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科技推廣與應用

GZDW型直流電源系統(tǒng)在南水北調(diào)金湖站的應用

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金湖站工程為南水北調(diào)東線一期工程運西線的第二個梯級站，位于江蘇省金湖縣銀集鎮(zhèn)境內(nèi)，三河攔河壩下的金寶航道輸水線上。該工程主要包括泵站、跨河公路橋、淮河入江水道東、西偏泓閘及套閘等建筑物，其主要任務是通過與下級洪澤站聯(lián)合運行，由金寶航道、入江水道三河段向洪澤湖調(diào)水150m3/s，為洪澤湖周邊及以北地區(qū)供水，并結合寶應湖地區(qū)排澇。泵站設計流量為150m3/s，安裝3350ZGQ 37.5-2.45型液壓全調(diào)節(jié)燈泡貫流泵機組5臺套（含備機1臺套），水泵葉輪直徑 3.35m，單機設計流量37.5m3/s，配套電機功率2200kW，總裝機容量11000kW。泵站調(diào)水設計揚程2.45m，排澇設計揚程4.70m。

金湖站高低壓電氣設備主要包括：1臺 S11-16000KVA-110/10.5KV型主變壓器及附屬設備；一套ZF10-126G/2000-40型GIS組合開關及其附屬設備；12臺套KYN28-12高壓開關柜，8臺套GCS低壓開關柜，2 臺SCB10-630/10/0.4干式變壓器及計量柜、動力柜、控制箱等附屬設備。采用具有一體化設計、充電饋電合并于一個機柜里的GZDW2-200AH/220V系列直流操作電源系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)構成

GZDW型直流電源系統(tǒng)是金湖站綜合自動化系統(tǒng)中一個重要的組成部分，主要是為泵站中各開關電器的控制、信號、繼電保護、自動裝置等二次回路以及事故照明、動力負荷裝置等專門設置的供電電源，它的好壞將直接影響整個泵站的安全穩(wěn)定運行。系統(tǒng)主要包括交直流配電單元、避雷器、充電裝置、蓄電池組、母線調(diào)壓裝置、微機監(jiān)控裝置等部分組成，如圖1所示。

1.系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)交流輸入正常時，兩路交流電源通過自動切換控制電路選擇其中一路輸入，并通過交流配電單元給充電模塊供電。充電模塊將輸入的交流電轉換為符合要求的直流電，一方面給電池充電，另一方面給直流負載回路提供正常的工作電流。系統(tǒng)交流輸入停電或者異常時，充電模塊停止工作，由蓄電池組給直流負載回路供電。交流輸入恢復正常以后，充電模塊對蓄電池進行充電。通過微機監(jiān)控器對整個直流電源系統(tǒng)實現(xiàn)“四遙”功能即遙測、遙信、遙控、遙調(diào)。

圖1 GZDW型直流電源系統(tǒng)組成框圖

圖2 TH系列智能充電裝置原理框圖

2.交流配電單元

初冬時節(jié)，海埂大壩上游人如織。昆明人最親密的“老朋友”紅嘴鷗如約而至。人鷗親密嬉戲的同時，大壩上一塊顯示著斷面水質(zhì)情況的電子版吸引著不少人關注。

兩路交流輸入電源通過交流配電單元后部的進線端子分別接空氣開關，然后接交流接觸器，通過控制電路實現(xiàn)兩路交流電源自動切換，接觸器設有電氣聯(lián)鎖和機械聯(lián)鎖防止兩路交流輸入電源同時輸入，以保證交流供電的可靠性。交流接觸器的選型主要是選擇電流大小和觸點數(shù)量，交流接觸器額定電流應是正常工作電流的1.5倍，觸點的數(shù)量根據(jù)實際情況選擇。

3.避雷器

防雷器主要功能是防雷和過電壓保護。防雷器采用兩級保護機制，在線路上實現(xiàn)兩級防雷，有效地保護充電電源模塊內(nèi)部的電路不至于因為交流輸入回路遭受雷擊而受到損壞，提高系統(tǒng)的可靠性。防雷器可根據(jù)實際需要來決定取舍，一般情況下推薦使用防雷器，如果采用C、D兩級防雷，應注意以下情況：

（1）C級防雷器和D級防雷器的連接距離應大于2.5m。

（2）由于壓敏電阻在反應時可能導致發(fā)熱或燃燒，所以設計時考慮防火和隔熱。

4.充電裝置

充電裝置就是把交流電整流成直流電的單機裝置，通常是以通過電流大小來標稱（如2A模塊、5A模塊、10A模塊、20A模塊等），按冷卻方式的不同也可以分為風冷模塊和自冷模塊，可多臺并聯(lián)使用，實現(xiàn)了N+1冗余。模塊輸出是110V、220V穩(wěn)定可調(diào)的直流電壓，模塊自身有較為完善的各種保護功能如輸入過壓保護、輸出過壓保護、輸出限流保護和輸出短路保護等。目前金湖站采用的是石家莊通合電子有限公司自主研發(fā)的TH-230D20NZ-3型智能型高頻開關電源，是專為電力系統(tǒng)設計的具有“四遙”功能的高頻開關電源，模塊采用世界領先的“諧振電壓型雙環(huán)控制的諧振開關電源技術”，具有體積小、重量輕、效率高、可靠性高、保護功能全等優(yōu)點。配有標準RS-485接口，易于與綜合自動化系統(tǒng)對接，模塊背面裝有簡易風扇，無需拆裝機殼就可快速更換。該產(chǎn)品采用了LED數(shù)碼管顯示、注塑面板，進一步提高了產(chǎn)品的可靠性和美觀性。其原理框圖如圖2所示。

5.蓄電池組

蓄電池按電解液不同分為酸性蓄電池和堿性蓄電池，主要由正極板、負極板、電解液、隔板、蓄電池槽、蓄電池蓋和其他相關部件組成。酸性蓄電池優(yōu)點是端電壓較高，沖擊放電電流大，適用于斷路器跳、合閘時的沖擊負荷，缺點是在充電、自放電時會析出氧氣和氫氣，以及酸霧的自然揮發(fā)。堿性蓄電池無酸氣腐蝕，但事故放電電流較小。金湖站采用新型的HAZE GEL型膠體閥控式密封鉛酸蓄電池。此種膠體蓄電池具有以下特點：

（1）采用電池專用氣相二氧化硅凝膠劑，專用復合型隔板，航天級EPDM三元乙丙橡膠本森式氣閥。

（2）電池槽底部安裝有專利拱形膨脹底橋，可有效防止使用過程中由于電池極板脫落物質(zhì)造成的短路，消除了端子漏液隱患。

（3）采用的銅合金內(nèi)螺紋端子表面鍍銀，進一步降低了連接電阻，同時端子的無鉛化消除了鉛毒隱患。

（4）富液式設計，電解液不會干涸，放電后內(nèi)阻增加小，充電速度快。

（5）電池內(nèi)部為膠體狀態(tài)，內(nèi)部無分層現(xiàn)象，無腐蝕性氣體排放。溫度范圍寬，熱穩(wěn)定性好，無熱失控現(xiàn)象發(fā)生。

自該電池在金湖站投運兩年多以來，性能良好，運行情況穩(wěn)定，實現(xiàn)真正意義上的免維護，大大減少了運行管理人員的維護量。

6.母線調(diào)壓裝置

母線調(diào)壓裝置就是把合閘母線電壓降至一定范圍形成控制母線，使控制母線能夠在一定的電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。金湖站采用的DT-2A/5-25A/35V型電壓自動調(diào)節(jié)器，正常工作時，轉換開關在“自動”位置，電壓采集控制器工作，檢測母線電壓，處理后與設定值比較，當母線電壓高于（低于）設定值的上限（下限）時，控制器發(fā)出信號，驅動執(zhí)行繼電器，通過執(zhí)行繼電器的分斷或閉合，改變穩(wěn)壓硅鏈的降壓值，確保母線電壓值在規(guī)定的范圍內(nèi)。當“自動狀態(tài)”出現(xiàn)故障時，可手動調(diào)節(jié)“轉換開關”，按照每檔7V的步值調(diào)節(jié)控制母線電壓，保證控制母線的電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)。為保證裝置可靠性，用戶還可以根據(jù)自身需要選用帶開路保護的DTP型電壓自動調(diào)節(jié)器。

7.監(jiān)控裝置

直流電源智能監(jiān)控系統(tǒng)主要任務是完成直流系統(tǒng)各種被監(jiān)控設備和監(jiān)控中心的信息交流，同時對各種被監(jiān)控設備實施遙信、遙測、遙控和遙調(diào)，即對被監(jiān)控設備的各種工作狀態(tài)和故障、異常工況顯示，主要技術數(shù)據(jù)的測量，各種控制操作指令的送達執(zhí)行和設備整定值的調(diào)節(jié)，在目前推廣無（少）人值守智能泵站管理模式下，智能微機監(jiān)控系統(tǒng)的建立使維護人員對直流設備進行遠方監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)設備運行的不正常狀態(tài)并及時采取處理措施，這樣不僅節(jié)省人力物力，而且大大提高了維護效率。直流電源微機監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖3所示。

三、實用分析

圖3 直流電源微機監(jiān)控系統(tǒng)組成

該直流電源系統(tǒng)在金湖站的配置如下：根據(jù)系統(tǒng)實際要求選用了18只200Ah/12V膠體鉛酸免維護蓄電池；設計由雙回路交流配電單元、2個TH-230D20NZ-3型高頻開關充電模塊、直流配電單元、微機監(jiān)控器組成。交流配電單元包括雙回路自動切換裝置和40KVA防雷器，充電裝置采用N+1方式冗余，直流配電單元包括5回合閘回路、10回控制回路、9回通信回路及母線調(diào)壓器；微機監(jiān)控器主要包括多種監(jiān)控模塊，主要包括采集模塊、電池巡檢模塊和絕緣檢測模塊等。該系列高頻開關電源具有功率因數(shù)高、效率高、可靠性高、穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高，安裝運行、維護方便等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的相控整流電源噪聲大、效率低、諧波污染大、溫升高等缺點。該系統(tǒng)在金湖站已經(jīng)投運近三年，目前運行平穩(wěn)未出現(xiàn)任何故障，大大減少了運行維護人員的工作量。

四、結束語

南水北調(diào)金湖站直流操作電源GZDW2-200AH/220V系統(tǒng)投運以后，經(jīng)過近三年的運行，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、安全、可靠性強，未發(fā)生一例因為直流電源系統(tǒng)引起的故障，為金湖站安全穩(wěn)定運行提供了可靠的電源保障，可供類似泵站參考

（作者單位：1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處 223100 2.江蘇省江都水利工程管理處 225200）