高 瞻，屈蕾蕾

(中國(guó)水電顧問(wèn)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(wú)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(kāi)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(kāi)始階段，需對(duì)全廠負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)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(guò)直流系統(tǒng)額定電壓的105%，

即

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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)、分段開(kāi)關(guān)和饋線開(kāi)關(guān)均選用具有過(guò)負(fù)荷及過(guò)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(kāi)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(guò)手動(dòng)方式閉合分段開(kāi)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(guò)程中，通過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)、手動(dòng)維修開(kāi)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(guò)一塊主控線路由內(nèi)部微機(jī)完成，參數(shù)通過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)能無(wú)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(kāi)關(guān)量信號(hào)均送往電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，開(kāi)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(yǔ)

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(guò)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(lè)，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.