坪頭水電站直流系統(tǒng)設計

高 瞻，屈蕾蕾

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪頭水電站裝機容量180MW，裝設3臺單機容量為60MW的水輪發(fā)電機組。發(fā)電機電壓側(cè)接線為一組單元接線和一組擴大單元接線，1號機組和2號機組接一臺容量為150MVA的雙繞組升壓變壓器(242/13.8kV)，3號機組接一臺容量為75MVA的雙繞組升壓變壓器(242/13.8kV)，發(fā)電機出口裝設發(fā)電機斷路器。電站以一回220kV線路接至柳洪電站，另一回220kV線路接至雷波220kV變電站。220kV側(cè)接線采用單母線接線，220kV設備采用SF6全封閉組合電器(GIS)。

電站按“無人值班(少人值守)”原則設計，采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)對全廠機電設備進行監(jiān)視、控制，正常情況下電站僅配備少量值守人員，由美姑河集控中心對本電站進行操作控制，因而對直流系統(tǒng)可靠性要求很高。要保障直流系統(tǒng)的可靠性，首先必須有一個可靠的直流系統(tǒng)接線方案，其中包括直流母線的接線、直流電源的配置和直流供電網(wǎng)絡的構(gòu)成；其次，要合理地選擇直流系統(tǒng)中采用的設備，包括蓄電池、充電和浮充電設備、開關(guān)設備等。

2 坪頭直流系統(tǒng)設備選擇計算

2.1 直流負荷統(tǒng)計表

在直流系統(tǒng)設計開始階段，需對全廠負荷進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 坪頭水電站地下廠房負荷統(tǒng)計

2.2 蓄電池組電池個數(shù)及終止電壓的確定

2.2.1 蓄電池組電池個數(shù)的確定

(1)保證在正常浮充運行時，直流母線電壓不超過直流系統(tǒng)額定電壓的105%，

即

式中n——蓄電池組電池數(shù)；

Ufc——單個蓄電池的浮充電壓，取Ufc=2.25V/個。

因此，取n=103個。

(2)按均衡充電時直流母線電壓不應超過直流系統(tǒng)額定電壓的110%進行校核，

即Um=n×Ujc=103×2.30

=236.9<1.1Ue=242

式中Ujc——單個蓄電池的均充電壓，取Ujc=2.3V/個。

根據(jù)計算，蓄電池組電池數(shù)選為103個。

2.2.2 終止電壓的確定

為保證在事故放電末期(各事故放電階段)能夠維持直流母線電壓不低于允許值，

式中Uy——各事故放電階段母線最低允許電

壓，取Uy=0.9Ue；

Upn——單個蓄電池的終止電壓。

因此，取Upn=1.92V/個。

2.3 容量計算

2.3.1 滿足站用電事故全停狀態(tài)下的放電容量

式中Qe——所選蓄電池的額定容量，Ah；

Isg——事故負荷電流，A；

tsg——事故負荷持續(xù)時間，取tsg=1h；

Kq——放電容量比，根據(jù)蓄電池終止電壓曲線,對應tsg=1h,取Kq=0.4；

Kk——可靠系數(shù)，取Kk=0.8。

由于各廠家蓄電池的特性曲線不同，在實際選擇蓄電池容量時，也可根據(jù)主流蓄電池廠家提供的容量性能和放電終止電壓參數(shù)表，選擇滿足放電要求的蓄電池容量，并對其在滿足事故運行時供給最大瞬時沖擊負荷的要求進行校驗。

2.3.2 滿足在事故運行時供給最大瞬時沖擊負荷的要求

Icj.max≥Isg+Icj

式中Icj.max——所選蓄電池允許的最大沖擊負

荷，一般取Icj.max=1.25Qe；

Icj——沖擊電流，A；

Isg——事故負荷電流，A。

Qe≥0.8×(Isg+Icj)

=0.8×(139.22+50)=151.4(Ah)

根據(jù)計算，蓄電池容量選為450Ah。

根據(jù)DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》有關(guān)條款的規(guī)定，出線電壓為220kV及以上時裝設兩組蓄電池，因此本工程采用兩組蓄電池的冗余配置方案，兩組蓄電池分別帶直流系統(tǒng)的I段母線和II段母線。當其中一組蓄電池故障時，可用另一組蓄電池同時帶兩組母線。

2.4 充電、浮充電設備的選擇

充電裝置采用多個高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián)，即在N個模塊滿足蓄電池的充電電流(0.1C10)加上經(jīng)常負荷電流的條件下，選用N+1個模塊。

I=0.1C10+Ijc=0.1×450+48.72=93.72(A)

若選擇整流模塊的額定輸出電流為20A，可確定N=5，總共選用N+1=6個20A高頻開關(guān)整流模塊。

根據(jù)DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》有關(guān)條款的規(guī)定，每組蓄電池裝設一套充電裝置和一套浮充電裝置，兩組蓄電池則共用一套充電裝置，因此本工程采取單母線分段，3臺充電/浮充電裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每段母線各配置一組蓄電池，蓄電池容量為450Ah。

3 功能介紹

3.1 直流系統(tǒng)

電站220V直流系統(tǒng)采用兩套蓄電池、三套充電裝置(其中兩套工作、一套備用)的構(gòu)成方案；直流饋線采用單母線分段接線，兩段母線之間設置聯(lián)絡斷路器，正常運行時該斷路器處于斷開狀態(tài)。每組蓄電池和充電裝置分別接于一段直流母線，作為備用的第三臺充電裝置可在兩段母線之間切換。系統(tǒng)的進線開關(guān)、分段開關(guān)和饋線開關(guān)均選用具有過負荷及過電流保護功能的斷路器。

本直流系統(tǒng)采用微機控制裝置，能按照蓄電池的特性曲線和環(huán)境溫度變化自動實現(xiàn)蓄電池的均衡(衡流/衡壓)充電、浮充電、直流母線電壓調(diào)整(自動均壓功能)、蓄電池活化等。微機控制裝置能對直流系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)如充電設備、調(diào)壓器、蓄電池(單體電壓、落后電池的情況)、直流母線電壓等進行在線監(jiān)視。

充電設備采用智能高頻開關(guān)模塊(N+1)冗余并聯(lián)組合方式供電，充電模塊能帶電更換。在每套充(浮充)電裝置的進線端，分別提供兩回交流380V電源，充電裝置進線側(cè)應具有對兩回進線電源的自動切換功能。正常負荷(包括經(jīng)常負荷電流和蓄電池浮充電流)由充(浮充)電裝置提供，當充(浮充)電裝置故障或交流電源消失時，由蓄電池組提供輸出負荷；在一組蓄電池故障時，可通過手動方式閉合分段開關(guān)，實現(xiàn)兩段母線并列運行。充電設備具有“手動”及“自動”切換功能，并能夠以給定的均充電/浮充電曲線進行充電；在充電設備對蓄電池進行均充電過程中，通過自動調(diào)壓裝置的調(diào)節(jié)，能保證母線電壓的變化處在正常范圍內(nèi)，從而保證各饋線回路的正常運行。

直流屏裝設完善的信號，狀態(tài)、事故及故障等信號以空接點的方式送入電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。這些信號包括：直流I、II段接地故障信號，I、II、III號充電裝置故障信號，I、II段母線低電壓信號，各進線、饋線、母聯(lián)斷路器位置信號，饋出線斷路器事故跳閘總信號；直流屏內(nèi)裝電量變送器(測直流電壓和直流電流等)7只：包括對外引出I、II段直流母線電壓，3套充電機輸出電流和2組蓄電池的電流，變送器輸出4～20mA，送至電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。直流系統(tǒng)具有與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊的串行接口(RS485)，通過通信方式能將直流系統(tǒng)所有故障和狀態(tài)信號(包括開關(guān)量和模擬量)送入監(jiān)控系統(tǒng)。

蓄電池組設有微機電池在線檢測儀，可檢測出每個單體電池電壓，并根據(jù)充放電時間標出電池容量，對落后電池和電池損害予以報警。蓄電池設有放電回路和放電裝置，以便能將蓄電池定期放電。

3.2 UPS系統(tǒng)

電站UPS電源系統(tǒng)是一個220V 50Hz可靠接地的電源系統(tǒng)。地下廠房UPS系統(tǒng)容量為2×10kVA，不帶電池。閘首一套UPS電源，容量為3kVA，自帶電池(30Ah)。其工作電源來自閘首400V交流配電盤。

地下廠房UPS電源系統(tǒng)采用并聯(lián)運行的冗余結(jié)構(gòu)，由兩套UPS電源本體、配電裝置組成，兩套裝置互為熱備用(切換時間為0ms)。每套UPS電源本體由輸出隔離變壓器、整流器/充電器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、手動維修開關(guān)、旁路隔離穩(wěn)壓裝置、控制單元、SNMP網(wǎng)絡接口卡、LCD液晶顯示單元等組成；配電裝置由多路微型斷路器組成，并包括電流、電壓表和指示燈等必須的監(jiān)控設備。UPS裝置為微機型，采用模塊化設計，采樣、控制、監(jiān)視通過一塊主控線路由內(nèi)部微機完成，參數(shù)通過微機單元設置，提高了運行可靠性和調(diào)節(jié)精度，且裝置具有自診斷功能和事件記錄功能。

UPS系統(tǒng)交流進線分別取自一段廠用380/220V交流母線，由廠用220V交流電源通過整流裝置供電；直流進線分別引自廠用直流220V電源的兩段母線(閘首取自自帶的蓄電池)。另外，廠用電還提供一路檢修旁路電源，供檢修UPS工況時使用。每套UPS裝置輸入、輸出帶有隔離變壓器。隔離變壓器具有調(diào)節(jié)和瞬態(tài)濾波能力，靜態(tài)開關(guān)能無擾動切換，控制器采用32位DSP數(shù)字處理器，帶有LCD液晶顯示和智能通信接口單元。

UPS電源屏饋出母線的進線回路裝有一只交流電流變送器和母線電壓變送器(變送器輸出額定電流4～20mA)。變送器的輸出模擬量信號和反映設備運行、故障情況的部分開關(guān)量信號均送往電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，開關(guān)量主要包括：系統(tǒng)內(nèi)各斷路器位置信號、饋出母線斷路器事故跳閘總信號、逆變器故障信號、UPS退出運行報警信號、饋出母線低電壓報警信號等。

4 結(jié)束語

坪頭水電站直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能可靠，同時通過各種智能設備組成了通信網(wǎng)絡，降低了電站電源裝置的維護工作量和設備成本，大大提高了設備的智能度，為電站的長期安全穩(wěn)定運行提供了有力保證。

[1] 劉百震，盛和樂，等.DL/T5044-2004《電力工程直流系統(tǒng)設計技術(shù)規(guī)程》[S].北京:中國電力出版社,2004.

[2] 王鴻麟.現(xiàn)代通訊電源(修訂版)[M].北京:人民郵電出版社,1998.