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        巨型水輪發(fā)電機(jī)組高可靠性電源冗余控制技術(shù)應(yīng)用與研究

        2021-03-12 11:00:38周立成艾遠(yuǎn)高金笑笑李翰夫
        水電與抽水蓄能 2021年1期
        關(guān)鍵詞:水輪發(fā)電機(jī)組接線

        周立成,張 堃,艾遠(yuǎn)高,金笑笑,李翰夫

        (三峽水力發(fā)電廠,湖北省宜昌市 443000)

        0 引言

        DC 24V電源是電氣控制中最常用的電源系統(tǒng),包括電氣元件和控制回路兩部分,電氣元件是構(gòu)成DC 24V電源冗余控制系統(tǒng)的硬件部分,由AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置和DC 24V冗余裝置等元件組成[1],控制回路實(shí)現(xiàn)冗余功能。DC 24V電源系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)等重要電氣控制供電回路中。某巨型水電站巨型水輪機(jī)調(diào)速器電氣柜DC 24V故障是機(jī)組停機(jī)的重要參考條件,DC 24V電源的可靠對水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

        水輪發(fā)電機(jī)組電氣控制回路通常采用多路DC 24V進(jìn)行冗余布置,該巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的電氣盤柜均采用了DC 24V冗余電源[2],但DC 24V冗余電源供電方式和控制原理及采用的電氣元件都不相同。本文通過對該巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)組DC 24V電源冗余裝置、供電回路進(jìn)行深入研究,從供電方式的可靠性、控制原理的簡化性、電氣元件的通用性三方面,研究適用于水輪發(fā)電機(jī)組的高可靠性DC 24V電源冗余控制設(shè)計(jì),并將設(shè)計(jì)應(yīng)用于現(xiàn)場控制。

        1 電氣元件分析

        1.1 AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置

        該巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)組電氣盤柜在用的AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置有WM(明緯)電源、ABB電源、POWER ONE(寶威)電源三種,如圖1所示。

        圖1 AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置Figure 1 AC/DC 220V to DC 24V power supply device

        明緯NES型電源為需風(fēng)扇降溫型,并且電源裝置的輸入電源必須區(qū)分AC 220V或者DC 220V;ABB的SD832(5A)、SD833(10A)、SD834(20A)都有運(yùn)用,其中,SD834支持AC/DC 220V電源輸入,并且有一組開關(guān)量接點(diǎn)可對輸出DC 24V輸出進(jìn)行監(jiān)視;POWER ONE電源運(yùn)用最為廣泛,其中的LXR型有2.5A、5A、10A、20A規(guī)格容量可選,均支持 AC/DC 220V電源輸入,LXN型與LXR型的外形相同,但卻有兩路完全隔離獨(dú)立的DC 24V輸出,相當(dāng)于兩塊電源裝置,一路輸出損壞后,另一路仍能正常輸出,在實(shí)際運(yùn)用中非常關(guān)鍵。

        該電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組電氣盤柜在用的AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置為ABB的SD834型(20A)和POWER ONE的LXN型。

        1.2 DC 24V冗余裝置

        該巨型水電站為保證水輪發(fā)電機(jī)組電氣盤柜DC 24V供電的可靠性,盤柜配置有多路AC 220V或者DC 220V電源,即有多個(gè)AC/DC 220V轉(zhuǎn)DC 24V電源裝置,再將這多路DC 24V電源進(jìn)行冗余輸出給設(shè)備供電,即一路(或多路)DC 24V電源故障后,另一路(或多路)DC 24V電源仍能不間斷給設(shè)備供電。

        冗余裝置是利用具有對直流單向?qū)ㄐ缘亩O管實(shí)現(xiàn),即將兩路DC 24V電源的負(fù)極短接在一起,再將一路DC 24V電源的正極接在一個(gè)二極管的正極,另一路DC 24V電源的正極接在另一個(gè)二極管的正極,將兩個(gè)二極管的負(fù)極短接在一起輸出DC 24V的正極,這樣,當(dāng)一路DC 24V故障時(shí),另一路DC 24V仍能正常輸出[3]。

        該巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)組電氣盤柜的三種冗余裝置情況對比如表1中圖片所示。

        通過表1的對比,可以得出:

        表1 DC 24V電源冗余裝置對比Table 1 DC 24V power supply redundant device comparison

        (1)直接采用了標(biāo)準(zhǔn)的橋式整流模塊用做冗余裝置。

        (2)菲尼克斯的專用冗余裝置,就是將兩個(gè)二極管進(jìn)行了集成。

        (3)ABB的SS832冗余裝置,在兩路二極管的基礎(chǔ)上加入了芯片控制。

        2 DC 24V電源系統(tǒng)電氣回路研究

        2.1 目前的DC 24V電源冗余系統(tǒng)

        該巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的電氣盤柜采用一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入,控制原理如圖2所示。此種電氣回路可實(shí)現(xiàn)一路DC 24V電源故障后,另一路DC 24V電源仍能不間斷給設(shè)備供電功能。

        該巨型水電站機(jī)組的水輪機(jī)動(dòng)力柜[4]是用PLC控制兩臺(tái)油泵和兩臺(tái)排水泵,有著兩路交流電源和一路直流電源,盤柜就配置了4塊電源模塊進(jìn)行了3次冗余,控制原理如圖3所示,相比圖2的單冗余,4個(gè)電源模塊損壞3個(gè),DC 24V電源仍能保持不間斷輸出,可靠性得到了增強(qiáng)。

        圖2和圖3的冗余方式有一個(gè)共同的隱患,即單一的冗余裝置異常就將造成整個(gè)盤柜的DC 24V電源故障。如圖2中的冗余裝置UK1故障或者UK1的DC 24V輸出的L+或L-的接線端子松動(dòng),圖3中的UK3故障或者UK3的DC 24V輸出的L+或L-的接線端子松動(dòng)。

        2.2 DC 24V電源冗余系統(tǒng)優(yōu)化

        針對圖2的一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的單冗余系統(tǒng),優(yōu)化后的電氣圖如圖4所示,在原電路電源裝置U1、U2輸出給UK1的基礎(chǔ)上,增加了一個(gè)冗余裝置UK2,同樣由U1、U2輸出給UK2,再將冗余裝置UK1、UK2的輸出并接后給負(fù)荷供電。這樣,電路中的電源裝置U1、U2和冗余裝置UK1、UK2中任何一個(gè)元件損壞,仍能保證DC 24V電源的不間斷輸出。這種將DC 24V冗余裝置的輸出并接在一起的供電方式同樣適用于圖3的多個(gè)(兩個(gè)以上)電源模塊的系統(tǒng),只需取消UK3,直接將余裝置UK1、UK2的輸出并接在一起給負(fù)荷供電[5]。

        圖2 一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的單冗余系統(tǒng)Figure 2 Single redundant system with one AC 220V and one DC 220V power input

        圖3 二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統(tǒng)Figure 3 Multi-redundant system with two AC 220V and one DC 220V power input

        圖4 一路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的冗余系統(tǒng)優(yōu)化Figure 4 Redundant system optimization of AC 220V and DC 220V power input

        針對圖3的巨型水電站機(jī)組水輪機(jī)動(dòng)力柜的二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統(tǒng)[6],因該盤柜是用PLC控制兩臺(tái)油泵和兩臺(tái)排水泵,負(fù)荷較為對稱,優(yōu)化后的電氣原理圖如圖5所示。將1路AC 220V/DC 24V電源裝置U1與DC 220V/DC 24V電源裝置U2的冗余裝置UK1給1號(hào)油泵、1號(hào)排水泵控制回路。將2路AC 220V/DC 24V電源裝置U4與DC 220V/DC 24V電源裝置U3的冗余裝置UK2給2號(hào)油泵、2號(hào)排水泵控制回路。最后再將以上兩路DC 24V電源經(jīng)冗余裝置UK3給公共部分的PLC、觸摸屏供電。這樣即將DC 24V電源分為了3段共5個(gè)開關(guān)控制,確保了各DC 24V電源開關(guān)的獨(dú)立可靠性[7]。

        圖5 二路AC 220V和一路DC 220V電源輸入的多冗余系統(tǒng)優(yōu)化Figure 5 Multi-redundant system optimization of two AC 220V and one DC 220V power input

        3 DC 24V電源冗余系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求

        電氣盤柜內(nèi)DC 24V電源的電氣元件需與強(qiáng)電設(shè)備分區(qū)域合理布置,與強(qiáng)電回路不使用同一根電纜,電纜成束分開排列[8]。

        DC 24V電源系統(tǒng)的電源模塊、冗余裝置等發(fā)熱電氣元件的安裝間隙宜為10~15mm,盤柜需合理相應(yīng)配置散熱裝置。

        DC 24V電源冗余系統(tǒng)在現(xiàn)場實(shí)際接線需并接的線路較多,所有接線端子最多并接兩根線,并且并接的兩根線必須壓接雙線鼻,而不能各壓接一單線鼻后再并在一起,防止因端子松動(dòng)造成公共端失電。因?qū)Ь€需壓接雙線鼻,所以盡量不采用單股銅芯線,而采用多股銅芯線。

        接線時(shí)充分利用電源裝置的DC 24V輸出各有兩個(gè)L+和L-接線端,合理有效分配,減少通過雙線鼻短接。以圖4為例,電源裝置U1的DC 24V輸出需同時(shí)接至冗余裝置UK1和UK2,如果在電源裝置U1的只各接一個(gè)L+、L-,再經(jīng)雙線鼻分別接至UK1和UK2,當(dāng)電源裝置U1的L+、L-處端子松動(dòng),就將導(dǎo)致U1失去作用。而圖4中是將電源裝置U1的兩個(gè)L+、L-分別接至UK1和UK2,供電可靠性得以增強(qiáng)。

        DC 24V電源冗余系統(tǒng)在接線上還有個(gè)顯著特點(diǎn),就是所有DC 24V的L-端必須并接在一起,仍以圖4為例,將冗余裝置UK1的L-端采用雙線鼻,一根線接至UK1的L-端,另一個(gè)線接至空氣開關(guān)QF3的負(fù)極,冗余裝置UK2的L-端同樣采用雙線鼻,一根線接至UK1的L-端,另一個(gè)線接至空氣開關(guān)QF7的負(fù)極,最后又將QF3~QF7這5個(gè)空氣開關(guān)的負(fù)極全部再用雙線鼻進(jìn)行短接,相當(dāng)于2個(gè)冗余裝置與5個(gè)空氣開關(guān)的負(fù)極上全部是雙線鼻,確?;芈贩€(wěn)定可靠,減低了因某一端子松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

        4 結(jié)束語

        巨型水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,對于發(fā)電廠和電網(wǎng)的安全至關(guān)重要。DC 24V電源冗余系統(tǒng)對水電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義,優(yōu)化后的DC 24V電源冗余系統(tǒng)不僅適用于本文中分析的水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組電氣盤柜,同樣適用于所有需DC 24V電源供電的設(shè)備,從而保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

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