煉鋼廠10 kV 系統直流屏升級改造實踐

□ 張 偉

直流屏是直流電源操作系統的簡稱，是一種全新的數字化控制、保護、管理、測量的直流系統，為控制、信號、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的直流電源，是當代電力系統控制、保護的基礎，具有高保護性和高智能化的特點。直流屏主要由機柜、整流模塊系統、監控系統、絕緣監測單元、電池巡檢單元、開關量檢測單元、降壓單元，以及一系列交流輸入、直流輸出、電壓顯示、電流顯示等配電單元組成。直流系統可靠與否，對供配電系統能否安全運行起著至關重要的作用。本文將對河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠10 kV系統直流屏升級改造情況進行詳細分析。

一、改造前狀況

河鋼邯鋼邯寶煉鋼廠10 kV系統直流屏由邯鄲五一八自動化有限公司設計提供，該直流屏帶有高壓設備的控制電源、合閘電源，以及測控裝置電源、通訊管理設備電源等。自2007年上線以來該系統已運行多年，在其運行過程中發現了一些問題：一是直流屏出現電壓飄移嚴重、輸出電壓不穩定、絕緣檢測裝置故障及元器件老化等情況，設備內的一些配件已經嚴重落后，無法滿足現階段的使用要求；二是原直流屏設計的紋波系數、穩壓精度、穩流精度等技術指標嚴重滯后，這些指標直接關系著直流屏運行狀況和使用壽命；三是原有直流屏使用的充電模塊和監控裝置已經停產多年，一旦出現故障，將只能報廢或花高價購買市場已經淘汰的產品；四是直流屏的其他輔料配件損壞后無法購買備件，會導致其不能正常工作，給煉鋼廠供配電系統及電網的安全運行帶來極大的安全隱患。鑒于以上情況直流屏系統升級改造工作已迫在眉睫。

二、改造方案設計

原直流屏的相控電源在紋波系數、穩壓精度等技術指標上已經明顯落后，由圖1可以看出，現階段的主流技術是具有智能化、模塊化、微機化、數字化、體積小、重量輕等優勢的高頻開關電源。因此，煉鋼廠10 kV系統直流屏在升級改造時要充分保留直流屏內仍有價值的輔件，保留屏柜骨架，盡量減少老產品的元器件報廢，用最低的費用實現改造。改造中使用電力模塊、微機監控器、電池巡檢儀等先進核心元件，替換原有的傻大笨器件，延長直流屏使用期限，為煉鋼廠10 kV系統提供穩定的交直流電源。

圖1 直流屏示意

1.監控系統的升級改造

由以前的藍屏監控升級成高清彩色觸摸屏監控，升級后的彩色觸摸屏是1套以嵌入式低功率CPU為核心的高性能一體化工控機。面板采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏。同時，還預裝了微軟嵌入式實施多任務操作系統WINCE.NET和嵌入式組態軟件。這使得監控系統運行更加安全可靠，人機節目更清楚，操作更便捷，速度更流暢，擴展孔可外接USB鼠標鍵盤，配有標準RS232/485串行接口和以太網接口。

升級后的新監控系統可直觀顯示交直流信息、充電模式、各功能單元盒的通訊狀態、系統工作狀態等。通過點擊觸摸屏“參數設置”進入“權限管理”界面，輸入密碼進入相應界面進行參數設置修改，且只有進行正確密碼輸入才能進入絕緣監測、開關狀態、電池巡檢、充電模塊等相關內容的查詢。當直流屏監控系統監測到異常數據時，啟動聲光報警，提醒維檢人員查看報警信息，及時排除故障。新監控系統具有遙控、遙信、遙測功能和遠程通訊接口，可通過該接口設定和修改運行狀態和定值，滿足電力自動化和電力系統無人值守的要求。

2.充電模塊的升級改造

原直流屏電池老化嚴重的主要原因是充電部分沒有采用活化式充電方式。長期偏低電壓充電，連浮充電壓值都沒有達到。升級新款的充電模塊由高頻開關電路組成，自控程度高，技術指標好，具備完善的輸入、輸出保護措施及電池自動均充、浮充轉換，并具有溫度補償功能。其運行參數設置好以后，一般就無需再改動。充電模塊由開關電源和監控2個部分組成。開關電源模塊的排熱風扇、監視信號燈狀態一目了然，模塊輸出電壓、電流數值顯示明顯。電路、風扇積灰是影響開關電源電路穩定工作的重要因素，定期進行清除。同時，在直流屏室內加裝空調系統，以保證設備運行的環境溫度，提高設備的使用壽命。

直流屏正常運行時，交流電源通過整流器模塊對蓄電池進行充電，以保證交流電源故障時蓄電池能提供可靠的操作電源。一旦整流器模塊發生故障，輸出的電壓不可控制，極易出現蓄電池充電電壓過高導致電池發熱甚至鼓包的現象。為避免安全隱患，通過在充電模塊與電池間加裝過壓保護裝置，對煉鋼廠直流屏蓄電池充電系統進行過電壓保護改造，能夠有效避免充電電壓過高造成的設備損害，為高壓室后續用電操作和供電運行提供可靠保障。

3.蓄電池的升級改造

蓄電池是直流系統的重要組成部分。其主要功能是儲存電能，為電力系統中的合閘線圈及事故工況下的控制、保護、信號和照明提供能量，保障失電時信息的準確上傳，確保信息無丟失。煉鋼廠10 kV系統直流屏已上線運行多年，蓄電池嚴重老化，假如交流失電，電池供電不足，高壓操控就無法工作，煉鋼廠供電系統將極度危險，為保證高壓供電安全，必須更換蓄電池。

更換直流屏蓄電池之前首先要確保安全，如果負荷不能停電，那么要確保充電模塊工作正常后，關掉電池回路的開關，并把電池回路的熔斷器拔出方能更換，而且更換過程中要避免短路。如果出現接線打火的現象，可能是蓄電池開關沒有斷開。更換完畢后，利用直流屏自檢系統和萬用表定期檢查單只電池電壓，發現電壓過低或沒有電壓的電池應及時更換。要保證蓄電池串聯聯接，不得擅自改變蓄電池數目。進行電池容量活化放電時也應檢查每只電池電壓，這樣能更有效地判別出損壞的電池。及時更換不良蓄電池能有效保證蓄電池組的使用效果，但是對于已超過規定年限的電池組，單只更換只能作為應急處理措施，待條件具備時應進行整組更換。

三、改造實施步驟

1.準備工作

改造中可能存在新款充電模塊與舊款充電模塊的尺寸、接口均不一致的情況，因此需現場施工改造。如新款模塊比舊款模塊尺寸小，需要改動原直流屏面板，改造完畢后有類似打補丁的效果，不太美觀；但其優點在于改造速度快，不用重新定做面板，能速效解決現場問題?？紤]到原直流屏3個充電模塊均需要升級，因此在設備改造前就需要把類似的補丁支撐面板根據實際情況提前制作出來，待更換模塊時直接安裝使用，縮短輔料加工的時間。

2.原直流屏元件撤除

用標示膠帶標示好原直流屏輸出負載電纜的起始點及用途，并標明正負極；斷開電池回路保險，然后撤去原有的電池連接線，并搬出舊電池；待全部電池移除完成后，斷開并撤去直流屏的交流輸入電源，斷開充電模塊之間的連接線，拔掉監控舊屏連接線；最后，移除全部充電模塊和監控舊屏。

3.新直流屏元件安裝

將18塊新電池搬入直流屏，先擺放好全部電池，再串聯連接各個電池，將電池組接入電池回路。安裝充電模塊時需根據現場尺寸加裝補丁支撐面板，確保固定牢靠后，再連接充電模塊之間的連接線。安裝監控系統新屏時，需根據圖紙對連接線進行優化重組。最后，將合母電源和控母電源空開與相應的負載電纜對應連接。

所有安裝工作結束后，對新組裝的直流屏進行調試，期間要注意蓄電池過放電的嚴重性。過放電嚴重時會造成整組電池報廢。為避免事故的發生，可以先把直流屏電池回路上2個保險拔下來。待調試完畢正式送電后再插上，確保蓄電池正常運行。

四、改造成果及經濟效益

本次改造升級將原有的舊設備拆除更換，在原有基礎上安裝新直流系統1套觸摸屏、3塊充電模塊和1套蓄電池組。相對于以前只有1套直流系統，改造升級后成為雙電源直流系統，若其中1套出現故障或需要檢修維護時，可以相互切換使用，增加了直流系統的安全性、可靠性。改造后的直流屏采用一體化設計，將交流電源系統、直流電源系統、電力UPS電源系統、通信電源系統進行統一設計。通過網絡通信、設計優化和系統聯動，實現煉鋼廠站用電源安全化、網絡智能化。直流屏在煉鋼廠供配電系統中將更好地發揮其不可或缺的作用。

通過對直流屏內各套系統的升級改造，目前煉鋼廠直流屏系統運行平穩，自動化運維模式更加優化，降低了設備儀表的采購和維護，有效提升了蓄電池組的運維效率。通過蓄電池實時監控和定期核容測試，可即時發現故障電池并指導精準定位更換，減少人工排查工作量，降低因蓄電池故障導致的電源事故發生率。同時，蓄電池組自動均衡，保障蓄電池浮充電壓偏差值在50 MV內，避免電池串聯使用中存在的“木桶效應”，整體提升了電池組性能，延長了其使用壽命?！?/p>