事故照明逆变电源为UPS备用方法研究与应用

吴小锋，刘鹏龙，张 鑫，孙晓伟

（河南国网宝泉抽水蓄能有限公司，河南 新乡463636）

1 前言

目前，国内抽水蓄能电站厂房多采用地下式结构，厂房都布置在人工开挖数公里远的山洞之中，厂房内安装有事故照明系统和UPS（不间断供电系统）。事故照明系统，即当正常照明因故障中断时，供事故情况下的照明，事故照明配电盘平时由工作照明母线供电，事故时自动切换至DC220 V/AC380 V直流逆变电源，由直流系统逆变成交流电源供电。UPS系统在公用电源失电的非正常情况下，蓄电池电能经逆变器仍能连续向用户提供优质的220 VAC电源。

2 故障情况及分析

某抽水蓄能电站UPS采用克劳瑞德工业机CP系列产品，投入运行将近10年。电站UPS系统设计为拓扑结构如图1所示，2组UPS系统并行连接，共同向负荷提供电能，如果其中一组故障，另一组能无扰动地承担全部负荷。近年来，随着电站UPS系统运行年久老化，设备故障频发，逐渐出现一些不可逆故障，最终发生并列运行的2套UPS系统逆变器同时故障，负荷转由备用电源（静态旁路）供电。因为备用电源取自普通厂用电220 VAC供给，所以UPS系统已经失去不间断供电能力。然而，地下厂房UPS主要为电站计算机监控系统操作员站、机组现地控制单元设备、电站计量主机等重要设备供电，由于UPS旁路供电不可靠性，极易造成机组事故停机、计量系统故障等事故，需要找到解决办法。

图1 UPS系统简图

电站UPS系统拓扑结构如图1，每一组UPS系统由4部分构成，充电器、电池、逆变器和静态开关，其中2套UPS共用1组蓄电池。UPS系统正常运行时，逆变器持续向关键负载供应稳定的交流电，充电器将交流输入电源转换为规定的直流电源，该直流电源转而用于逆变器输入和其连接的蓄电池充电，蓄电池通过内置CVCC充电器控制电路始终保持完全充电最佳运行条件，当交流输入电压骤降至低于规定限值或电源故障时，逆变器将继续使用蓄电池作为电源向设备负载提供恒定电压。备用电源（也称旁路电源）作为2组UPS的共同的后备电源，当2套UPS逆变器均无法正常输出电能时，系统自动切换至静态旁路供电，人为操作可以切换至检修旁路供电，然后将UPS系统隔离出来消缺或检修。JD1作为UPS系统总输出开关，Q1、Qn为具体负荷馈线开关。

电站事故照明所用DC220 V/AC380 V直流逆变电源系统如图2，直流输入电源取自电站220 V直流系统，为纯净的直流电源，220 V直流电源经逆变器、滤波器等环节，转换成纯净的正弦波电源，最后经由静态开关送至用户设备使用。经测定电压（220 VAC）和频率（50 Hz）稳定，电能质量良好。电站地下厂房2组220 V直流系统均设置了事故照明用直流逆变电源装置，事故照明逆变电源容量充裕。电站事故照明配电盘配置有1个交流进线开关和1个直流逆变进线开关，交流进线开关取电自正常照明配电盘，直流逆变进线开关取电自地下厂房220 V直流事故照明逆变柜。系统正常运行时，事故照明配电盘自动选择交流进线开关合闸，直流逆变进线开关分闸；当系统检测到交流进线失电时，自动切换为直流逆变进线开关合闸，交流进线开关分闸，以实现交流厂用电发生事故时，事故照明系统继续工作。

图2 事故照明所用直流逆变电源系统简图

2015年01月18日，受强风天气影响，电站户外架空线路故障导致厂用电跳闸，进而造成地下厂房UPS系统逆变器1、逆变器2同时大故障，UPS系统自动转为静态旁路电源带负荷运行。后期检查发现，逆变器1、逆变器2多个控制板卡变形损坏，充电器2存在大故障，经与原设备厂家工程师共同研判，2组UPS均已不具备修复可能。然而，2组UPS备用电源取自普通厂用电220 VAC，已经不具备不间断供电能力，而且电站所处位置属于大风、雷电多发地区，户外架空线路多次因恶劣天气导致跳闸，电站安全生产面临严重威胁，急需寻找其他不间断电源替代UPS系统。

3 解决方案

3.1 方案设计

电站技术人员通过对地下厂房现场实际仔细勘测，充分研究UPS系统及事故照明逆变电源接线图纸，查阅技术资料，发现UPS和事故照明逆变电源输出电源参数相似，从而设计出一种用事故照明逆变电源为UPS系统备用的方法。当发生UPS逆变器故障时，在事故照明逆变电源总输出开关JD2出线侧与UPS系统总输出开关JD1进线侧连接一根电缆，将UPS系统隔离出来，采用事故照明直流逆变电源为原UPS系统负荷供电，实现备用（如图3所示）。

3.2 方案实施

图3 事故照明逆变电源为UPS系统备用接线图

（1）容量复核：电站原UPS总负荷电流7.4 A（测量值），额定容量10 kVA；地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变装置额定容量为50 kVA；地下厂房220 V第一组直流系统整流装置额定电流200 A，实际负荷电流25 A，直流系统蓄电池容量1 200 A·h（C10）；由此可见，事故照明直流逆变装置和直流系统容量可以满足为UPS负荷供电要求。

（2）电缆走线布置：电缆从地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变柜接至地下厂房UPS旁路与配电柜；电缆走副厂房三楼空调泵房电缆桥架，两端分别从地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变柜和地下厂房UPS旁路与配电柜下部穿出。

（3）接线：按照设计方案接线，具体为从地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变柜10LAA001DL交流输出开关JD2下侧（交流输出端子B:N）接至地下厂房UPS旁路与配电柜10LNA001TB输出开关JD1进线侧，如图4、图5所示。

图4 事故照明逆变柜接线

图5 UPS旁路与配电柜接线

（4）送电：按照图纸和方案设计接线后，先合上地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变柜交流输出开关JD2，再合上地下厂房UPS输出开关JD1，最后逐个合上UPS各负荷开关（事先全部断开），检查UPS各负荷供电正常。

4 风险分析与控制

4.1 风险分析

上述备用方案实施后，地下厂房220 V直流1号事故照明直流逆变装置由 原来的空载备用转为负载工作，并将长期保持带载运行模式，而且事故照明逆变电源电能质量的稳定性有待更为长久的观察，设备运行方式的改变在客观上增加了一定的安全风险。

事故照明逆变电源取自地下厂房220 V直流系统，也就意味着原来UPS供电负荷全部转移由地下厂房220 V直流系统间接供电，大幅增加了直流系统的负担，一旦直流系统故障，将造成机组紧急停机、保护误动、自动化设备失去控制等，后果不堪设想。

4.2 控制措施

加强事故照明直流逆变电源及UPS供电系统的监视，定期测量事故照明直流逆变装置交流输出端子电压，定期测量UPS负荷母线电压，加强该临时供电回路的专业巡视，发现异常及时消除。

加强220 V直流系统日常维护，定期检查各整流模块工作状态、输出电压、输出电流等，定期测量蓄电池电压和内阻，保证直流系统稳定运行。

为确保UPS负荷供电可靠，在上述备用方案实施后，暂不开展事故照明定期切换试验，采用正常照明带事故照明运行，将事故照明直流逆变进线开关控制方式保持在手动。

鉴于原UPS系统改造需要重新设计、采购、施工等环节，周期较长，仅依靠事故照明直流逆变电源风险较大，电厂可以采购相同容量的便携后备式UPS作为备用。

5 结语

通过上述备用方案现场实施，自2015年3月至2016年5月期间，电站事故照明逆变电源为UPS负荷供电稳定，多次发挥为重要设备不间断供电作用，实现了电站UPS系统改造前保障电站安全生产的良好过渡，取得令人满意的效果。

这种方法的创新，在于充分考虑地下式厂房水电站现有设备安装情况，同时具备UPS系统和事故照明系统，并且两系统均具备一定不间断供电能力，且输出电源类型和电能质量类似。这种备用方法操作简单，效果明显，具有很强的实用性，对地下水电站UPS系统专业管理具有参考意义。