里底水电站工程直流电源系统

靳卫安

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概况

里底水电站工程位于云南省境内，为Ⅱ等大(2)型工程。枢纽建筑物由挡水坝、河床式厂房、左岸溢洪道、泄洪底孔、中控楼及开关站等组成。电站主厂房长144.8 m，安装3 台单机容量为140 MW轴流转桨式水轮机，发电机与主变采用单元接线方式。中控楼距厂房约为60 m，中控楼和开关站依次位于坝下下游右岸边，中控楼长32.7 m,开关站长110.4 m，以500 kV、220 kV两级电压接入电力系统。

2 直流电源系统的要求

里底水电站为河床式厂房，多年平均年发电量为19.52亿kWh，在电力系统处于重要位置，对直流电源系统提出了以下要求:

(1) 能可靠的为控制、信号、保护、自动装置[1]、应急照明和交流不停电电源等控制负荷和动力负荷设备正常供电；

(2) 坝区直流电源可直接引自厂房直流电源系统。

3 系统设计

3.1 直流电源及系统电压的选择

结合电站出线电压等级、厂房、中控楼和坝区的布置情况，本电站直流电源系统可同时为控制和动力负荷供电，系统电压可采用220 V或110 V。由于110 V直流电压主要适用于110 kV及以下的发电厂升压站、变电站等的控制负荷的直流电源系统，220 V直流电压有利于在给动力负荷供电时减小电缆截面，方便施工。水电站直流电源系统的额定电压一般采用220 V[2]，故系统标称电压采用220 V。电源采用蓄电池组，各套直流网络独立运行，没有任何电气连接。在正常工作方式时，各蓄电池组以浮充电方式运行。充电装置型式选用高频开关电源模块型的充电装置。

3.2 蓄电池的选择

阀控式密封铅酸蓄电池具有体积小、自放电系数小、使用寿命长等特点[3]，满足常规电站安全运行和可靠性的要求。

3.2.1蓄电池数量的计算

蓄电池的数量应满足在浮充电运行时，直流母线电压为1.05倍系统标称电压的要求[4]。常用的铅酸蓄电池的电压有2、6、12 V等，由于2 V电池寿命长、成本高[5]，6、12V电池寿命短，成本低，综合考虑，推荐电池电压采用2 V。由于系统电压选择DC220 V，故蓄电池出口电压按220 V考虑。

(1)

式中:n为蓄电池个数；Un为每套直流电源系统的系统标称电压，Un=220 V；Uf为每个蓄电池的浮充电压，Uf=2.25 V。

根据上述计算，每组蓄电池数为103只。

3.2.2蓄电池均充电压选择

直流电源系统母线电压(控制负荷和动力负荷合并)在均衡充电运行情况下不应高于系统电压的110%。

(2)

式中:Uc为每个蓄电池的均充电压。

根据上述计算，每个蓄电池均充电压为2.35 V。

3.2.3蓄电池放电终止电压的选择

为保证在事故放电末期能够维持直流母线电压不低于直流电源系统电压的87.5%。每个蓄电池放电末期的终止电压按照公式(3)计算。

(3)

式中：Um为每个蓄电池放电末期的终止电压，V。

计算每个蓄电池放电终止电压为1.87 V。

3.2.4负荷统计

直流负荷根据用电性质，可划分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷[6]。负荷统计是进行直流设备选择和容量计算的数据基础。机组及公用直流电源系统的负荷情况详见表1。应急照明直流电源系统的负荷情况详见表2。

表1 机组及公用直流电源系统负荷统计表

表2 应急照明直流电源系统负荷统计表

3.2.5蓄电池容量计算

本工程上接乌弄龙水电站，下邻巴托水电站，直流电源系统事故备用时间按不小于1 h设计，按照负荷阶段分段进行计算，取最大的计算容量值，最终蓄电池标称容量应比最大计算容量值略大。根据每组蓄电池供电对象可分为2种方案，方案1为机组及公用设备和应急照明使用1套直流电源系统，经计算，设2组容量为1 000 Ah的蓄电池，直流电源系统短路电流按20 kA考虑。方案2为机组及公用和应急照明也可分别设置1套直流电源系统，机组及公用设2组容量为600 Ah的蓄电池，应急照明设1组容量为600 Ah的蓄电池，直流电源系统短路电流均按10 kA考虑。对比上述2种方案，方案2故障检修时影响范围相对较小，蓄电池造价相对较低，最终本电站机组及公用、开关站和中控楼、应急照明直流电源系统蓄电池组容量分别为600、800、600 Ah。

3.3 充电装置的选择

充电装置额定电流应从满足浮充电、蓄电池充电和蓄电池均衡充电3个方面的要求考虑。充电装置型式选用高频开关模块，应根据每组蓄电池配置充电装置数量的不同，合理选择高频开关模块数量。

3.4 接线方式

机组及公用电源系统直流电源系统母线采用单母线分段的接线方式，每组蓄电池和充电装置应分别通过两极刀开关与相应的DC220 V直流母线相连，两段控制母线分别配置微机型绝缘监测装置。本套直流电源系统接线结构详见图1。

图1 机组及公用直流电源系统接线结构图

开关站和中控楼直流电源系统采用单母线分段的接线方式，每组蓄电池和充电装置应分别通过两极刀开关与相应的DC220 V直流母线相连，第三台充电装置经闭锁开关可与任意一段母线连接。两段控制母线分别配置微机型绝缘监测装置。

应急照明专用直流电源系统采用单母线接线方式，配置1组蓄电池、1套充电装置，蓄电池和充电装置通过两极刀开关与相应的DC220 V直流母线相连，控制母线分别配置微机型绝缘监测装置。单套充电装置进线应引接两路交流电源，两路电源能自动切换。直流电源系统各装置、自动化元件、传感器的正常运行、故障报警等信号，全部先上传至微机监控装置，然后微机监控装置采用RS485串口接口与站内计算机监控系统通信。

3.5 蓄电池布置

里底水电站中控楼距厂房约60 m,根据厂房、中控楼及开关站直流负荷分布情况，本电站共设置3套直流电源系统，2套布置在副厂房蓄电池室，1套布置在中控楼蓄电池室。蓄电池组架布置，每组蓄电池均采用免维护铅酸蓄电池。

4 结 语

电站的运行方式和电站出线电压等级对直流系统设计提出了较高的要求，同时结合厂房、中控楼分布情况和直流负荷分布等因素进行直流电源系统设计。该水电站已投运多年，直流电源系统运行良好，输出稳定。