靳衛(wèi)安
(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)
里底水電站工程位于云南省境內(nèi),為Ⅱ等大(2)型工程。樞紐建筑物由擋水壩、河床式廠房、左岸溢洪道、泄洪底孔、中控樓及開關(guān)站等組成。電站主廠房長(zhǎng)144.8 m,安裝3 臺(tái)單機(jī)容量為140 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),發(fā)電機(jī)與主變采用單元接線方式。中控樓距廠房約為60 m,中控樓和開關(guān)站依次位于壩下下游右岸邊,中控樓長(zhǎng)32.7 m,開關(guān)站長(zhǎng)110.4 m,以500 kV、220 kV兩級(jí)電壓接入電力系統(tǒng)。
里底水電站為河床式廠房,多年平均年發(fā)電量為19.52億kWh,在電力系統(tǒng)處于重要位置,對(duì)直流電源系統(tǒng)提出了以下要求:
(1) 能可靠的為控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置[1]、應(yīng)急照明和交流不停電電源等控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷設(shè)備正常供電;
(2) 壩區(qū)直流電源可直接引自廠房直流電源系統(tǒng)。
結(jié)合電站出線電壓等級(jí)、廠房、中控樓和壩區(qū)的布置情況,本電站直流電源系統(tǒng)可同時(shí)為控制和動(dòng)力負(fù)荷供電,系統(tǒng)電壓可采用220 V或110 V。由于110 V直流電壓主要適用于110 kV及以下的發(fā)電廠升壓站、變電站等的控制負(fù)荷的直流電源系統(tǒng),220 V直流電壓有利于在給動(dòng)力負(fù)荷供電時(shí)減小電纜截面,方便施工。水電站直流電源系統(tǒng)的額定電壓一般采用220 V[2],故系統(tǒng)標(biāo)稱電壓采用220 V。電源采用蓄電池組,各套直流網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行,沒有任何電氣連接。在正常工作方式時(shí),各蓄電池組以浮充電方式運(yùn)行。充電裝置型式選用高頻開關(guān)電源模塊型的充電裝置。
閥控式密封鉛酸蓄電池具有體積小、自放電系數(shù)小、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[3],滿足常規(guī)電站安全運(yùn)行和可靠性的要求。
3.2.1蓄電池?cái)?shù)量的計(jì)算
蓄電池的數(shù)量應(yīng)滿足在浮充電運(yùn)行時(shí),直流母線電壓為1.05倍系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的要求[4]。常用的鉛酸蓄電池的電壓有2、6、12 V等,由于2 V電池壽命長(zhǎng)、成本高[5],6、12V電池壽命短,成本低,綜合考慮,推薦電池電壓采用2 V。由于系統(tǒng)電壓選擇DC220 V,故蓄電池出口電壓按220 V考慮。
(1)
式中:n為蓄電池個(gè)數(shù);Un為每套直流電源系統(tǒng)的系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,Un=220 V;Uf為每個(gè)蓄電池的浮充電壓,Uf=2.25 V。
根據(jù)上述計(jì)算,每組蓄電池?cái)?shù)為103只。
3.2.2蓄電池均充電壓選擇
直流電源系統(tǒng)母線電壓(控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并)在均衡充電運(yùn)行情況下不應(yīng)高于系統(tǒng)電壓的110%。
(2)
式中:Uc為每個(gè)蓄電池的均充電壓。
根據(jù)上述計(jì)算,每個(gè)蓄電池均充電壓為2.35 V。
3.2.3蓄電池放電終止電壓的選擇
為保證在事故放電末期能夠維持直流母線電壓不低于直流電源系統(tǒng)電壓的87.5%。每個(gè)蓄電池放電末期的終止電壓按照公式(3)計(jì)算。
(3)
式中:Um為每個(gè)蓄電池放電末期的終止電壓,V。
計(jì)算每個(gè)蓄電池放電終止電壓為1.87 V。
3.2.4負(fù)荷統(tǒng)計(jì)
直流負(fù)荷根據(jù)用電性質(zhì),可劃分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷[6]。負(fù)荷統(tǒng)計(jì)是進(jìn)行直流設(shè)備選擇和容量計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。機(jī)組及公用直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷情況詳見表1。應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)的負(fù)荷情況詳見表2。
表1 機(jī)組及公用直流電源系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表
表2 應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表
3.2.5蓄電池容量計(jì)算
本工程上接烏弄龍水電站,下鄰巴托水電站,直流電源系統(tǒng)事故備用時(shí)間按不小于1 h設(shè)計(jì),按照負(fù)荷階段分段進(jìn)行計(jì)算,取最大的計(jì)算容量值,最終蓄電池標(biāo)稱容量應(yīng)比最大計(jì)算容量值略大。根據(jù)每組蓄電池供電對(duì)象可分為2種方案,方案1為機(jī)組及公用設(shè)備和應(yīng)急照明使用1套直流電源系統(tǒng),經(jīng)計(jì)算,設(shè)2組容量為1 000 Ah的蓄電池,直流電源系統(tǒng)短路電流按20 kA考慮。方案2為機(jī)組及公用和應(yīng)急照明也可分別設(shè)置1套直流電源系統(tǒng),機(jī)組及公用設(shè)2組容量為600 Ah的蓄電池,應(yīng)急照明設(shè)1組容量為600 Ah的蓄電池,直流電源系統(tǒng)短路電流均按10 kA考慮。對(duì)比上述2種方案,方案2故障檢修時(shí)影響范圍相對(duì)較小,蓄電池造價(jià)相對(duì)較低,最終本電站機(jī)組及公用、開關(guān)站和中控樓、應(yīng)急照明直流電源系統(tǒng)蓄電池組容量分別為600、800、600 Ah。
充電裝置額定電流應(yīng)從滿足浮充電、蓄電池充電和蓄電池均衡充電3個(gè)方面的要求考慮。充電裝置型式選用高頻開關(guān)模塊,應(yīng)根據(jù)每組蓄電池配置充電裝置數(shù)量的不同,合理選擇高頻開關(guān)模塊數(shù)量。
機(jī)組及公用電源系統(tǒng)直流電源系統(tǒng)母線采用單母線分段的接線方式,每組蓄電池和充電裝置應(yīng)分別通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連,兩段控制母線分別配置微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置。本套直流電源系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)詳見圖1。
圖1 機(jī)組及公用直流電源系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)圖
開關(guān)站和中控樓直流電源系統(tǒng)采用單母線分段的接線方式,每組蓄電池和充電裝置應(yīng)分別通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連,第三臺(tái)充電裝置經(jīng)閉鎖開關(guān)可與任意一段母線連接。兩段控制母線分別配置微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置。
應(yīng)急照明專用直流電源系統(tǒng)采用單母線接線方式,配置1組蓄電池、1套充電裝置,蓄電池和充電裝置通過兩極刀開關(guān)與相應(yīng)的DC220 V直流母線相連,控制母線分別配置微機(jī)型絕緣監(jiān)測(cè)裝置。單套充電裝置進(jìn)線應(yīng)引接兩路交流電源,兩路電源能自動(dòng)切換。直流電源系統(tǒng)各裝置、自動(dòng)化元件、傳感器的正常運(yùn)行、故障報(bào)警等信號(hào),全部先上傳至微機(jī)監(jiān)控裝置,然后微機(jī)監(jiān)控裝置采用RS485串口接口與站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信。
里底水電站中控樓距廠房約60 m,根據(jù)廠房、中控樓及開關(guān)站直流負(fù)荷分布情況,本電站共設(shè)置3套直流電源系統(tǒng),2套布置在副廠房蓄電池室,1套布置在中控樓蓄電池室。蓄電池組架布置,每組蓄電池均采用免維護(hù)鉛酸蓄電池。
電站的運(yùn)行方式和電站出線電壓等級(jí)對(duì)直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了較高的要求,同時(shí)結(jié)合廠房、中控樓分布情況和直流負(fù)荷分布等因素進(jìn)行直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該水電站已投運(yùn)多年,直流電源系統(tǒng)運(yùn)行良好,輸出穩(wěn)定。