电力工程直流电源系统在设计中应用

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摘要：为了保证系统的继电保护装置、事故照明、直流电动机和交流不间断电源装置、控制、信号、保护等的用电，需要可靠的直流电源提供保证，所以直流蓄电池组便成为解决发电厂和110kV及以上变电所直流电源的简单可靠的解决方案。在设计中，主要针对系统电压等级、蓄电池组、充电装置、接线方式、网络设计等进行分析计算，把直流负荷进行分类并且统计，满足系统保护、测量和监控信号要求的情况下，对蓄电池组、充电装置、电缆、直流电动机启动设备等进行选择。

关键词：直流电源；蓄电池；操作电源；工程应用；二次回路

无论是在火力发电厂还是水力发电厂，或者是新能源发电厂及各电压级别的大中小型变电所中，为了保证系统的继电保护装置、事故照明、直流电动机和交流不间断电源装置、控制、信号、保护等的用电，都需要可靠的直流电源提供保证，因此直流蓄电池组便成为解决发电厂和110kV及以上变电所直流电源的简单可靠的解决方案。对110kV以下的终端变电所也可用复式整流电源或电容储能直流电源解决直流电源的问题［1－3］。

1设计原则

直流操作系统接线要求安全可靠、接线简单、供电范围明确、操作方便。在设计中，主要针对系统电压等级、蓄电池组、充电装置、接线方式、网络设计等进行分析计算，把直流负荷进行分类并且统计，满足系统保护、测量和监控信号要求的情况下，对以下设备进行选择：蓄电池组、充电装置、电缆、蓄电池试验放电装置、直流断路器、熔断器、隔离开关、降压装置、直流柜、直流电源成套装置、DC／DC变换装置、直流电动机启动设备。在设备选择后，再对设备布置及专用蓄电池室相关专业提出要求。本文不对相关标准、规范、规程、手册条文进行论述，仅总结项目实际设计经验。

2项目实用举例

2．1设计输入条件

某4×250MW火力发电厂单台机组装设3组蓄电池，其中控制负荷采用2组110V蓄电池供电，动力负荷采用另一组220V蓄电池供电。4台机组的220V直流系统间设联络线。选用阀控式密封铅酸蓄电池（贫液形式，单体电压2V）作为该发电厂蓄电池，均衡充电电压取2．30V，浮充电电压选择2．23V。现已知每台机组直流负荷统计如下：汽轮机氢侧直流备用泵（起动电流倍数按2设计）负荷额定容量5kVA、功率因数cosφ＝0．8，汽轮机空侧直流备用泵（起动电流倍数按2设计）负荷容量20kVA、cosφ＝0．5，汽轮机直流事故润滑油泵（起动电流倍数按2设计）容量27．5kVA、cosφ＝0．8，UPS设备负荷额定容量96kVA、cosφ＝0．8，电气控制电源额定容量10kVA，保护电源容量5kVA，热控控制经常负荷容量18．75kVA、cosφ＝0．8，热控控制事故初期冲击负荷容量10kVA、cosφ＝0．5，热控控制事故初期冲击负荷（用作事故负荷）容量25kVA、cosφ＝0．8、负荷系数取0．6，直流长明灯负荷容量4kVA、cosφ＝0．75，6kV电压等级厂用电低电压跳闸负荷容量80kVA、cosφ＝0．5，400V电压等级低电压跳闸负荷容量50kVA、cosφ＝0．5，厂用电电源恢复时高压厂用断路器合闸负荷容量5kVA、cosφ＝0．6，励磁控制单元负荷容量1．25kVA、cosφ＝0．8，变压器冷却器控制电源容量1kVA、cosφ＝1。

2．2应用讨论

按照浮充电运行，选择220V蓄电池个数，依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》［1］（DL／T5044—2014）附录C．1．1公式C．1．1，取103个均衡充电电压校验，依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》（DL／T5044—2014）附录C．1．2，对于动力负荷，蓄电池的充电电压为2．3V＜2．38V，满足均衡充电要求。同理，可以计算求得110V蓄电池个数选择52个，110V单体蓄电池的事故放电末期终止电压为1．85V，220V单体蓄电池的事故放电末期终止电压为1．87V。依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》，对直流系统负荷进行统计，见表1。110V蓄电池组用于控制，故只统计控制负荷。结合实际，表中序号10和11计算6kV厂用电低电压跳闸和400V低电压跳闸时不满足要求，可以参照《电力工程直流电源系统设计技术规程》表4．2．5序号2以高电压跳闸看待。综上，110V蓄电池组的正常负荷有电气控制电源、保护电源、热控控制单元、励磁控制单元，依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》表4．2．6查出这4项正常负荷对应的系数分别为0．6、0．6、0．6、0．6，计算得到110V蓄电池组的正常负荷为174．55A，根据4．2．1条·031·第43卷S2人民黄河Vol．43，Sup．22021年12月YELLOWRIVERDec．，20211款，每组蓄电池组带全部控制负荷，即174．55A。负荷统计需要注意：①蓄电池组用作控制和动力专用设备供电或混合供电要明确（详见表1），分别统计对应的负荷；②直流的性质分为经常、事故初期1min、事故持续（0．5h、1．0h、1．5h、…）、事故随机5s，要区分清楚［2］；③计算过程中要考虑《电力工程直流电源系统设计技术规程》中表4．2．6。负荷系数同理，220V蓄电池带动力负荷情况不再重复叙述。220V蓄电池组事故放电初期0～1min的事故放电电流可以按照以下方法得到：依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》表4．2．5及表4．2．6，220V蓄电池为动力专用，具体统计为表1“直流系统负荷表”中序号1、5、6、7、8、9。统计初期1min负荷电流时除了恢复供电高压断路器合闸，其他项目都统计在内。直流负荷对应功率因数为1，UPS负荷系数为0．5，汽机氢侧直流备用泵和汽机空侧直流备用泵在事故时启用，需要统计，考虑起动电流倍数2，220V蓄电池组初期1min放电电流为668．18A。如该电厂选用一组1600Ah容量的220V蓄电池组，配置一组高频开关电源模块（单个电流25A）［2］，220V蓄电池组动力经常负荷为直流长明灯，额定电流为13．64A，依据《电力工程直流系统设计技术规程》附录D公式D．1．1－5、D．2．1－1、D．2．1－2、D．2．1－3、D．2．1－4计算得到需要蓄电池8．95～10．55个，选型时取10个。同理，110V蓄电池组高频开关模块选择不再重复叙述。假设蓄电池出口与直流配电柜连接的电缆长度为25m，该电缆截面依据《电力工程直流电源系统设计技术规程》第E．1．2条、表E．2．1－1中蓄电池回路公式A．3．6－1及其参数说明，计算得到回路电压降电流为880A＞668．18A，依据表E．2－2中蓄电池回路，0．5％≤ΔUp（压降损失百分数）≤1％，采用公式E．1．1－2计算得到电缆截面Scac＝368mm2。

3结语

本文仅对直流系统设计中的部分元件选择进行了论述，这些元件的正确选择对系统的可靠性和稳定性非常重要。交流操作系统选择同样能够供给控制、合闸和分励信号等回路使用，但不适用于本文讨论的方法

参考文献：

［1］国家能源局．电力工程直流电源系统设计技术规程：DL／T5044—2014［S］．北京：中国计划出版社，2014：50，14，15，66，69．

［2］中国航空规划设计研究总院有限公司．工业与民用供配电设计手册［S］．4版．北京：中国电力出版社，2016：664，662．

［3］能源部西北电力设计院．电力工程电气设计手册－电气二次部分［M］．北京：中国电力出版社，1991：265．

作者:张宝喜 张婉璐 刘谋 单位:天津渤化工程有限公司 三门峡黄河明珠（集团）有限公司