茂名熱電廠直流系統屏更新改造設計方案淺析

茂名熱電廠直流系統屏更新改造設計方案淺析

摘　要　茂名熱電廠原用的老式直流系統屏存在結線復雜、維護困難、工作可靠性差及配置不合理的問題，機組控制模式既有集中控制，又有分散控制。在改造中，根據實際情況，采用了全廠統一布置的直流系統方式，并通過分析、計算，對蓄電池組、充電設備等進行了更新。運行情況說明改造達到了設計要求，且安全可靠，維護方便。

1　老式直流系統屏存在的缺點

　　茂名熱電廠原用的直流系統屏為老式直流系統屏(同一屏為雙母線結線，采用直流發電機及硅充電裝置)。從超過30 a的運行情況來看，主要存在的缺點或不足之處如下。

1.1　雙工作母線結線布置復雜

　　因直流屏采用雙工作母線結線，6根直流母線水平布置于屏頂上(根據控制、信號音響的需要，直流母線上還設有8根小母線)。在同一塊屏上，有兩組母線的饋線回路或電源與饋線回路相混合布置。當設備出現接觸不良等缺陷時，往往因結線復雜和設備間距小，而使缺陷難以處理。

1.2　儀表和燈光信號難以維護

　　老式的直流屏，其屏的正面都不采用活動門的型式。這樣，裝于屏面上的儀表、信號燈等設備，往往損壞后不能更換。

1.3　直流發電機維護工作量和耗能大

　　茂名熱電廠原使用同軸電動直流發電機組及GVA型硅整流裝置擔負直流系統經常負荷及作為蓄電池的核對性充電設備。配有1臺Z2-17，15 kW的直流發電機，由J2-62-4，17 kW的電動機帶動，當直流電機持續運行時，電動機月耗電量約12 MWh，影響節能降耗，且整流子碳刷易冒火花，需經常維護。當使用GVA型硅充電裝置擔負直流系統的經常負荷時，由于硅整流裝置不能自動調節輸出，直流系統負荷突變時(如汽機啟動直流油泵)，若不及時調整硅裝置的輸出，將會導致母線電壓偏低，致使蓄電池過放電，嚴重時影響繼電保護裝置的正常工作。當蓄電池進行核對性放電時，因硅裝置為不可逆式，無法作為蓄電池的放電負載，蓄電池須在空母線的前提下另接電阻作負載進行放電，而母線的倒閘操作較復雜，容易出現錯漏。

1.4　絕緣監察裝置動作靈敏度低

　　老式直流系統屏采用電磁式絕緣監察裝置反映直流系統的接地狀況。從茂名熱電廠多年的運行情況來看，該裝置能正確反映單極明顯的接地現象，但當兩極的絕緣都下降時，卻不能準確反映。

2　新直流屏的設計原則

　　茂名熱電廠為早期發電廠，機組控制模式采用原蘇聯早期形式，即電氣系統采用集中控制，60年代投運的1號、2號機組，機、爐采用分散控制，70年代的3號、4號機組，機、爐采用集中控制。因此，對于現代機組普通采用的單元機組獨立的直流系統方式將無法實現，只能根據該廠的實際情況，采用全廠統一布置的直流系統方式。

2.1　接線方式

　　新的直流屏采用單母線分段的接線方式，兩組蓄電池經聯絡刀開關進行連接。為防止兩組蓄電池并列運行，聯絡刀開關與蓄電池電源刀開關之間應設有閉鎖措施。

2.2　屏上設備布置

　　做到簡單清晰，電源(充電設備和蓄電池)、饋線、事故照明裝置布置于各自的屏上。帶有儀表及燈光信號的屏面，使用活動門的型式。

2.3　充電裝置

　　選用可控可逆式硅充裝置，實行負荷自動跟蹤，保證直流母線的電壓質量。當蓄電池進行核對性放電時，硅裝置工作于整流的逆變狀態，蓄電池不用另接電阻作為放電負載。

2.4　蓄電池組

　　原則上選用免維護密封式蓄電池，當原GGM-800型蓄電池組經校驗后，仍滿足直流系統的要求時，可暫不更換。

2.5　絕緣監察裝置和饋線開關

　　原則上選用90年代技術先進、成熟可靠的設備。例如，選用由CMOS集成電路組成的ZJJ-1型絕緣監察裝置，該裝置在直流兩極絕緣均等下降時都能正確動作發信。

3　新直流系統屏的設備選型

3.1　直流系統負荷

　　經統計，直流系統各類負荷如表1。

　　因茂名熱電廠為中型火力發電廠，且與系統相連，所以蓄電池事故放電時間考慮為1 h。對于汽輪機潤滑油泵，因為是高溫、高壓機組，故其事故計算時間為1.0 h，直流潤滑油泵的K值取0.8，密封油泵的K值取0.7計算。沖擊負荷考慮為1臺最大合閘電流的斷路器合閘。

3.2　蓄電池組的選擇

3.2.1　按事故持續放電狀態選擇

tj=KkQsg/Isg=1.1×307 Ah/306 A=1.1 h

式中　tj——GGM型蓄電池假想時間，h；
Kk——可靠因數，取1.1；
Qsg——事故負荷計算容量，Ah；
Isg——事故放電電流，A。
　　查《電力工程設計手冊》(西北電力設計院、東北電力設計院主編)中P769曲線表，得Idj=16.8 A，則

Qe≥36Isg/Idj=(36×306/16.8)Ah=658 Ah

式中　Qe——蓄電池的10 h放電容量，Ah；
Idj——單位容量蓄電池在放電假想時間內所允許的放電電流，A。
　　選用720 Ah的蓄電池即可。原選用的蓄電池為GGM-800型可滿足要求。
3.2.2　按最大沖擊電流選擇

Qe≥0.78(Isg+Ich)=［0.78×(306+235)］ Ah=422 Ah

　　根據計算結果，蓄電池的容量按事故持續放電狀態下計算選擇。原運行的GGM-800型蓄電池組仍滿足負荷的要求。

3.2.3　直流電壓水平校驗(以GGM-800型為例)

　　a)按事故放電初期，蓄電池突然承受放電電流的電壓水平驗算：

Kcho=Iso/C10=609 A/800 Ah=0.76 h-1

式中　Kcho——單位容量蓄電池放電初期放電系數，h-1。
　　查GGM型蓄電池短時沖擊放電曲線表得： 

表1　直流系統各類負荷

負荷名稱 計算容量
/kW 經常負荷
/A (事故負荷)/(初期Iso/A　 持續Is/A　 沖擊Ich/A) 事故時間
/h 事故放電
容量/Ah 
經常負荷 7.2 33 33 33 — 1 33 
事故照明 25 — 114×0.6 114×0.6 — 1 68 
通信備用電源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1&n

bsp;7 
熱工備用電源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1 7 
直流潤滑油泵 80×0.8 — 728×0.5 291×0.5 — 1 146 
直流密封油泵 20.1×0.7 — 260×0.5 91×0.5 — 1 146 
斷路器合閘電流 — — — — 235 — — 
合計 — 33 609 306 235 — 307 

Kcho=0.76 h-1 時，Ucho=1.86 V，則直流母線電壓為
N.Ucho=106×1.86 V=197.16 V＞0.85Ue

式中　Ucho——單位容量電池沖擊負荷初期端電壓，V；
N　——浮充電池個數；
Ue　——直流母線額定電壓，V。
　　b)按事故放電末期，蓄電池再承受沖擊負荷時的電壓驗算：

Km=Is/C10=306 A/800 Ah=0.38 h-1

Kchm=Ich/C10=235 A/800 Ah=0.29 h-1

式中　Km　——單位容量蓄電池持續放電系數，h-1；
Kchm——單位容量蓄電池沖擊放電末期放電系數，h-1。
查有關曲線得Uchm=1.72 V，則直流母線電壓為

N.Uchm=106×1.72 V=182.32 V

0.80Ue＜N.Uchm＜0.85 Ue

式中　Uchm——單位容量蓄電池沖擊負荷末期端電壓，V。

　　從計算結果來看，選取蓄電池為800 Ah時，按事故放電的末期，蓄電池再承受沖擊負荷時，母線電壓為182.32 V，能滿足斷路器的合閘電壓要求，但難以滿足直流油泵的運行要求(直流油泵運行允許電壓范圍為(-10%～+10%)Ue間)。蓄電池的容量應選大一級為宜，即C10=1 000 Ah。但上述校驗為運行中的極端情況，運行中出現的概率極少，當出現時可通過調整蓄電池組的放電個數來滿足直流油泵的運行。故原選用的GGM-800 型蓄電池可滿足要求。但原用的GGM-800 型 Ⅰ、Ⅱ組蓄電池運行時間已達10 a以上，受蓄電池自放電、過放電及電極純化等影響，蓄電池陰、陽極板脫落滲液嚴重，電池難以滿足充電，可靠性大大降低。因此，利用改造機會將Ⅰ、Ⅱ組蓄電池更換為英國進口的VH34-1000 型免維護蓄電池。

3.2.4　蓄電池的個數

　　蓄電池個數為：　N=230/1.85=124，其中基本電池數為88個，端電池數為36個。

3.3　充電設備的選擇

3.3.1　核對性充電設備

3.3.1.1　充電設備的額定電流

　　a)按事故放電后進行充電的要求選擇充電設備，計算公式為：

Ic=1.1Qsg/t+Ijc=1.1×307 Ah/12 h+33A=61 A

式中　Ijc——浮充電設備的工作電流，A；
Ic——充電設備應具備的輸出電流，A。
　　b)考慮核對性充放電，按最大充電電流選擇，

Ic=0.1Qe+Ijc=(0.1×800+33)A=113 A

故充電設備的額定輸出電流應大于113 A。

3.3.1.2　充電設備的輸出電壓范圍

　　對有端電池的直流系統，充電設備的電壓應滿足蓄電池充電末期的電壓選擇。即：

Uc=N×Ucm=124×2.4 V=297.6 V

式中　Uc ——充電設備輸出電壓，V；
Ucm——蓄電池滿充電端電壓，V。
　　取最大一級，即360 V。
　　充電設備容量：Pc=IcUcm=113 A×360 V=41 kW。

　　不考慮選用直流發電機，應選用的硅整流裝置為KGCfA-150/360，則額定輸出電流為150 A，最高輸出電壓為360 V。

3.3.2　浮充電設備

　　浮充電設備持續負荷電流Ifc為Ifc=0.004 2Qe+Ijc=(0.004 2×1 000+33)A=37.2 A

　　浮充電設備正常工作容量Pfc為Pfc=IfcUcm=37.2 A×360 V=14 kW

　　按核對性充電設備選得的KGCfA-150/360可滿足蓄電池浮充電要求。

4　結束語

　　通過分析茂名熱電廠老式直流系統屏存在的缺點或不足之處，提出了其更新、改造的設計方案。新設計的直流系統屏既滿足經濟性、可靠性、技術性的要求，又美觀大方，維護方便。該直流系統自1997年初全部改造(包括將原用的GGM-800型蓄電池更換為VH34-1000 型免維護電池)投運以來，運行情況良好，解決了過去可靠性低、維護困難、直流系統絕緣差、充電機因大電流開關合閘經常跳閘等一系列問題，在該廠的安全發、供電方面發揮了重要的作用。


 

作者：廣東茂名熱電廠 陳偉強 

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