坪头水电站直流系统设计

高 瞻，屈蕾蕾

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

坪头水电站装机容量180MW，装设3台单机容量为60MW的水轮发电机组。发电机电压侧接线为一组单元接线和一组扩大单元接线，1号机组和2号机组接一台容量为150MVA的双绕组升压变压器(242/13.8kV)，3号机组接一台容量为75MVA的双绕组升压变压器(242/13.8kV)，发电机出口装设发电机断路器。电站以一回220kV线路接至柳洪电站，另一回220kV线路接至雷波220kV变电站。220kV侧接线采用单母线接线，220kV设备采用SF6全封闭组合电器(GIS)。

电站按“无人值班(少人值守)”原则设计，采用计算机监控系统对全厂机电设备进行监视、控制，正常情况下电站仅配备少量值守人员，由美姑河集控中心对本电站进行操作控制，因而对直流系统可靠性要求很高。要保障直流系统的可靠性，首先必须有一个可靠的直流系统接线方案，其中包括直流母线的接线、直流电源的配置和直流供电网络的构成；其次，要合理地选择直流系统中采用的设备，包括蓄电池、充电和浮充电设备、开关设备等。

2 坪头直流系统设备选择计算

2.1 直流负荷统计表

在直流系统设计开始阶段，需对全厂负荷进行统计，结果见表1。

表1 坪头水电站地下厂房负荷统计

2.2 蓄电池组电池个数及终止电压的确定

2.2.1 蓄电池组电池个数的确定

(1)保证在正常浮充运行时，直流母线电压不超过直流系统额定电压的105%，

即

式中n——蓄电池组电池数；

Ufc——单个蓄电池的浮充电压，取Ufc=2.25V/个。

因此，取n=103个。

(2)按均衡充电时直流母线电压不应超过直流系统额定电压的110%进行校核，

即Um=n×Ujc=103×2.30

=236.9<1.1Ue=242

式中Ujc——单个蓄电池的均充电压，取Ujc=2.3V/个。

根据计算，蓄电池组电池数选为103个。

2.2.2 终止电压的确定

为保证在事故放电末期(各事故放电阶段)能够维持直流母线电压不低于允许值，

式中Uy——各事故放电阶段母线最低允许电

压，取Uy=0.9Ue；

Upn——单个蓄电池的终止电压。

因此，取Upn=1.92V/个。

2.3 容量计算

2.3.1 满足站用电事故全停状态下的放电容量

式中Qe——所选蓄电池的额定容量，Ah；

Isg——事故负荷电流，A；

tsg——事故负荷持续时间，取tsg=1h；

Kq——放电容量比，根据蓄电池终止电压曲线,对应tsg=1h,取Kq=0.4；

Kk——可靠系数，取Kk=0.8。

由于各厂家蓄电池的特性曲线不同，在实际选择蓄电池容量时，也可根据主流蓄电池厂家提供的容量性能和放电终止电压参数表，选择满足放电要求的蓄电池容量，并对其在满足事故运行时供给最大瞬时冲击负荷的要求进行校验。

2.3.2 满足在事故运行时供给最大瞬时冲击负荷的要求

Icj.max≥Isg+Icj

式中Icj.max——所选蓄电池允许的最大冲击负

荷，一般取Icj.max=1.25Qe；

Icj——冲击电流，A；

Isg——事故负荷电流，A。

Qe≥0.8×(Isg+Icj)

=0.8×(139.22+50)=151.4(Ah)

根据计算，蓄电池容量选为450Ah。

根据DL/T 5186-2004《水力发电厂机电设计规范》有关条款的规定，出线电压为220kV及以上时装设两组蓄电池，因此本工程采用两组蓄电池的冗余配置方案，两组蓄电池分别带直流系统的I段母线和II段母线。当其中一组蓄电池故障时，可用另一组蓄电池同时带两组母线。

2.4 充电、浮充电设备的选择

充电装置采用多个高频开关整流模块并联，即在N个模块满足蓄电池的充电电流(0.1C10)加上经常负荷电流的条件下，选用N+1个模块。

I=0.1C10+Ijc=0.1×450+48.72=93.72(A)

若选择整流模块的额定输出电流为20A，可确定N=5，总共选用N+1=6个20A高频开关整流模块。

根据DL/T 5186-2004《水力发电厂机电设计规范》有关条款的规定，每组蓄电池装设一套充电装置和一套浮充电装置，两组蓄电池则共用一套充电装置，因此本工程采取单母线分段，3台充电/浮充电装置的系统结构。每段母线各配置一组蓄电池，蓄电池容量为450Ah。

3 功能介绍

3.1 直流系统

电站220V直流系统采用两套蓄电池、三套充电装置(其中两套工作、一套备用)的构成方案；直流馈线采用单母线分段接线，两段母线之间设置联络断路器，正常运行时该断路器处于断开状态。每组蓄电池和充电装置分别接于一段直流母线，作为备用的第三台充电装置可在两段母线之间切换。系统的进线开关、分段开关和馈线开关均选用具有过负荷及过电流保护功能的断路器。

本直流系统采用微机控制装置，能按照蓄电池的特性曲线和环境温度变化自动实现蓄电池的均衡(衡流/衡压)充电、浮充电、直流母线电压调整(自动均压功能)、蓄电池活化等。微机控制装置能对直流系统各主要环节如充电设备、调压器、蓄电池(单体电压、落后电池的情况)、直流母线电压等进行在线监视。

充电设备采用智能高频开关模块(N+1)冗余并联组合方式供电，充电模块能带电更换。在每套充(浮充)电装置的进线端，分别提供两回交流380V电源，充电装置进线侧应具有对两回进线电源的自动切换功能。正常负荷(包括经常负荷电流和蓄电池浮充电流)由充(浮充)电装置提供，当充(浮充)电装置故障或交流电源消失时，由蓄电池组提供输出负荷；在一组蓄电池故障时，可通过手动方式闭合分段开关，实现两段母线并列运行。充电设备具有“手动”及“自动”切换功能，并能够以给定的均充电/浮充电曲线进行充电；在充电设备对蓄电池进行均充电过程中，通过自动调压装置的调节，能保证母线电压的变化处在正常范围内，从而保证各馈线回路的正常运行。

直流屏装设完善的信号，状态、事故及故障等信号以空接点的方式送入电站计算机监控系统。这些信号包括：直流I、II段接地故障信号，I、II、III号充电装置故障信号，I、II段母线低电压信号，各进线、馈线、母联断路器位置信号，馈出线断路器事故跳闸总信号；直流屏内装电量变送器(测直流电压和直流电流等)7只：包括对外引出I、II段直流母线电压，3套充电机输出电流和2组蓄电池的电流，变送器输出4～20mA，送至电站计算机监控系统。直流系统具有与电站计算机监控系统通讯的串行接口(RS485)，通过通信方式能将直流系统所有故障和状态信号(包括开关量和模拟量)送入监控系统。

蓄电池组设有微机电池在线检测仪，可检测出每个单体电池电压，并根据充放电时间标出电池容量，对落后电池和电池损害予以报警。蓄电池设有放电回路和放电装置，以便能将蓄电池定期放电。

3.2 UPS系统

电站UPS电源系统是一个220V 50Hz可靠接地的电源系统。地下厂房UPS系统容量为2×10kVA，不带电池。闸首一套UPS电源，容量为3kVA，自带电池(30Ah)。其工作电源来自闸首400V交流配电盘。

地下厂房UPS电源系统采用并联运行的冗余结构，由两套UPS电源本体、配电装置组成，两套装置互为热备用(切换时间为0ms)。每套UPS电源本体由输出隔离变压器、整流器/充电器、逆变器、静态开关、手动维修开关、旁路隔离稳压装置、控制单元、SNMP网络接口卡、LCD液晶显示单元等组成；配电装置由多路微型断路器组成，并包括电流、电压表和指示灯等必须的监控设备。UPS装置为微机型，采用模块化设计，采样、控制、监视通过一块主控线路由内部微机完成，参数通过微机单元设置，提高了运行可靠性和调节精度，且装置具有自诊断功能和事件记录功能。

UPS系统交流进线分别取自一段厂用380/220V交流母线，由厂用220V交流电源通过整流装置供电；直流进线分别引自厂用直流220V电源的两段母线(闸首取自自带的蓄电池)。另外，厂用电还提供一路检修旁路电源，供检修UPS工况时使用。每套UPS装置输入、输出带有隔离变压器。隔离变压器具有调节和瞬态滤波能力，静态开关能无扰动切换，控制器采用32位DSP数字处理器，带有LCD液晶显示和智能通信接口单元。

UPS电源屏馈出母线的进线回路装有一只交流电流变送器和母线电压变送器(变送器输出额定电流4～20mA)。变送器的输出模拟量信号和反映设备运行、故障情况的部分开关量信号均送往电站计算机监控系统，开关量主要包括：系统内各断路器位置信号、馈出母线断路器事故跳闸总信号、逆变器故障信号、UPS退出运行报警信号、馈出母线低电压报警信号等。

4 结束语

坪头水电站直流系统结构简单，功能可靠，同时通过各种智能设备组成了通信网络，降低了电站电源装置的维护工作量和设备成本，大大提高了设备的智能度，为电站的长期安全稳定运行提供了有力保证。

[1] 刘百震，盛和乐，等.DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》[S].北京:中国电力出版社,2004.

[2] 王鸿麟.现代通讯电源(修订版)[M].北京:人民邮电出版社,1998.