里底水電站工程直流電源系統

靳衛安

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

1 工程概況

里底水電站工程位于云南省境內，為Ⅱ等大(2)型工程。樞紐建筑物由擋水壩、河床式廠房、左岸溢洪道、泄洪底孔、中控樓及開關站等組成。電站主廠房長144.8 m，安裝3 臺單機容量為140 MW軸流轉槳式水輪機，發電機與主變采用單元接線方式。中控樓距廠房約為60 m，中控樓和開關站依次位于壩下下游右岸邊，中控樓長32.7 m,開關站長110.4 m，以500 kV、220 kV兩級電壓接入電力系統。

2 直流電源系統的要求

里底水電站為河床式廠房，多年平均年發電量為19.52億kWh，在電力系統處于重要位置，對直流電源系統提出了以下要求:

(1) 能可靠的為控制、信號、保護、自動裝置[1]、應急照明和交流不停電電源等控制負荷和動力負荷設備正常供電；

(2) 壩區直流電源可直接引自廠房直流電源系統。

3 系統設計

3.1 直流電源及系統電壓的選擇

結合電站出線電壓等級、廠房、中控樓和壩區的布置情況，本電站直流電源系統可同時為控制和動力負荷供電，系統電壓可采用220 V或110 V。由于110 V直流電壓主要適用于110 kV及以下的發電廠升壓站、變電站等的控制負荷的直流電源系統，220 V直流電壓有利于在給動力負荷供電時減小電纜截面，方便施工。水電站直流電源系統的額定電壓一般采用220 V[2]，故系統標稱電壓采用220 V。電源采用蓄電池組，各套直流網絡獨立運行，沒有任何電氣連接。在正常工作方式時，各蓄電池組以浮充電方式運行。充電裝置型式選用高頻開關電源模塊型的充電裝置。

3.2 蓄電池的選擇

閥控式密封鉛酸蓄電池具有體積小、自放電系數小、使用壽命長等特點[3]，滿足常規電站安全運行和可靠性的要求。

3.2.1蓄電池數量的計算

蓄電池的數量應滿足在浮充電運行時，直流母線電壓為1.05倍系統標稱電壓的要求[4]。常用的鉛酸蓄電池的電壓有2、6、12 V等，由于2 V電池壽命長、成本高[5]，6、12V電池壽命短，成本低，綜合考慮，推薦電池電壓采用2 V。由于系統電壓選擇DC220 V，故蓄電池出口電壓按220 V考慮。

(1)

式中:n為蓄電池個數；Un為每套直流電源系統的系統標稱電壓，Un=220 V；Uf為每個蓄電池的浮充電壓，Uf=2.25 V。

根據上述計算，每組蓄電池數為103只。

3.2.2蓄電池均充電壓選擇

直流電源系統母線電壓(控制負荷和動力負荷合并)在均衡充電運行情況下不應高于系統電壓的110%。

(2)

式中:Uc為每個蓄電池的均充電壓。

根據上述計算，每個蓄電池均充電壓為2.35 V。

3.2.3蓄電池放電終止電壓的選擇

為保證在事故放電末期能夠維持直流母線電壓不低于直流電源系統電壓的87.5%。每個蓄電池放電末期的終止電壓按照公式(3)計算。

(3)

式中：Um為每個蓄電池放電末期的終止電壓，V。

計算每個蓄電池放電終止電壓為1.87 V。

3.2.4負荷統計

直流負荷根據用電性質，可劃分為經常負荷、事故負荷和沖擊負荷[6]。負荷統計是進行直流設備選擇和容量計算的數據基礎。機組及公用直流電源系統的負荷情況詳見表1。應急照明直流電源系統的負荷情況詳見表2。

表1 機組及公用直流電源系統負荷統計表

表2 應急照明直流電源系統負荷統計表

3.2.5蓄電池容量計算

本工程上接烏弄龍水電站，下鄰巴托水電站，直流電源系統事故備用時間按不小于1 h設計，按照負荷階段分段進行計算，取最大的計算容量值，最終蓄電池標稱容量應比最大計算容量值略大。根據每組蓄電池供電對象可分為2種方案，方案1為機組及公用設備和應急照明使用1套直流電源系統，經計算，設2組容量為1 000 Ah的蓄電池，直流電源系統短路電流按20 kA考慮。方案2為機組及公用和應急照明也可分別設置1套直流電源系統，機組及公用設2組容量為600 Ah的蓄電池，應急照明設1組容量為600 Ah的蓄電池，直流電源系統短路電流均按10 kA考慮。對比上述2種方案，方案2故障檢修時影響范圍相對較小，蓄電池造價相對較低，最終本電站機組及公用、開關站和中控樓、應急照明直流電源系統蓄電池組容量分別為600、800、600 Ah。

3.3 充電裝置的選擇

充電裝置額定電流應從滿足浮充電、蓄電池充電和蓄電池均衡充電3個方面的要求考慮。充電裝置型式選用高頻開關模塊，應根據每組蓄電池配置充電裝置數量的不同，合理選擇高頻開關模塊數量。

3.4 接線方式

機組及公用電源系統直流電源系統母線采用單母線分段的接線方式，每組蓄電池和充電裝置應分別通過兩極刀開關與相應的DC220 V直流母線相連，兩段控制母線分別配置微機型絕緣監測裝置。本套直流電源系統接線結構詳見圖1。

圖1 機組及公用直流電源系統接線結構圖

開關站和中控樓直流電源系統采用單母線分段的接線方式，每組蓄電池和充電裝置應分別通過兩極刀開關與相應的DC220 V直流母線相連，第三臺充電裝置經閉鎖開關可與任意一段母線連接。兩段控制母線分別配置微機型絕緣監測裝置。

應急照明專用直流電源系統采用單母線接線方式，配置1組蓄電池、1套充電裝置，蓄電池和充電裝置通過兩極刀開關與相應的DC220 V直流母線相連，控制母線分別配置微機型絕緣監測裝置。單套充電裝置進線應引接兩路交流電源，兩路電源能自動切換。直流電源系統各裝置、自動化元件、傳感器的正常運行、故障報警等信號，全部先上傳至微機監控裝置，然后微機監控裝置采用RS485串口接口與站內計算機監控系統通信。

3.5 蓄電池布置

里底水電站中控樓距廠房約60 m,根據廠房、中控樓及開關站直流負荷分布情況，本電站共設置3套直流電源系統，2套布置在副廠房蓄電池室，1套布置在中控樓蓄電池室。蓄電池組架布置，每組蓄電池均采用免維護鉛酸蓄電池。

4 結 語

電站的運行方式和電站出線電壓等級對直流系統設計提出了較高的要求，同時結合廠房、中控樓分布情況和直流負荷分布等因素進行直流電源系統設計。該水電站已投運多年，直流電源系統運行良好，輸出穩定。