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        升船機直流電源系統(tǒng)設計及應用

        2020-11-06 05:50:45孔麗君
        中國水運 2020年9期
        關鍵詞:直流系統(tǒng)設計應用

        孔麗君

        摘 要:為了提高升船機直流電源系統(tǒng)的可靠性,結合向家壩升船機運行特點,對其直流電源的設計現(xiàn)狀及運行情況進行分析,并提出優(yōu)化改進建議。

        關鍵詞:直流系統(tǒng);接線方式;設計應用

        中圖分類號:U642? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2020)09-0065-02

        升船機是為船舶通過航道上集中水位落差而設置的一種“通航建筑物”。向家壩升船機由上游引航道、上閘首(包括擋水壩段和渡槽段)、船廂室段、下閘首和下游引航道(含輔助閘室和輔助閘首)等五部分組成,全長約1530m。升船機直流系統(tǒng)主要給10kV開閉所和10kV/0.4kV變電所的控制和保護設備等用電負荷供電,因此直流系統(tǒng)的可靠性是升船機正常運行的必備條件。本文主要結合升船機直流系統(tǒng)的設計及應用情況,提出優(yōu)化改進措施。

        1直流系統(tǒng)的接線方式

        直流系統(tǒng)常見的基本接線方式分為單母線接線、單母線分段接線等接線方式。目前直流系統(tǒng)最常用的接線方式是單母線分段接線方式,按照蓄電池和充電裝置與直流系統(tǒng)的不同連接方式,單母線分段接線又可分為一組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線,兩組蓄電池、兩套充電裝置的單母線分段接線,以及兩組蓄電池、三套充電裝置的單母線分段接線。

        向家壩電站升船機直流電源系統(tǒng)成套設備由上海青辰電源有限公司提供。結合實際負荷需求,在10kV/0.4kV變電所配置一套直流系統(tǒng)設備,系統(tǒng)采用單母線接線供電方式,直流電源屏接線示意圖見圖1。系統(tǒng)設計共1套充電/浮充電裝置、1組蓄電池的供電方式。其設備主要由1組蓄電池、直流電源主屏、直流電源分屏、充電/浮充電裝置、微機監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)測裝置、配電裝置、放電裝置,以及各種附件等組成。其中升船機10kV開閉所設有1個直流電源屏和1個電池柜;升船機10kV/0.4kV變電所設有1個直流分電屏。

        當前單母線接線方式優(yōu)點是結構簡單,成本低,占用空間小。但是也存在很多缺陷,如交流進線電源采用單路供電,無互投裝置且系統(tǒng)僅配置一組蓄電池,無法有效滿足冗余供電保護及控制的需求;所有負荷電源取自一段母線,當回路出現(xiàn)短路或接地故障后將導致用電負荷無法正常工作;該接線方式不利于設備的運行維護,當充電裝置檢修時,只能靠蓄電池向母線供電,可靠性較低;按照要求蓄電池每年進行10小時核容試驗,試驗時僅充電裝置向母線供電,缺少后備電源。

        2 蓄電池的選擇

        蓄電池組是直流電源系統(tǒng)中的主要構成部分,當交流電源失電后,由蓄電池向負載供電。蓄電池有堿性蓄電池和酸性電池,向家壩電站升船機直流系統(tǒng)設計為一組閥控密封式鉛酸膠體蓄電池,單體2V,共104瓶,100Ah。由于鉛酸電池維護工作量小,運行穩(wěn)定,放電性能良好,目前應用廣泛。由于受廠房實際空間限制,蓄電池采用組屏集中安裝的方式。配置在線實時監(jiān)測電池組的單體電壓,實時記錄分析不同工作狀態(tài)下每一只電池的電壓,及時發(fā)現(xiàn)落后或異常電池,給蓄電池維護提供重要的參考依據(jù),確保蓄電池組安全運行。

        3 充電機的選擇

        充電機將交流電變換為直流電,經(jīng)保護電器輸出,一方面給蓄電池組充電,一方面經(jīng)直流配電饋電單元給控制負荷和動力負荷提供正常的工作電源。充電裝置型式有高頻開關電源模塊和相控式充電裝置。

        相控電源是采用晶閘管作為整流器件的電源系統(tǒng),工作原理是交流輸入電壓首先經(jīng)變壓器降壓,然后由控制器計算觸發(fā)控制角并通過移相控制晶閘管導通、關閉,以保持輸出電壓的穩(wěn)定。

        高頻開關電源模塊經(jīng)過高頻變換器將直流電壓變換為脈寬可調的高頻交流脈沖電壓,經(jīng)過高頻變壓器隔離輸出至高頻整流器,將高頻交流脈沖電壓變換為高頻脈動直流電壓,經(jīng)LC整流濾波電路得到所需平滑的直流電壓輸出給負載。

        由于兩者的工作原理不同,高頻開關電源模塊輸出電壓的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度以及紋波系數(shù)均優(yōu)于相控電源。相控電源的誕生早于高頻開關電源,其智能化程度較低,同時,相控電源整流模塊當出現(xiàn)故障后,需要將整臺充電裝置退出運行后進行檢修和維護,檢修周期長,影響系統(tǒng)正常供電,直流系統(tǒng)的可靠性低。而高頻開關電源設計都采用N+1冗余方式和模塊化結構,運行中當其中一個模塊出現(xiàn)故障時,不需要整套裝置停電檢修,只需要退出單個故障模塊,其他模塊自動重新分配負荷電流,實現(xiàn)均流運行,提高了系統(tǒng)運行的可靠性,且充電模塊都可帶電拔插,維護方便,安全性高。后期如遇到供電網(wǎng)絡擴容改造時,只需增加整流模塊數(shù)量即可實現(xiàn)直流系統(tǒng)的擴容。因此,相控電源已逐步被高頻開關電源模塊所代替。

        向家壩電站升船機直流系統(tǒng)充電機由四塊QCF22010型號的高頻開關電源模塊組成,開關模塊包括濾波器、全橋整流器、高頻變換器、高頻變壓器、高頻整流器、LC濾波器、控制電路和保護電路等部分。充電機設計容量滿足滿負荷運行以及同時對蓄電池進行主充的要求,并留有20%的裕量。

        4 饋電及其他

        饋電回路全部采用空氣斷路器,空氣斷路器具有使用方便,操作安全,工作可靠,安裝簡單,動作后 (如短路故障排除后 ) 不需要更換元件等優(yōu)點,因此被廣泛應用于饋電網(wǎng)絡中。但是,由于設計時無維修旁路,一旦斷路器、指示燈或監(jiān)測CT故障后,在不中斷供電狀態(tài)下,無法及時進行更換,對設備運行產(chǎn)生一定影響。

        5 改進措施

        升船機直流電源系統(tǒng)設計雖然可滿足負荷正常供電需求,運行也較為穩(wěn)定,但該套設備仍存在一些需要優(yōu)化和改進的地方。

        5.1 接線方式優(yōu)化

        鑒于單母線接線方式存在的問題,建議直流電源系統(tǒng)可采取以下優(yōu)化措施:

        (1)系統(tǒng)接線方式調整為單母線分段接線,新增一組充電機,設計母線聯(lián)絡開關,具體可采用圖2的接線方式。

        (2)從廠房直流系統(tǒng)接入一應急電源回路供短時使用,解決緊急情況下的需要。由于原直流系統(tǒng)蓄電池容量選擇時沒有考慮另一組蓄電池的負荷,故可考慮聯(lián)絡回路按照直流饋線設計,裝設直流斷路器,具體設計可見圖3綠色標注。同時,為了便于蓄電池充放電試驗,新增一條充放電小母線,具體設計可見圖3紅色標注。

        5.2采用新型模塊化裝配工藝

        針對第四節(jié)中饋電回路設計存在的問題,可考慮采用模塊化裝配工藝,將斷路器、CT、信號燈及信息采集板組成標準化抽屜單元,實現(xiàn)饋電信息的全面采集。為實現(xiàn)饋電回路供電不中斷狀態(tài)下進行維護和更換,可配置維修插接組件,從而解決饋電開關及直流CT更換困難的問題。

        5.3升級系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡

        隨著智能化的發(fā)展,實現(xiàn)蓄電池充放電智能管控,可通過一鍵順控的方式實現(xiàn)蓄電池自動化維護,從而降低人員維護的工作量。

        直流系統(tǒng)應從傳統(tǒng)的分散式系統(tǒng)設計模式改為集中控制模式,并采用遠程開關操控,提高自動化水平,同時為防止誤操作,可采用防誤閉鎖技術,在減少人工維護工作量同時消除人工誤操作風險,大幅提高運維工作安全和工作效率。

        擴展現(xiàn)有的監(jiān)測功能,除了對蓄電池電壓監(jiān)測外,增加對內阻、開路、短路、溫度等的監(jiān)測,實現(xiàn)蓄電池全生命周期管控。通過對過程中蓄電池各參數(shù)的變化趨勢分析、判斷,建立蓄電池單體剩余電量或健康度預警機制,達到為蓄電池提供全生命的體檢服務。主動預防因蓄電池自身問題導致的直流母線失電故障。

        5.4新增防誤報警功能

        當直流母線脫離蓄電池或充電裝置時,監(jiān)控裝置發(fā)出告警信息,提示操作人員當前操作可造成母線失壓,避免人員誤操作導致的電力事故發(fā)生。

        參考文獻:

        [1]標準:DLT 5044-2014 電力工程直流電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程.

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