直流操作電源系統(tǒng)設(shè)計探討

周 平

(中遠智信設(shè)計有限公司, 貴州 貴陽 550000)

0 引 言

直流操作電源系統(tǒng)是控制、測量儀表、繼電保護、自動裝置以及其他二次回路的工作電源。在正常情況下,應(yīng)能提供斷路器跳、合閘以及其他設(shè)備的保護和操作控制;在事故狀態(tài)下,應(yīng)能提供繼電保護跳閘及事故照明電源,避免事故擴大,因此,設(shè)計直流操作電源系統(tǒng)尤為重要。本文以某工程實例為背景,通過運用手冊規(guī)范中的計算公式,結(jié)合設(shè)備廠家的技術(shù)標準,從系統(tǒng)設(shè)計的幾個關(guān)鍵方面展開分析。

1 直流操作電源系統(tǒng)整體設(shè)計方案

1.1 工程項目概括

某地區(qū)一發(fā)電廠裝有一臺單機容量為50 MW的燃氣輪發(fā)電機組。此發(fā)電廠輸出的電能與地區(qū)的110 kV電網(wǎng)相連。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

發(fā)電廠內(nèi)擬設(shè)計一套向控制負荷和動力負荷等供電的直流操作電源系統(tǒng)。

(1) 系統(tǒng)電壓選擇。此項目的直流用電設(shè)備電壓為DC 220 V,設(shè)備容量較大且供電距離較遠,宜采用控制和動力負荷合并供電,直流系統(tǒng)標稱電壓采用220 V。

(2) 蓄電池組選擇。本項目僅裝有1臺容量為50 MW的發(fā)電機組,依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,可為獨立的電氣系統(tǒng)設(shè)置單獨的蓄電池組[1-2]。本系統(tǒng)可裝設(shè)1組蓄電池。

直流電源采用貧液吸附式的閥控式密封鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池采用單體為2 V的蓄電池,共103只,單體電池放電終止電壓為1.87 V。

(3) 充電裝置選擇。充電裝置型式選用高頻開關(guān)電源模塊型充電裝置,且配置2套充電裝置。

(4) 系統(tǒng)接線方式設(shè)計。由于本系統(tǒng)為1組蓄電池配置2套充電裝置,宜采用單母線分段接線方式,2套充電裝置應(yīng)接入不同母線段,蓄電池組應(yīng)跨接在兩段母線上。

(5) 系統(tǒng)接線方式設(shè)計。直流操作電源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用集中輻射型供電方式,系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)接線圖

2 直流操作電源系統(tǒng)設(shè)計實例計算

2.1 直流負荷統(tǒng)計

直流負荷按功能可分為控制負荷和動力負荷;按性質(zhì)可分為經(jīng)常負荷、事故負荷和沖擊負荷。

依據(jù)文獻[4]第4.1.1條、第4.1.2條、表4.2.5及表4.2.6,現(xiàn)將本工程項目的主要直流負荷統(tǒng)計如表1所示[3-5]。

2.2 蓄電池容量計算

本工程蓄電池容量計算采用階梯計算法,具體計算方法與步驟如下。

(1) 各階段的放電電流計算。

第一階段:蓄電池事故放電初期1 min放電電流。

除高壓斷路器合閘機構(gòu)外,其他負荷均需要統(tǒng)計。直流負荷對應(yīng)功率因數(shù)為1,UPS電源可按20 kW考慮。此階段由于直流電機在起動瞬間有沖擊電流,所以統(tǒng)計時需計入起動電流,本文按2倍額定電流取值,直流電機的負荷系數(shù)不需要計入。

表1 主要直流負荷統(tǒng)計表

I1=258 A

第二階段:蓄電池事故放電1～30 min放電電流。

除熱控控制事故初期沖擊負荷、高壓斷路器跳閘線圈、高壓斷路器合閘機構(gòu)外,其他負荷均需要統(tǒng)計。由于此階段直流電機起動已完成,故統(tǒng)計時只需計入其額定電流,同時應(yīng)考慮負荷系數(shù)。

I2=156 A

第三階段:蓄電池事故放電30～60 min放電電流。

I3=156 A

此階段統(tǒng)計方法同第二階段。

蓄電池組隨機負荷電流為

Ir=14 A

此階段的隨機負荷為高壓斷路器合閘機構(gòu)。

(2) 各階段的容量計算。

首先,查DL/T 5044—2014表C.3-3得到不同放電時間的容量換算系數(shù)。其中:5 s換算系數(shù)為1.27;1 min換算系數(shù)為1.18;29 min換算系數(shù)為0.764;30 min換算系數(shù)為0.755;59 min換算系數(shù)為0.548;60 min換算系數(shù)為0.52。然后按附錄C.2.3中的階梯法計算。

第一階段(初期1 min)為

(1)

第二階段(1～30 min)為

(2)

第三階段(30～60 min)為

(3)

隨機負荷計算容量為

(4)

上述式中各符號的含義可參考附錄C.2.3中的定義,計算結(jié)果均取整數(shù)。

(3) 蓄電池容量選擇。

將Cr疊加在第二階段與第三階段中最大值,即11+434=445 Ah,比第一階段Cc1=306 Ah更大,取較大者。

則蓄電池計算容量為445 Ah,按照廠家的蓄電池容量規(guī)格,可選擇500 Ah。

2.3 充電裝置額定電流計算

從圖1可以看出,該工程直流系統(tǒng)不脫離母線均衡充電,充電時仍對經(jīng)常負荷供電,故應(yīng)滿足均衡充電要求。

先計算直流電源系統(tǒng)的經(jīng)常負荷電流:

Ijc=[(6+5+1+1)×0.6+

2×1]÷0.22=45 A

(5)

其中,經(jīng)常負荷包括電氣控制、保護電源、熱控控制經(jīng)常負荷、直流長明燈、勵磁控制電源、變壓器冷卻器控制電源。

則充電裝置額定電流為

Ir=1.25I10+Ijc=

(6)

式中:I10——蓄電池10 h放電率電流,系數(shù)取最大值。

計算結(jié)果均取整數(shù)。

2.4 蓄電池組至直流柜連接電纜規(guī)格與截面選擇

由于本工程的蓄電池容量規(guī)格為500 Ah,應(yīng)設(shè)專用的蓄電池室。蓄電池引出回路采用單芯耐火交聯(lián)聚乙烯電力電纜,通過橋架敷設(shè)至直流柜[6]。經(jīng)現(xiàn)場測量,蓄電池組至直流柜的布線距離長度為25 m。

現(xiàn)需從兩個方面技術(shù)指標來計算選擇電纜截面。

(1) 按回路允許電壓降選擇。

先計算蓄電池回路長期工作計算電流:

Ica1=Id.1h=5.5I10=

5.5×500÷10=275 A

(7)

回路短時工作計算電流取事故初期(1 min)沖擊放電電流,即:

Ica2=Icho=258 A

(8)

允許電壓降計算電流取Ica1和Ica2中的較大者:

Ica=Ica1=275 A

(9)

電纜最小截面計算為

115 mm2

(10)

式中:ρ——銅導(dǎo)體電阻系數(shù);

Ica——允許電壓降計算電流;

Δup——回路允許電壓降。

(2) 按電纜允許載流量選擇。

Ipc≥Ica1

(11)

式中:Ipc——電纜允許載流量。

由上述可知,蓄電池回路長期工作計算電流Ica1=275 A,通過查文獻[1]表9.3-25,0.6/1 kV交聯(lián)聚乙烯電力電纜橋架敷設(shè),當為單芯時,環(huán)境溫度取40 ℃,電纜截面最小可選擇95 mm2,電纜允許載流量為299 A,大于蓄電池回路長期工作計算電流,符合要求。

為同時滿足回路允許電壓降與電纜允許載流量的要求,電纜最小截面為120 mm2,本工程項目選擇2×(WDNH-YJV-1 kV/1×120)電纜。

2.5 斷路器額定運行短路分斷能力規(guī)格選擇

斷路器額定運行短路分斷能力是指其按相應(yīng)的額定工作電壓在規(guī)定的條件下應(yīng)能分斷的運行短路分斷能力值,用符號Icu表示。

直流斷路器額定短路分斷電流及短時耐受電流應(yīng)大于通過斷路器的最大短路電流。

本文就直流柜內(nèi)的進線斷路器為例做計算選擇。

由產(chǎn)品提供參數(shù)可知:單只蓄電池內(nèi)阻為0.192 mΩ,蓄電池之間的連接條為0.016 mΩ。經(jīng)計算引出電纜的電阻為8 mΩ。

直流柜內(nèi)進線斷器的出口短路電流為

7.48 kA

(12)

式中:n——蓄電池個數(shù);

∑rk——相關(guān)斷路器觸頭電阻之和,忽略不計。

則進線斷路器選擇Icu=10 kA,可滿足額定運行短路分斷能力要求。

3 結(jié) 語

綜上所述,直流操作電源系統(tǒng)設(shè)計所涉及的知識點廣泛,包括用電安全、節(jié)能、負荷計算、電能質(zhì)量、短路電流、電氣設(shè)備選擇、二次回路等。設(shè)計系統(tǒng)要熟練掌握用電設(shè)備的運行特性以及規(guī)律,如直流電機的起動電流、斷路器分斷電流等,并結(jié)合設(shè)備廠家的技術(shù)標準,靈活地運用電氣手冊規(guī)范,綜合考慮各方面的技術(shù)指標,以使系統(tǒng)設(shè)計更加科學(xué)與完善。