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        坪頭水電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2012-12-20 01:13:10屈蕾蕾
        水電站設(shè)計(jì) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:線電壓蓄電池電站

        高 瞻,屈蕾蕾

        (中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

        1 前 言

        坪頭水電站裝機(jī)容量180MW,裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為60MW的水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)電壓側(cè)接線為一組單元接線和一組擴(kuò)大單元接線,1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組接一臺(tái)容量為150MVA的雙繞組升壓變壓器(242/13.8kV),3號(hào)機(jī)組接一臺(tái)容量為75MVA的雙繞組升壓變壓器(242/13.8kV),發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)發(fā)電機(jī)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(shè)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(shè)計(jì),采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)全廠機(jī)電設(shè)備進(jìn)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(duì)本電站進(jìn)行操作控制,因而對(duì)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(gè)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(luò)的構(gòu)成;其次,要合理地選擇直流系統(tǒng)中采用的設(shè)備,包括蓄電池、充電和浮充電設(shè)備、開關(guān)設(shè)備等。

        2 坪頭直流系統(tǒng)設(shè)備選擇計(jì)算

        2.1 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

        在直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始階段,需對(duì)全廠負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見表1。

        表1 坪頭水電站地下廠房負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

        2.2 蓄電池組電池個(gè)數(shù)及終止電壓的確定

        2.2.1 蓄電池組電池個(gè)數(shù)的確定

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

        式中n——蓄電池組電池?cái)?shù);

        Ufc——單個(gè)蓄電池的浮充電壓,取Ufc=2.25V/個(gè)。

        因此,取n=103個(gè)。

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

        即Um=n×Ujc=103×2.30

        =236.9<1.1Ue=242

        式中Ujc——單個(gè)蓄電池的均充電壓,取Ujc=2.3V/個(gè)。

        根據(jù)計(jì)算,蓄電池組電池?cái)?shù)選為103個(gè)。

        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(gè)蓄電池的終止電壓。

        因此,取Upn=1.92V/個(gè)。

        2.3 容量計(jì)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(fù)荷電流,A;

        tsg——事故負(fù)荷持續(xù)時(shí)間,取tsg=1h;

        Kq——放電容量比,根據(jù)蓄電池終止電壓曲線,對(duì)應(yīng)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(shí)際選擇蓄電池容量時(shí),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(duì)其在滿足事故運(yùn)行時(shí)供給最大瞬時(shí)沖擊負(fù)荷的要求進(jìn)行校驗(yàn)。

        2.3.2 滿足在事故運(yùn)行時(shí)供給最大瞬時(shí)沖擊負(fù)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(fù)

        荷,一般取Icj.max=1.25Qe;

        Icj——沖擊電流,A;

        Isg——事故負(fù)荷電流,A。

        Qe≥0.8×(Isg+Icj)

        =0.8×(139.22+50)=151.4(Ah)

        根據(jù)計(jì)算,蓄電池容量選為450Ah。

        根據(jù)DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)條款的規(guī)定,出線電壓為220kV及以上時(shí)裝設(shè)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(dāng)其中一組蓄電池故障時(shí),可用另一組蓄電池同時(shí)帶兩組母線。

        2.4 充電、浮充電設(shè)備的選擇

        充電裝置采用多個(gè)高頻開關(guān)整流模塊并聯(lián),即在N個(gè)模塊滿足蓄電池的充電電流(0.1C10)加上經(jīng)常負(fù)荷電流的條件下,選用N+1個(gè)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(gè)20A高頻開關(guān)整流模塊。

        根據(jù)DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)條款的規(guī)定,每組蓄電池裝設(shè)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(tái)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(shè)置聯(lián)絡(luò)斷路器,正常運(yùn)行時(shí)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(tái)充電裝置可在兩段母線之間切換。系統(tǒng)的進(jìn)線開關(guān)、分段開關(guān)和饋線開關(guān)均選用具有過負(fù)荷及過電流保護(hù)功能的斷路器。

        本直流系統(tǒng)采用微機(jī)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(dòng)實(shí)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(dòng)均壓功能)、蓄電池活化等。微機(jī)控制裝置能對(duì)直流系統(tǒng)各主要環(huán)節(jié)如充電設(shè)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(jìn)行在線監(jiān)視。

        充電設(shè)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(jìn)線端,分別提供兩回交流380V電源,充電裝置進(jìn)線側(cè)應(yīng)具有對(duì)兩回進(jìn)線電源的自動(dòng)切換功能。正常負(fù)荷(包括經(jīng)常負(fù)荷電流和蓄電池浮充電流)由充(浮充)電裝置提供,當(dāng)充(浮充)電裝置故障或交流電源消失時(shí),由蓄電池組提供輸出負(fù)荷;在一組蓄電池故障時(shí),可通過手動(dòng)方式閉合分段開關(guān),實(shí)現(xiàn)兩段母線并列運(yùn)行。充電設(shè)備具有“手動(dòng)”及“自動(dòng)”切換功能,并能夠以給定的均充電/浮充電曲線進(jìn)行充電;在充電設(shè)備對(duì)蓄電池進(jìn)行均充電過程中,通過自動(dòng)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(yùn)行。

        直流屏裝設(shè)完善的信號(hào),狀態(tài)、事故及故障等信號(hào)以空接點(diǎn)的方式送入電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。這些信號(hào)包括:直流I、II段接地故障信號(hào),I、II、III號(hào)充電裝置故障信號(hào),I、II段母線低電壓信號(hào),各進(jìn)線、饋線、母聯(lián)斷路器位置信號(hào),饋出線斷路器事故跳閘總信號(hào);直流屏內(nèi)裝電量變送器(測(cè)直流電壓和直流電流等)7只:包括對(duì)外引出I、II段直流母線電壓,3套充電機(jī)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。直流系統(tǒng)具有與電站計(jì)算機(jī)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(hào)(包括開關(guān)量和模擬量)送入監(jiān)控系統(tǒng)。

        蓄電池組設(shè)有微機(jī)電池在線檢測(cè)儀,可檢測(cè)出每個(gè)單體電池電壓,并根據(jù)充放電時(shí)間標(biāo)出電池容量,對(duì)落后電池和電池?fù)p害予以報(bào)警。蓄電池設(shè)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(gè)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(yùn)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(shí)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(dòng)維修開關(guān)、旁路隔離穩(wěn)壓裝置、控制單元、SNMP網(wǎng)絡(luò)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(shè)備。UPS裝置為微機(jī)型,采用模塊化設(shè)計(jì),采樣、控制、監(jiān)視通過一塊主控線路由內(nèi)部微機(jī)完成,參數(shù)通過微機(jī)單元設(shè)置,提高了運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(dòng)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(jìn)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(hào)和反映設(shè)備運(yùn)行、故障情況的部分開關(guān)量信號(hào)均送往電站計(jì)算機(jī)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(hào)、饋出母線斷路器事故跳閘總信號(hào)、逆變器故障信號(hào)、UPS退出運(yùn)行報(bào)警信號(hào)、饋出母線低電壓報(bào)警信號(hào)等。

        4 結(jié)束語

        坪頭水電站直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功能可靠,同時(shí)通過各種智能設(shè)備組成了通信網(wǎng)絡(luò),降低了電站電源裝置的維護(hù)工作量和設(shè)備成本,大大提高了設(shè)備的智能度,為電站的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)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(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[S].北京:中國(guó)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.

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