茂名熱電廠直流系統(tǒng)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(tǒng)屏存在結(jié)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(jù)實際情況，采用了全廠統(tǒng)一布置的直流系統(tǒng)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(tǒng)屏存在的缺點
茂名熱電廠原用的直流系統(tǒng)屏為老式直流系統(tǒng)屏(同一屏為雙母線結(jié)線，采用直流發(fā)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(jié)線布置復雜
因直流屏采用雙工作母線結(jié)線，6根直流母線水平布置于屏頂上(根據(jù)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(xiàn)接觸不良等缺陷時，往往因結(jié)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(fā)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(fā)電機組及GVA型硅整流裝置擔負直流系統(tǒng)經(jīng)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(fā)電機，由J2-62-4，17 kW的電動機帶動，當直流電機持續(xù)運行時，電動機月耗電量約12 MWh，影響節(jié)能降耗，且整流子碳刷易冒火花，需經(jīng)常維護。當使用GVA型硅充電裝置擔負直流系統(tǒng)的經(jīng)常負荷時，由于硅整流裝置不能自動調(diào)節(jié)輸出，直流系統(tǒng)負荷突變時(如汽機啟動直流油泵)，若不及時調(diào)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(xiàn)錯漏。
1.4 絕緣監(jiān)察裝置動作靈敏度低
老式直流系統(tǒng)屏采用電磁式絕緣監(jiān)察裝置反映直流系統(tǒng)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(xiàn)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(fā)電廠，機組控制模式采用原蘇聯(lián)早期形式，即電氣系統(tǒng)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(xiàn)代機組普通采用的單元機組獨立的直流系統(tǒng)方式將無法實現(xiàn)，只能根據(jù)該廠的實際情況，采用全廠統(tǒng)一布置的直流系統(tǒng)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(jīng)聯(lián)絡刀開關進行連接。為防止兩組蓄電池并列運行，聯(lián)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(zhì)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(tài)，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(jīng)校驗后，仍滿足直流系統(tǒng)的要求時，可暫不更換。
2.5 絕緣監(jiān)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(jiān)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(fā)信。
3 新直流系統(tǒng)屏的設備選型
3.1 直流系統(tǒng)負荷
經(jīng)統(tǒng)計，直流系統(tǒng)各類負荷如表1。
因茂名熱電廠為中型火力發(fā)電廠，且與系統(tǒng)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(xù)放電狀態(tài)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(shù)，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(nèi)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(jù)計算結(jié)果，蓄電池的容量按事故持續(xù)放電狀態(tài)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(shù)，h-1。
查GGM型蓄電池短時沖擊放電曲線表得：
表1 直流系統(tǒng)各類負荷
負荷名稱 計算容量/kW 經(jīng)常負荷
/A (事故負荷)/(初期Iso/A 持續(xù)Is/A 沖擊Ich/A) 事故時間
/h 事故放電
容量/Ah 經(jīng)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 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(shù)；
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(xù)放電系數(shù)，h-1；
Kchm——單位容量蓄電池沖擊放電末期放電系數(shù)，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(jié)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(xiàn)的概率極少，當出現(xiàn)時可通過調(diào)整蓄電池組的放電個數(shù)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(shù)
蓄電池個數(shù)為： N=230/1.85=124，其中基本電池數(shù)為88個，端電池數(shù)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(tǒng)，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(fā)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(xù)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(jié)束語
通過分析茂名熱電廠老式直流系統(tǒng)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(tǒng)屏既滿足經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)絕緣差、充電機因大電流開關合閘經(jīng)常跳閘等一系列問題，在該廠的安全發(fā)、供電方面發(fā)揮了重要的作用。
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