電力工程直流電源系統在設計中應用

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摘要：為了保證系統的繼電保護裝置、事故照明、直流電動機和交流不間斷電源裝置、控制、信號、保護等的用電，需要可靠的直流電源提供保證，所以直流蓄電池組便成為解決發電廠和110kV及以上變電所直流電源的簡單可靠的解決方案。在設計中，主要針對系統電壓等級、蓄電池組、充電裝置、接線方式、網絡設計等進行分析計算，把直流負荷進行分類并且統計，滿足系統保護、測量和監控信號要求的情況下，對蓄電池組、充電裝置、電纜、直流電動機啟動設備等進行選擇。

關鍵詞：直流電源；蓄電池；操作電源；工程應用；二次回路

無論是在火力發電廠還是水力發電廠，或者是新能源發電廠及各電壓級別的大中小型變電所中，為了保證系統的繼電保護裝置、事故照明、直流電動機和交流不間斷電源裝置、控制、信號、保護等的用電，都需要可靠的直流電源提供保證，因此直流蓄電池組便成為解決發電廠和110kV及以上變電所直流電源的簡單可靠的解決方案。對110kV以下的終端變電所也可用復式整流電源或電容儲能直流電源解決直流電源的問題［1－3］。

1設計原則

直流操作系統接線要求安全可靠、接線簡單、供電范圍明確、操作方便。在設計中，主要針對系統電壓等級、蓄電池組、充電裝置、接線方式、網絡設計等進行分析計算，把直流負荷進行分類并且統計，滿足系統保護、測量和監控信號要求的情況下，對以下設備進行選擇：蓄電池組、充電裝置、電纜、蓄電池試驗放電裝置、直流斷路器、熔斷器、隔離開關、降壓裝置、直流柜、直流電源成套裝置、DC／DC變換裝置、直流電動機啟動設備。在設備選擇后，再對設備布置及專用蓄電池室相關專業提出要求。本文不對相關標準、規范、規程、手冊條文進行論述，僅總結項目實際設計經驗。

2項目實用舉例

2．1設計輸入條件

某4×250MW火力發電廠單臺機組裝設3組蓄電池，其中控制負荷采用2組110V蓄電池供電，動力負荷采用另一組220V蓄電池供電。4臺機組的220V直流系統間設聯絡線。選用閥控式密封鉛酸蓄電池（貧液形式，單體電壓2V）作為該發電廠蓄電池，均衡充電電壓取2．30V，浮充電電壓選擇2．23V。現已知每臺機組直流負荷統計如下：汽輪機氫側直流備用泵（起動電流倍數按2設計）負荷額定容量5kVA、功率因數cosφ＝0．8，汽輪機空側直流備用泵（起動電流倍數按2設計）負荷容量20kVA、cosφ＝0．5，汽輪機直流事故潤滑油泵（起動電流倍數按2設計）容量27．5kVA、cosφ＝0．8，UPS設備負荷額定容量96kVA、cosφ＝0．8，電氣控制電源額定容量10kVA，保護電源容量5kVA，熱控控制經常負荷容量18．75kVA、cosφ＝0．8，熱控控制事故初期沖擊負荷容量10kVA、cosφ＝0．5，熱控控制事故初期沖擊負荷（用作事故負荷）容量25kVA、cosφ＝0．8、負荷系數取0．6，直流長明燈負荷容量4kVA、cosφ＝0．75，6kV電壓等級廠用電低電壓跳閘負荷容量80kVA、cosφ＝0．5，400V電壓等級低電壓跳閘負荷容量50kVA、cosφ＝0．5，廠用電電源恢復時高壓廠用斷路器合閘負荷容量5kVA、cosφ＝0．6，勵磁控制單元負荷容量1．25kVA、cosφ＝0．8，變壓器冷卻器控制電源容量1kVA、cosφ＝1。

2．2應用討論

按照浮充電運行，選擇220V蓄電池個數，依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》［1］（DL／T5044—2014）附錄C．1．1公式C．1．1，取103個均衡充電電壓校驗，依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》（DL／T5044—2014）附錄C．1．2，對于動力負荷，蓄電池的充電電壓為2．3V＜2．38V，滿足均衡充電要求。同理，可以計算求得110V蓄電池個數選擇52個，110V單體蓄電池的事故放電末期終止電壓為1．85V，220V單體蓄電池的事故放電末期終止電壓為1．87V。依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》，對直流系統負荷進行統計，見表1。110V蓄電池組用于控制，故只統計控制負荷。結合實際，表中序號10和11計算6kV廠用電低電壓跳閘和400V低電壓跳閘時不滿足要求，可以參照《電力工程直流電源系統設計技術規程》表4．2．5序號2以高電壓跳閘看待。綜上，110V蓄電池組的正常負荷有電氣控制電源、保護電源、熱控控制單元、勵磁控制單元，依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》表4．2．6查出這4項正常負荷對應的系數分別為0．6、0．6、0．6、0．6，計算得到110V蓄電池組的正常負荷為174．55A，根據4．2．1條·031·第43卷S2人民黃河Vol．43，Sup．22021年12月YELLOWRIVERDec．，20211款，每組蓄電池組帶全部控制負荷，即174．55A。負荷統計需要注意：①蓄電池組用作控制和動力專用設備供電或混合供電要明確（詳見表1），分別統計對應的負荷；②直流的性質分為經常、事故初期1min、事故持續（0．5h、1．0h、1．5h、…）、事故隨機5s，要區分清楚［2］；③計算過程中要考慮《電力工程直流電源系統設計技術規程》中表4．2．6。負荷系數同理，220V蓄電池帶動力負荷情況不再重復敘述。220V蓄電池組事故放電初期0～1min的事故放電電流可以按照以下方法得到：依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》表4．2．5及表4．2．6，220V蓄電池為動力專用，具體統計為表1“直流系統負荷表”中序號1、5、6、7、8、9。統計初期1min負荷電流時除了恢復供電高壓斷路器合閘，其他項目都統計在內。直流負荷對應功率因數為1，UPS負荷系數為0．5，汽機氫側直流備用泵和汽機空側直流備用泵在事故時啟用，需要統計，考慮起動電流倍數2，220V蓄電池組初期1min放電電流為668．18A。如該電廠選用一組1600Ah容量的220V蓄電池組，配置一組高頻開關電源模塊（單個電流25A）［2］，220V蓄電池組動力經常負荷為直流長明燈，額定電流為13．64A，依據《電力工程直流系統設計技術規程》附錄D公式D．1．1－5、D．2．1－1、D．2．1－2、D．2．1－3、D．2．1－4計算得到需要蓄電池8．95～10．55個，選型時取10個。同理，110V蓄電池組高頻開關模塊選擇不再重復敘述。假設蓄電池出口與直流配電柜連接的電纜長度為25m，該電纜截面依據《電力工程直流電源系統設計技術規程》第E．1．2條、表E．2．1－1中蓄電池回路公式A．3．6－1及其參數說明，計算得到回路電壓降電流為880A＞668．18A，依據表E．2－2中蓄電池回路，0．5％≤ΔUp（壓降損失百分數）≤1％，采用公式E．1．1－2計算得到電纜截面Scac＝368mm2。

3結語

本文僅對直流系統設計中的部分元件選擇進行了論述，這些元件的正確選擇對系統的可靠性和穩定性非常重要。交流操作系統選擇同樣能夠供給控制、合閘和分勵信號等回路使用，但不適用于本文討論的方法

參考文獻：

［1］國家能源局．電力工程直流電源系統設計技術規程：DL／T5044—2014［S］．北京：中國計劃出版社，2014：50，14，15，66，69．

［2］中國航空規劃設計研究總院有限公司．工業與民用供配電設計手冊［S］．4版．北京：中國電力出版社，2016：664，662．

［3］能源部西北電力設計院．電力工程電氣設計手冊－電氣二次部分［M］．北京：中國電力出版社，1991：265．

作者:張寶喜 張婉璐 劉謀 單位:天津渤化工程有限公司 三門峽黃河明珠（集團）有限公司