從而導(dǎo)致更大的損失。