回龙山水电站直流系统分析及改造

(国电电力发展股份有限公司和禹水电开发公司，辽宁 桓仁 117201)

1 回龙山水电站工程概况

回龙山水库地处浑江流域中下游，位于辽宁省本溪市桓仁满族自治县西南方向40km向阳乡回龙山村，控制流域面积12506km2。水库设计防洪标准为50年一遇，校核防洪标准为200年一遇,设计洪水位221.70m，校核洪水位223.80m。回龙山水库由拦河坝、引水隧洞、地下发电厂房及地下开关站等组成。水库拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高35m，坝顶高程225.00m,坝顶宽10.1m，坝顶长570m。全坝共分35个坝段，其中4～17号坝段为溢流坝段，其余为挡水坝段，2号和35号坝段218.00m高程各设有一直径450mm的灌溉管。在溢流坝段设有13个高孔弧形闸门，闸门宽12m，高8.4m。闸门底坎高程212.91m，溢流堰顶高程213.00m，门顶高程221.31m，单孔最大泄洪流量961m3/s；坝前左岸350m处为引水隧洞进水口，进水口低坎高程201.00m，上檐高程217.50m，中心高程205.50m。引水遂洞主洞长649.30m，主洞直径20m，与高42m的调压连接，调压井井顶高程242.40m，调压井井底高程200.00m，通过两条直径7m、长73.70m的压力管道通向厂房，厂房下游有120m和130m长的尾水隧洞各一条，未端设有开敞式尾水闸门。主厂房为地下式厂房，长66m，宽17m，高37m。水轮机中心高程183.50m，厂房尾水平台高程198.00m。发电机安装高程194.20m。水库总库容12300万m3。回龙山水库是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉等多功能的中型日调节水库。

回龙山电站升压变电站也设在地下，装有9万kVA主变压器一台，变电站地面高程199.10m，通过220kV回桓线(LGJ-240/40)与桓仁一次变相连，送到东北主电网。

2 直流系统的作用及构成

回龙山水电站厂房的直流系统为发电生产设备的控制、信号、测量、继电保护及自动化装置等控制负荷和电磁合闸、事故照明等负荷提供直流电源，直流系统对龙山电站的安全、可靠、稳定运行起着至关重要的作用。直流系统原有220V、60V、48V三个电压等级，有一套普通铅酸蓄电池组，设有端电池，后根据设备改造情况取消了60V和48V两个电压等级，增设24V电压等级，用来给机组PLC、公用系统PLC提供24V电源。24V系统设有专门的充电机和蓄电池组。直流220V系统由充电装置、蓄电池组组成，它的负荷包括设备的控制、测量、保护装置及设备操作合闸、全厂事故照明等，是保证全站安全生产的重要组成部分。

3 直流系统改造及其再次出现故障的处理

3.1 蓄电池改造

原使用的开口式铅酸蓄电池需经常加酸、加水、调比重、补充电，维护工作繁重，加上充电期间有大量气体产生，气体溢出时携带酸气，并常有溢酸、渗酸及气体酸雾逸出现象，不仅腐蚀设备，而且污染空气，对环境危害极大，不利于人身健康。蓄电池极板腐蚀较重，影响蓄电池组的使用寿命。

2000年，利用变电站停电检修的机会将直流220V系统中的铅酸蓄电池组改造为GFM-300阀控密封式铅酸蓄电池组。取消原有的端电池及调节装置等，与此同时取消了供厂内通信的直流60V电压等级，取消了供信号系统的直流48V电压等级，增设直流24V系统，供给机组及公用系统PLC所需的24V电源。本次改造结束后，直流系统有两个电压等级，即220V和24V，两电压等级各自独立运行，直流220V系统采用母线分段形式，控制负荷与动力负荷接于同一母线上(见图1)，直流24V系统采用单母线接线。

图1 蓄电池改造后的直流220V系统接线简图

3.2 开关改造

改造后220V直流系统运行基本正常，但也逐渐体现出单组蓄电池的弊端，龙山电站机组出口开关为电磁合闸机构的SN4-10少油开关，该开关合闸时所需电流较大，对直流系统的依赖性强，为了确保在充电机及蓄电池组发生异常时不影响机组运行，经论证于2013年加设一套1GM-500AH的乙组蓄电池组，该蓄电池组采用CDP-1型高频开关整流装置，当时根据蓄电池组容量及高频开关电源输出电流等，共装设7个高频开关电源，乙组充电装置设有降压装置(见图2)。直流220V系统的运行方式采取一组蓄电池组运行，另一组备用(蓄电池组输出开关在“拉开”位)，由运行人员每周手动切换蓄电池组的总输出开关一次。

图2 改造后的直流220V系统接线简图

3.3 备用电源改造

直流24V系统运行初始比较稳定，但后期充电装置经常出现一些小故障，影响设备运行，最严重的一次发生在2012年，当时充电装置的浮充电流较小，低于正常24V负荷电流，使蓄电池组连续放电，造成24V电压异常降低，严重影响该电压等级负荷的正常工作，导致两台机组同时跳闸甩负荷，带来较坏的影响。此次事故后，为保证直流24V系统供电的可靠性，在24V母线上接一小型开关电源做备用，正常时开关电源的交、直流输入、输出开关都在分位，当24V充电装置异常时，拉开蓄电池组输出开关，将开关电源交、直流输入、输出开关合上，用开关电源供给24V负荷，开关电源按照全厂24V负荷最大值选定。后来为了更加可靠，在每台机组都增设了小型开关电源作为24V电源备用，24V装置异常时，既可以通过24V母线上的开关电源供电，也可以再拉开机组的24V蓄电池输入开关后，用机组的开关电源供电给机组，方式较灵活，运行可靠。

3.4 充电装置改造

回龙山水电站直流系统经过上述改造后，逐渐适应了设备的运行要求，对设备的安全稳定运行起了很大的作用，但在2016年、2017年龙山电站接连发生雷击，击坏一些电气设备，其中就包括乙组充电机的高频开关电源模块和直流24V充电装置，几经修复以后，由于设备等原因，经过长时间的运行，系统的故障率有所上升，已对蓄电池组的寿命及直流系统的安全运行构成了潜在的威胁，已不能满足设备的正常运行，于是在2017年对直流系统再次进行改造，将原乙组充电装置改造为大连索蒙的SDV-230/20型，将24V充电装置改造为SDV-24/40型，该系列装置的特点是该电源采用先进的双环软开关控制技术，具有稳压稳流精度高、体积小、效率高、可靠性高等优点，各项性能指标达到并超过DL/T 459—92标准规定，售后服务好。直流24V充电装置的高频开关电源模块选为2个，直流220V充电装置的高频开关电源模块选为5个。

4 直流系统运行分析

4.1 充电装置分析

《电力工程直流电源系统设计技术规程》(DL-T 5044—2014)中规定，充电装置的额定电流选择应满足下列条件：满足均衡充电要求，均衡充电的输出电流铅酸蓄电池应按1.0～1.25I10并叠加经常负荷电流选择，但当蓄电池脱开直流母线单独进行均衡充电时，可不计入经常负荷电流。24V蓄电池组的容量为300AH，均衡充电时的电流约为30A,按照下式计算出充电装置的最大输出电流为39.25A。

Ig=(1.0～1.25I10)+Ijc

(1)

式中Ig——充电装置额定电流，A；

Ijc——直流系统的经常负荷电流，A；

I10——铅酸蓄电池10h放电率电流，A。

对高频开关电源模块的数量选择规定如下：每组蓄电池配置一组高频开关模块，模块选择方法为n=n1+n2;基本模块数量n1的计算公式为

(2)

式中Imc——高频开关电源模块的输出电流；

其他符号意义同前。

求得n1=1,附加模块的数量n2=1(n1<6)，24V充电装置的模块数为2个能满足要求。如果采用输出电流为20A的高频开关电源模块，按上述方法计算，需选用3个，按照产品价格，不是很经济。

按照式(1)求得乙组充电装置的最大总输出电流为70A，如乙组充电装置采用20A输出电流的高频开关电源模块，按照式(2)可求得高频开关电源模块个数为5个，如采用40A输出电流的模块需要4个，两方案总价格接近，考虑到可靠性，选择了输出电流为20A的高频开关电源模块。

选用的SDN系列高频开关电源模块，各项性能指标达到并超过DL/T 459—92标准规定，装置的输出电压等都符合要求。

4.2 蓄电池分析

按照DL/T 5044—2014的规定，控制负荷与动力负荷接于同一母线上，采用浮充电方式运行时，蓄电池的个数按照n=1.05Un/Uf计算，其中为Un母线额定电压，为Uf蓄电池标称电压，阀控密封式铅酸蓄电池的标称电压在2.23～2.27V之间，取电压为2.23V进行验算，求得220V蓄电池个数应为103个，24V蓄电池个数应为12个，现场实际与规程规定相符。

对于动力负荷和控制负荷合并供电的直流母线上的蓄电池放电终止放电电压Um应该满足Um≥0.875Un/n，其中Um为蓄电池放电终止放电电压；Un为直流母线标称电压，n为蓄电池个数，经计算求得Um应不小于1.86V，蓄电池厂家提供的蓄电池终止放电电压为1.87V。

DL/T 5044—2014规定，蓄电池容量选择应符合下列条件：满足全厂事故全停电时间内的放电容量；满足事故初期(1min)直流电动机启动电流和其他冲击负荷电流的放电容量；满足蓄电池组持续放电时间内随机(5s)冲击负荷电流的放电容量；应以最严重的事故放电阶段计算直流母线电压水平。

按直流负荷性质分类方法，对龙山电站直流负荷进行分析和统计。经常负荷是指直流电源在正常和事故工况下，可靠供电的负荷。主要的直流负荷有微机保护装置、监控系统、自动装置、机组控制系统等；事故负荷指在全站交流电源消失后，必须由直流电源供电的负荷。主要为照明和各类装置负荷。事故负荷按照持续供电2h考虑；冲击负荷主要有事故初期和过程冲击负荷。事故初期冲击负荷包括线路、机组断路器跳闸电流；厂用备自投装置动作，投入厂用电断路器的合闸电流；机组灭磁开关分闸电流。事故初期负荷按这些开关跳、合闸电流之和计算，并乘以负荷系数Ku。随机冲击负荷主要是指事故过程中进行的断路器合闸，灭磁开关分、合闸等。通过对电站内直流负荷的详细分析和统计，现场的阀控式密封铅酸蓄电池各项指标均满足要求。

4.3 直流系统接线分析

直流220V系统现在的运行方式是甲、乙组蓄电池组每星期日定期进行切换，切换过程中全站直流负荷瞬间全部断电，重新上电后有些微机保护设备需要重新启动，严重影响设备的正常运行。为防止在切换过程中有较大的负荷冲击，现场作下列规定：切换时不允许将两组蓄电池并列运行，尽量避免机组运行时切换，机组出口开关(少油开关)合闸时禁止进行切换。运行方式不灵活，切换过程中存在主变、线路保护等装置断电现象，影响设备安全运行。

4.4 熔断器等保护回路分析

现场采用空气开关和熔断器串联使用来保护直流设备负荷，由于直流负荷发生较大变化，最为明显的是机组的出口开关由电磁合闸机构改为弹簧蓄能合闸形式，合闸电流明显降低，为更好地保护直流负荷设备，需将原回路的熔断器及断路器的额定值进行重新整定，同时，也应该把熔断器及断路器的级差配合以及设备型号作重新选择。现在直流支路保护设备有用刀闸+熔断器的，有用断路器+熔断器的，有单独使用断路器或熔断器的，给维护、运行人员带来了极大的困惑。越级动作的隐患，更让人们防不胜防。

一般采用的是两段式保护的直流断路器，能满足一般的要求，但是断路器短路瞬时脱扣的灵敏度取决于断路器安装处的短路电流，但由于计算参数多，很难精确计算，如果级差配合不好，很容易造成越级。

为防止这种现象发生，应该尽量采用三段式直流断路器，GMB系列断路器从负荷到电源侧逐级加大时限的方法，不用精确计算短路电流，可以达到尽快切除故障，又实现级差配合的要求。

在直流系统中现存在用交流断路器代替直流断路器的现象，应尽量选择直流断路器，因为两者的灭弧原理不同。

充电装置输出回路断路器的额定电流In按照In≥KkIm整定，其中Im为充电装置额定输出电流，Kk为可靠系数，一般取1.2。

在蓄电池出口处应装设熔断器，选择办法为300Ah及以上铅酸蓄电池可取5.5I10(I10铅酸蓄电池10h放电率电流)，300Ah选用200A熔断器(带有熔断告警接点)。500Ah及以上铅酸蓄电池可取5.5I10，500Ah选用300A熔断器(带有熔断告警接点)。

5 整改建议

鉴于直流系统现状和运行方式，应尽早将甲组的充电装置改造为高频开关电源型，防止原装置单相出现故障影响整个装置的运行，同时提高蓄电池使用寿命。

将直流220V母线接线改为两段单母线接线，两组蓄电池分别接于不同母线段，两段母线间设置联络空气开关，正常运行时两组蓄电池独立运行，在一组蓄电池组故障、检修及进行放电时，通过该空气开关把两段母线并联起来运行，同时满足运行中的两段母线切换时不中断对负荷的供电，切换时允许两组蓄电池组短时并列运行。将两台机的直流负荷平均分别接于不同的母线，主变、线路保护装置的电源分别接入不同的母线，防止同时失电。

每组蓄电池组中的充电机、蓄电池出口以及接入直流母线应采用直流断路器和熔断器串联作为保护电器。在相关的开关上装设辅助接点和报警接点，在开关跳闸时能通过上位机发出报警。

在每套电池上设置一套电池巡检装置，实时检测每节电池的电压，如果出现电池电压过高、过低的情况，能通过监控系统发出报警，并显示出是哪节电池出现故障。

完善充电机室的通风冷却装置，降低室内温度，延长电子设备寿命。调节蓄电池室室温，蓄电池可以在-20～50℃内使用。有效的工作温度为5～35℃,如果要获得最佳的使用寿命，应在15～25℃环境下使用。为保证电池有足够的容量,每年要进行一次容量恢复试验,让电池内的活化物质活化,恢复电池的容量。

在中控室设直流分电柜，把直流电源相关负荷开关进行归类管理，将直流电源馈电柜进线分段，然后通过隔离电器接入设在中控室的直流分电柜，同时对回路进行分析后，更换相应的熔断器或断路器。

定期对蓄电池进行核对性充放电,了解蓄电池的运行情况是否良好。

6 结 语

回龙山水电站直流系统经过多次改造，已逐渐满足适应了现场设备的需求，但由于经历时间过程较长，不能完全满足要求，本文对直流系统的实际情况同相关标准进行详细分析比较后，提出了相关的解决办法和改造方向，相信能为相关单位直流系统的改造提供借鉴。