直流操作电源系统设计探讨

周 平

(中远智信设计有限公司, 贵州 贵阳 550000)

0 引 言

直流操作电源系统是控制、测量仪表、继电保护、自动装置以及其他二次回路的工作电源。在正常情况下,应能提供断路器跳、合闸以及其他设备的保护和操作控制;在事故状态下,应能提供继电保护跳闸及事故照明电源,避免事故扩大,因此,设计直流操作电源系统尤为重要。本文以某工程实例为背景,通过运用手册规范中的计算公式,结合设备厂家的技术标准,从系统设计的几个关键方面展开分析。

1 直流操作电源系统整体设计方案

1.1 工程项目概括

某地区一发电厂装有一台单机容量为50 MW的燃气轮发电机组。此发电厂输出的电能与地区的110 kV电网相连。

1.2 系统整体设计方案

发电厂内拟设计一套向控制负荷和动力负荷等供电的直流操作电源系统。

(1) 系统电压选择。此项目的直流用电设备电压为DC 220 V,设备容量较大且供电距离较远,宜采用控制和动力负荷合并供电,直流系统标称电压采用220 V。

(2) 蓄电池组选择。本项目仅装有1台容量为50 MW的发电机组,依据相关规范要求,可为独立的电气系统设置单独的蓄电池组[1-2]。本系统可装设1组蓄电池。

直流电源采用贫液吸附式的阀控式密封铅酸蓄电池,铅酸蓄电池采用单体为2 V的蓄电池,共103只,单体电池放电终止电压为1.87 V。

(3) 充电装置选择。充电装置型式选用高频开关电源模块型充电装置,且配置2套充电装置。

(4) 系统接线方式设计。由于本系统为1组蓄电池配置2套充电装置,宜采用单母线分段接线方式,2套充电装置应接入不同母线段,蓄电池组应跨接在两段母线上。

(5) 系统接线方式设计。直流操作电源网络系统采用集中辐射型供电方式,系统接线图如图1所示。

图1 系统接线图

2 直流操作电源系统设计实例计算

2.1 直流负荷统计

直流负荷按功能可分为控制负荷和动力负荷;按性质可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。

依据文献[4]第4.1.1条、第4.1.2条、表4.2.5及表4.2.6,现将本工程项目的主要直流负荷统计如表1所示[3-5]。

2.2 蓄电池容量计算

本工程蓄电池容量计算采用阶梯计算法,具体计算方法与步骤如下。

(1) 各阶段的放电电流计算。

第一阶段:蓄电池事故放电初期1 min放电电流。

除高压断路器合闸机构外,其他负荷均需要统计。直流负荷对应功率因数为1,UPS电源可按20 kW考虑。此阶段由于直流电机在起动瞬间有冲击电流,所以统计时需计入起动电流,本文按2倍额定电流取值,直流电机的负荷系数不需要计入。

表1 主要直流负荷统计表

I1=258 A

第二阶段:蓄电池事故放电1～30 min放电电流。

除热控控制事故初期冲击负荷、高压断路器跳闸线圈、高压断路器合闸机构外,其他负荷均需要统计。由于此阶段直流电机起动已完成,故统计时只需计入其额定电流,同时应考虑负荷系数。

I2=156 A

第三阶段:蓄电池事故放电30～60 min放电电流。

I3=156 A

此阶段统计方法同第二阶段。

蓄电池组随机负荷电流为

Ir=14 A

此阶段的随机负荷为高压断路器合闸机构。

(2) 各阶段的容量计算。

首先,查DL/T 5044—2014表C.3-3得到不同放电时间的容量换算系数。其中:5 s换算系数为1.27;1 min换算系数为1.18;29 min换算系数为0.764;30 min换算系数为0.755;59 min换算系数为0.548;60 min换算系数为0.52。然后按附录C.2.3中的阶梯法计算。

第一阶段(初期1 min)为

(1)

第二阶段(1～30 min)为

(2)

第三阶段(30～60 min)为

(3)

随机负荷计算容量为

(4)

上述式中各符号的含义可参考附录C.2.3中的定义,计算结果均取整数。

(3) 蓄电池容量选择。

将Cr叠加在第二阶段与第三阶段中最大值,即11+434=445 Ah,比第一阶段Cc1=306 Ah更大,取较大者。

则蓄电池计算容量为445 Ah,按照厂家的蓄电池容量规格,可选择500 Ah。

2.3 充电装置额定电流计算

从图1可以看出,该工程直流系统不脱离母线均衡充电,充电时仍对经常负荷供电,故应满足均衡充电要求。

先计算直流电源系统的经常负荷电流:

Ijc=[(6+5+1+1)×0.6+

2×1]÷0.22=45 A

(5)

其中,经常负荷包括电气控制、保护电源、热控控制经常负荷、直流长明灯、励磁控制电源、变压器冷却器控制电源。

则充电装置额定电流为

Ir=1.25I10+Ijc=

(6)

式中:I10——蓄电池10 h放电率电流,系数取最大值。

计算结果均取整数。

2.4 蓄电池组至直流柜连接电缆规格与截面选择

由于本工程的蓄电池容量规格为500 Ah,应设专用的蓄电池室。蓄电池引出回路采用单芯耐火交联聚乙烯电力电缆,通过桥架敷设至直流柜[6]。经现场测量,蓄电池组至直流柜的布线距离长度为25 m。

现需从两个方面技术指标来计算选择电缆截面。

(1) 按回路允许电压降选择。

先计算蓄电池回路长期工作计算电流:

Ica1=Id.1h=5.5I10=

5.5×500÷10=275 A

(7)

回路短时工作计算电流取事故初期(1 min)冲击放电电流,即:

Ica2=Icho=258 A

(8)

允许电压降计算电流取Ica1和Ica2中的较大者:

Ica=Ica1=275 A

(9)

电缆最小截面计算为

115 mm2

(10)

式中:ρ——铜导体电阻系数;

Ica——允许电压降计算电流;

Δup——回路允许电压降。

(2) 按电缆允许载流量选择。

Ipc≥Ica1

(11)

式中:Ipc——电缆允许载流量。

由上述可知,蓄电池回路长期工作计算电流Ica1=275 A,通过查文献[1]表9.3-25,0.6/1 kV交联聚乙烯电力电缆桥架敷设,当为单芯时,环境温度取40 ℃,电缆截面最小可选择95 mm2,电缆允许载流量为299 A,大于蓄电池回路长期工作计算电流,符合要求。

为同时满足回路允许电压降与电缆允许载流量的要求,电缆最小截面为120 mm2,本工程项目选择2×(WDNH-YJV-1 kV/1×120)电缆。

2.5 断路器额定运行短路分断能力规格选择

断路器额定运行短路分断能力是指其按相应的额定工作电压在规定的条件下应能分断的运行短路分断能力值,用符号Icu表示。

直流断路器额定短路分断电流及短时耐受电流应大于通过断路器的最大短路电流。

本文就直流柜内的进线断路器为例做计算选择。

由产品提供参数可知:单只蓄电池内阻为0.192 mΩ,蓄电池之间的连接条为0.016 mΩ。经计算引出电缆的电阻为8 mΩ。

直流柜内进线断器的出口短路电流为

7.48 kA

(12)

式中:n——蓄电池个数;

∑rk——相关断路器触头电阻之和,忽略不计。

则进线断路器选择Icu=10 kA,可满足额定运行短路分断能力要求。

3 结 语

综上所述,直流操作电源系统设计所涉及的知识点广泛,包括用电安全、节能、负荷计算、电能质量、短路电流、电气设备选择、二次回路等。设计系统要熟练掌握用电设备的运行特性以及规律,如直流电机的起动电流、断路器分断电流等,并结合设备厂家的技术标准,灵活地运用电气手册规范,综合考虑各方面的技术指标,以使系统设计更加科学与完善。