里底水電站工程直流電源系統(tǒng)

靳衛(wèi)安

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

里底水電站工程位于云南省境內(nèi)，為Ⅱ等大(2)型工程。樞紐建筑物由擋水壩、河床式廠房、左岸溢洪道、泄洪底孔、中控樓及開關(guān)站等組成。電站主廠房長144.8 m，安裝3 臺單機容量為140 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，發(fā)電機與主變采用單元接線方式。中控樓距廠房約為60 m，中控樓和開關(guān)站依次位于壩下下游右岸邊，中控樓長32.7 m,開關(guān)站長110.4 m，以500 kV、220 kV兩級電壓接入電力系統(tǒng)。

2 直流電源系統(tǒng)的要求

里底水電站為河床式廠房，多年平均年發(fā)電量為19.52億kWh，在電力系統(tǒng)處于重要位置，對直流電源系統(tǒng)提出了以下要求:

(1) 能可靠的為控制、信號、保護、自動裝置[1]、應(yīng)急照明和交流不停電電源等控制負(fù)荷和動力負(fù)荷設(shè)備正常供電；

(2) 壩區(qū)直流電源可直接引自廠房直流電源系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 直流電源及系統(tǒng)電壓的選擇

結(jié)合電站出線電壓等級、廠房、中控樓和壩區(qū)的布置情況，本電站直流電源系統(tǒng)可同時為控制和動力負(fù)荷供電，系統(tǒng)電壓可采用220 V或110 V。由于110 V直流電壓主要適用于110 kV及以下的發(fā)電廠升壓站、變電站等的控制負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)，220 V直流電壓有利于在給動力負(fù)荷供電時減小電纜截面，方便施工。水電站直流電源系統(tǒng)的額定電壓一般采用220 V[2]，故系統(tǒng)標(biāo)稱電壓采用220 V。電源采用蓄電池組，各套直流網(wǎng)絡(luò)獨立運行，沒有任何電氣連接。在正常工作方式時，各蓄電池組以浮充電方式運行。充電裝置型式選用高頻開關(guān)電源模塊型的充電裝置。

3.2 蓄電池的選擇

閥控式密封鉛酸蓄電池具有體積小、自放電系數(shù)小、使用壽命長等特點[3]，滿足常規(guī)電站安全運行和可靠性的要求。

3.2.1蓄電池數(shù)量的計算

蓄電池的數(shù)量應(yīng)滿足在浮充電運行時，直流母線電壓為1.05倍系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的要求[4]。常用的鉛酸蓄電池的電壓有2、6、12 V等，由于2 V電池壽命長、成本高[5]，6、12V電池壽命短，成本低，綜合考慮，推薦電池電壓采用2 V。由于系統(tǒng)電壓選擇DC220 V，故蓄電池出口電壓按220 V考慮。

(1)

式中:n為蓄電池個數(shù)；Un為每套直流電源系統(tǒng)的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，Un=220 V；Uf為每個蓄電池的浮充電壓，Uf=2.25 V。

根據(jù)上述計算，每組蓄電池數(shù)為103只。

3.2.2蓄電池均充電壓選擇

直流電源系統(tǒng)母線電壓(控制負(fù)荷和動力負(fù)荷合并)在均衡充電運行情況下不應(yīng)高于系統(tǒng)電壓的110%。

(2)

式中:Uc為每個蓄電池的均充電壓。

根據(jù)上述計算，每個蓄電池均充電壓為2.35 V。

3.2.3蓄電池放電終止電壓的選擇

為保證在事故放電末期能夠維持直流母線電壓不低于直流電源系統(tǒng)電壓的87.5%。每個蓄電池放電末期的終止電壓按照公式(3)計算。

(3)

式中：Um為每個蓄電池放電末期的終止電壓，V。

計算每個蓄電池放電終止電壓為1.87 V。

3.2.4負(fù)荷統(tǒng)計

直流負(fù)荷根據(jù)用電性質(zhì)，可劃分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷[6]。負(fù)荷統(tǒng)計是進行直流設(shè)備選擇和容量計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。機組及公用直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷情況詳見表1。應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷情況詳見表2。

表1 機組及公用直流電源系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計表

表2 應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計表

3.2.5蓄電池容量計算

本工程上接烏弄龍水電站，下鄰巴托水電站，直流電源系統(tǒng)事故備用時間按不小于1 h設(shè)計，按照負(fù)荷階段分段進行計算，取最大的計算容量值，最終蓄電池標(biāo)稱容量應(yīng)比最大計算容量值略大。根據(jù)每組蓄電池供電對象可分為2種方案，方案1為機組及公用設(shè)備和應(yīng)急照明使用1套直流電源系統(tǒng)，經(jīng)計算，設(shè)2組容量為1 000 Ah的蓄電池，直流電源系統(tǒng)短路電流按20 kA考慮。方案2為機組及公用和應(yīng)急照明也可分別設(shè)置1套直流電源系統(tǒng)，機組及公用設(shè)2組容量為600 Ah的蓄電池，應(yīng)急照明設(shè)1組容量為600 Ah的蓄電池，直流電源系統(tǒng)短路電流均按10 kA考慮。對比上述2種方案，方案2故障檢修時影響范圍相對較小，蓄電池造價相對較低，最終本電站機組及公用、開關(guān)站和中控樓、應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)蓄電池組容量分別為600、800、600 Ah。

3.3 充電裝置的選擇

充電裝置額定電流應(yīng)從滿足浮充電、蓄電池充電和蓄電池均衡充電3個方面的要求考慮。充電裝置型式選用高頻開關(guān)模塊，應(yīng)根據(jù)每組蓄電池配置充電裝置數(shù)量的不同，合理選擇高頻開關(guān)模塊數(shù)量。

3.4 接線方式

機組及公用電源系統(tǒng)直流電源系統(tǒng)母線采用單母線分段的接線方式，每組蓄電池和充電裝置應(yīng)分別通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連，兩段控制母線分別配置微機型絕緣監(jiān)測裝置。本套直流電源系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 機組及公用直流電源系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)站和中控樓直流電源系統(tǒng)采用單母線分段的接線方式，每組蓄電池和充電裝置應(yīng)分別通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連，第三臺充電裝置經(jīng)閉鎖開關(guān)可與任意一段母線連接。兩段控制母線分別配置微機型絕緣監(jiān)測裝置。

應(yīng)急照明專用直流電源系統(tǒng)采用單母線接線方式，配置1組蓄電池、1套充電裝置，蓄電池和充電裝置通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連，控制母線分別配置微機型絕緣監(jiān)測裝置。單套充電裝置進線應(yīng)引接兩路交流電源，兩路電源能自動切換。直流電源系統(tǒng)各裝置、自動化元件、傳感器的正常運行、故障報警等信號，全部先上傳至微機監(jiān)控裝置，然后微機監(jiān)控裝置采用RS485串口接口與站內(nèi)計算機監(jiān)控系統(tǒng)通信。

3.5 蓄電池布置

里底水電站中控樓距廠房約60 m,根據(jù)廠房、中控樓及開關(guān)站直流負(fù)荷分布情況，本電站共設(shè)置3套直流電源系統(tǒng)，2套布置在副廠房蓄電池室，1套布置在中控樓蓄電池室。蓄電池組架布置，每組蓄電池均采用免維護鉛酸蓄電池。

4 結(jié) 語

電站的運行方式和電站出線電壓等級對直流系統(tǒng)設(shè)計提出了較高的要求，同時結(jié)合廠房、中控樓分布情況和直流負(fù)荷分布等因素進行直流電源系統(tǒng)設(shè)計。該水電站已投運多年，直流電源系統(tǒng)運行良好，輸出穩(wěn)定。