茂名热电厂直流系统屏更新改造设计方案浅析

1　老式直流系统屏存在的缺点
　　茂名热电厂原用的直流系统屏为老式直流系统屏(同一屏为双母线结线，采用直流发电机及硅充电装置)。从超过30 a的运行情况来看，主要存在的缺点或不足之处如下。
1.1　双工作母线结线布置复杂
　　因直流屏采用双工作母线结线，6根直流母线水平布置于屏顶上(根据控制、信号音响的需要，直流母线上还设有8根小母线)。在同一块屏上，有两组母线的馈线回路或电源与馈线回路相混合布置。当设备出现接触不良等缺陷时，往往因结线复杂和设备间距小，而使缺陷难以处理。
1.2　仪表和灯光信号难以维护
　　老式的直流屏，其屏的正面都不采用活动门的型式。这样，装于屏面上的仪表、信号灯等设备，往往损坏后不能更换。
1.3　直流发电机维护工作量和耗能大
　　茂名热电厂原使用同轴电动直流发电机组及GVA型硅整流装置担负直流系统经常负荷及作为蓄电池的核对性充电设备。配有1台Z2-17，15 kW的直流发电机，由J2-62-4，17 kW的电动机带动，当直流电机持续运行时，电动机月耗电量约12 MWh，影响节能降耗，且整流子碳刷易冒火花，需经常维护。当使用GVA型硅充电装置担负直流系统的经常负荷时，由于硅整流装置不能自动调节输出，直流系统负荷突变时(如汽机启动直流油泵)，若不及时调整硅装置的输出，将会导致母线电压偏低，致使蓄电池过放电，严重时影响继电保护装置的正常工作。当蓄电池进行核对性放电时，因硅装置为不可逆式，无法作为蓄电池的放电负载，蓄电池须在空母线的前提下另接电阻作负载进行放电，而母线的倒闸操作较复杂，容易出现错漏。
1.4　绝缘监察装置动作灵敏度低
　　老式直流系统屏采用电磁式绝缘监察装置反映直流系统的接地状况。从茂名热电厂多年的运行情况来看，该装置能正确反映单极明显的接地现象，但当两极的绝缘都下降时，却不能准确反映。
2　新直流屏的设计原则
　　茂名热电厂为早期发电厂，机组控制模式采用原苏联早期形式，即电气系统采用集中控制，60年代投运的1号、2号机组，机、炉采用分散控制，70年代的3号、4号机组，机、炉采用集中控制。因此，对于现代机组普通采用的单元机组独立的直流系统方式将无法实现，只能根据该厂的实际情况，采用全厂统一布置的直流系统方式。
2.1　接线方式
　　新的直流屏采用单母线分段的接线方式，两组蓄电池经联络刀开关进行连接。为防止两组蓄电池并列运行，联络刀开关与蓄电池电源刀开关之间应设有闭锁措施。
2.2　屏上设备布置
　　做到简单清晰，电源(充电设备和蓄电池)、馈线、事故照明装置布置于各自的屏上。带有仪表及灯光信号的屏面，使用活动门的型式。
2.3　充电装置
　　选用可控可逆式硅充装置，实行负荷自动跟踪，保证直流母线的电压质量。当蓄电池进行核对性放电时，硅装置工作于整流的逆变状态，蓄电池不用另接电阻作为放电负载。
2.4　蓄电池组
　　原则上选用免维护密封式蓄电池，当原GGM-800型蓄电池组经校验后，仍满足直流系统的要求时，可暂不更换。
2.5　绝缘监察装置和馈线开关
　　原则上选用90年代技术先进、成熟可靠的设备。例如，选用由CMOS集成电路组成的ZJJ-1型绝缘监察装置，该装置在直流两极绝缘均等下降时都能正确动作发信。
3　新直流系统屏的设备选型
3.1　直流系统负荷
　　经统计，直流系统各类负荷如表1。
　　因茂名热电厂为中型火力发电厂，且与系统相连，所以蓄电池事故放电时间考虑为1 h。对于汽轮机润滑油泵，因为是高温、高压机组，故其事故计算时间为1.0 h，直流润滑油泵的K值取0.8，密封油泵的K值取0.7计算。冲击负荷考虑为1台最大合闸电流的断路器合闸。
3.2　蓄电池组的选择
3.2.1按事故持续放电状态选择
tj=KkQsg/Isg=1.1×307 Ah/306 A=1.1 h
式中　tj——GGM型蓄电池假想时间，h；
Kk——可靠因数，取1.1；
Qsg——事故负荷计算容量，Ah；
Isg——事故放电电流，A。
　　 查《电力工程设计手册》(西北电力设计院、东北电力设计院主编)中P769曲线表，得Idj=16.8 A，则
Qe≥36Isg/Idj=(36×306/16.8)Ah=658 Ah
式中　Qe——蓄电池的10 h放电容量，Ah；
Idj——单位容量蓄电池在放电假想时间内所允许的放电电流，A。
　　 选用720 Ah的蓄电池即可。原选用的蓄电池为GGM-800型可满足要求。
3.2.2按最大冲击电流选择
Qe≥0.78(Isg+Ich)=〔0.78×(306+235)〕 Ah=422 Ah
　　根据计算结果，蓄电池的容量按事故持续放电状态下计算选择。原运行的GGM-800型蓄电池组仍满足负荷的要求。
3.2.3直流电压水平校验(以GGM-800型为例)
a)按事故放电初期，蓄电池突然承受放电电流的电压水平验算：
Kcho=Iso/C10=609 A/800 Ah=0.76 h-1
式中　Kcho——单位容量蓄电池放电初期放电系数，h-1。
　　 查GGM型蓄电池短时冲击放电曲线表得：
表1　直流系统各类负荷
负荷名称计算容量
/kW 经常负荷
/A (事故负荷)/(初期Iso/A持续Is/A冲击Ich/A) 事故时间
/h 事故放电
容量/Ah
经常负荷 7.2 33 33 33 — 1 33
事故照明 25 — 114×0.6 114×0.6 — 1 68
通信备用电源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1 7
热工备用电源 3 — 14×0.5 14×0.5 — 1 7
直流润滑油泵 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
断路器合闸电流 — — — — 235 — —
合计 — 33 609 306 235 — 307
Kcho=0.76 h-1 时，Ucho=1.86 V，则直流母线电压为
N.Ucho=106×1.86 V=197.16 V＞0.85Ue
式中　Ucho——单位容量电池冲击负荷初期端电压，V；
N——浮充电池个数；
Ue——直流母线额定电压，V。
b)按事故放电末期，蓄电池再承受冲击负荷时的电压验算：
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——单位容量蓄电池持续放电系数，h-1；
Kchm——单位容量蓄电池冲击放电末期放电系数，h-1。
查有关曲线得Uchm=1.72 V，则直流母线电压为
N.Uchm=106×1.72 V=182.32 V
0.80Ue＜N.Uchm＜0.85 Ue
式中　Uchm——单位容量蓄电池冲击负荷末期端电压，V。
　　从计算结果来看，选取蓄电池为800 Ah时，按事故放电的末期，蓄电池再承受冲击负荷时，母线电压为182.32 V，能满足断路器的合闸电压要求，但难以满足直流油泵的运行要求(直流油泵运行允许电压范围为(-10%～+10%)Ue间)。蓄电池的容量应选大一级为宜，即C10=1 000 Ah。但上述校验为运行中的极端情况，运行中出现的概率极少，当出现时可通过调整蓄电池组的放电个数来满足直流油泵的运行。故原选用的GGM-800 型蓄电池可满足要求。但原用的GGM-800 型Ⅰ、Ⅱ组蓄电池运行时间已达10 a以上，受蓄电池自放电、过放电及电极纯化等影响，蓄电池阴、阳极板脱落渗液严重，电池难以满足充电，可靠性大大降低。因此，利用改造机会将Ⅰ、Ⅱ组蓄电池更换为英国进口的VH34-1000 型免维护蓄电池。
3.2.4蓄电池的个数
　　蓄电池个数为：　N=230/1.85=124，其中基本电池数为88个，端电池数为36个。
3.3　充电设备的选择
3.3.1核对性充电设备
3.3.1.1　充电设备的额定电流
a)按事故放电后进行充电的要求选择充电设备，计算公式为：
Ic=1.1Qsg/t+Ijc=1.1×307 Ah/12 h+33A=61 A
式中　Ijc——浮充电设备的工作电流，A；
Ic——充电设备应具备的输出电流，A。
b)考虑核对性充放电，按最大充电电流选择，
Ic=0.1Qe+Ijc=(0.1×800+33)A=113 A
故充电设备的额定输出电流应大于113 A。
3.3.1.2　充电设备的输出电压范围
　　对有端电池的直流系统，充电设备的电压应满足蓄电池充电末期的电压选择。即：
Uc=N×Ucm=124×2.4 V=297.6 V
式中　Uc ——充电设备输出电压，V；
Ucm——蓄电池满充电端电压，V。
　　 取最大一级，即360 V。
　　 充电设备容量：Pc=IcUcm=113 A×360 V=41 kW。
　　不考虑选用直流发电机，应选用的硅整流装置为KGCfA-150/360，则额定输出电流为150 A，最高输出电压为360 V。
3.3.2浮充电设备
　　浮充电设备持续负荷电流Ifc为Ifc=0.004 2Qe+Ijc=(0.004 2×1 000+33)A=37.2 A
　　浮充电设备正常工作容量Pfc为Pfc=IfcUcm=37.2 A×360 V=14 kW
　　按核对性充电设备选得的KGCfA-150/360可满足蓄电池浮充电要求。
4　结束语
　　通过分析茂名热电厂老式直流系统屏存在的缺点或不足之处，提出了其更新、改造的设计方案。新设计的直流系统屏既满足经济性、可靠性、技术性的要求，又美观大方，维护方便。该直流系统自1997年初全部改造(包括将原用的GGM-800型蓄电池更换为VH34-1000 型免维护电池)投运以来，运行情况良好，解决了过去可靠性低、维护困难、直流系统绝缘差、充电机因大电流开关合闸经常跳闸等一系列问题，在该厂的安全发、供电方面发挥了重要的作用。