大中型发电厂直流系统可靠性方案的研究
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【摘要】直流系统是发电厂厂用电系统中最重要的一部分，稳定可靠的直流系统是电厂安全运行的基本保障。直流系统中的设备随着新技术的应用而不断得到发展，那么其使用配套方案也应该随着不断的发展和优化，才能更好的发挥出新设备的优点，使直流系统性能更优良更完善。本文就目前大中型发电厂双母线直流系统中普遍使用的直流设备进行分析，对其配套方案进行深入的探讨，认为“大中型发电厂双母线直流系统中，两组阀控密封铅酸蓄电池配两套高频开关电源装置分段运行，一套可控硅整流逆变装置备用”的方案，既采用了新技术来改善系统的充电电源，又保证了系统的稳定性，且功能完善，是值得大中型电厂推广使用的方案，方案的设计原则同样适用于电厂单母线直流系统，同时也值得小型电厂、变电站和其它领域对稳定可靠性要求高的直流系统借鉴使用。
【关键词】直流系统；蓄电池；可控硅整流逆变；高频开关电源；配套方案
1 前言
发电厂直流系统主要由蓄电池、直流充放电装置、直流母线和开关等设备组成，随着设备的不断更新换代，直流系统的性能也不断的得到发展和完善。目前，密封铅酸蓄电池已基本取代了防酸隔爆式铅酸蓄电池；充放电装置也由以前的充放电电动直流发电机、水银整流器、矽整流器、半导体整流器，发展到现在的可控硅充放电装置和近年来从国外引进的高频开关电源装置。设备发展了，其使用配套方案也应随着不断的发展和优化，才能更好的发挥出新设备的优点，使直流系统性能更优良更完善。本文主要对目前大中型发电厂双母线直流系统中普遍使用的直流设备进行分析，探讨其使用配套方案，从而得出使直流系统性能优良功能完善的最佳方案。
2 目前大中型发电厂直流系统中普遍使用的直流设备特点分析
2.1 阀控密封铅酸蓄电池
阀控密封铅酸蓄电池采用了气体重新组合技术，使气体在蓄电池内部重新组合成水，因此用户不用再管理电解液，故以前常称其为免维护蓄电池。阀控密封铅酸蓄电池在推出市场的初期，厂家只一味的强调蓄电池的免维护性，因此不可避免的误导了用户，下面的一则事故就充分说明问题。
XX电厂于1999年1月25日发生了一起因阀控密封铅酸蓄电池容量不足造成的严重事故。当时厂用电中断整流装置失去交流电源，本来直流系统中的蓄电组应能保证机组控制和保护正常动作，然而由于容量严重不足，电压从220V下降到70V以下，造成机组励磁调节器失控，引起三台运行中的机组转子失励和欠励，一台机组灭磁柜烧坏，二台机组发生严重电磁震荡，部分发电设备损坏。针对该事故，广东省电力局生技处在《电力生产技术简报》1999第I期指出：“由于厂家说明书只强调了蓄电池的免维护，误导了电厂，使蓄电池自投产至今电厂仅进行了定期的电压测量，而未进行定期的校验性放电和全容量放电检查，造成厂用电消失时，蓄电池容量不足引起事故”。要求：“各发供电单位要尽快建立或完善蓄电池定期维护制度，对免维护蓄电池要进行定期核对性放电和全容量放电检查，尤其要定期检测蓄电池的容量。”
经过多年来阀控密封铅酸蓄电池的运行维护经验总结，蓄电池生产厂家已在其厂家说明书中注明，免维护只适用于蓄电池电解液方面，而蓄电池容量维护方面必须定期进行核对性放电和全容量放电检查，并通过二放二充以上处理，才能确保其充足容量。
2.2 可控硅整流逆变装置
可控硅整流逆变技术已有30多年的发展历史，单元件额定电流可达3000A以上，国内生产的元件（高电压大电流）也已十分可靠和稳定；其控制上又以分裂元件发展为微机控制，从单片机又发展到工控机，经过近10几年来的发展和完善，质量上已十分可靠，功能上也十分完善。可控硅整流逆变装置可灵活的对蓄电池进行充电和放电（逆变）作业，且操作简单。可控硅整流逆变装置，是目前大中型电厂使用最普遍的直流充放电设备，且运行业绩优良。
2.3 高频开关电源装置
高频开关电源是近年来从国外引进的高频开关模块，配上微机控制而开发的新产品，其体积小、重量轻、维护方便、整流效率高、整流输出波形的波纹系数小（不大于0.1%），正常运行时，相比较可控硅整流而言更有利于延长蓄电池的寿命，而且为电厂直流波形要求严格的场合提供了更加良好的支持。近年来在电力系统逐渐推广和普及，设计院对新建的大中型发电厂，趋向于推荐采用高频开关电源装置作为直流系统的充电设备。
目前国内厂家自行研发生产的高频开关模块为5A、10A、20A，5A模块使用稳定，10A模块使用时发热量大，20A模块基本不推荐使用；目前20A、30A模块主要依赖进口，价格比较昂贵。当直流系统要求整流装置输出电流为200A时（大中型电厂双母线直流系统一般选用输出电流在150A以上的整流装置），则需要并联20A高频开关模块11个（其中一个备用），并联支路太多使“均流”控制复杂，增加了装置的不稳定性，尤其在小电流运行和受大电流冲击时。另外，多数高频开关装置只可整流而不可逆变，因此对蓄电池逆变放电的功能不能具有。
3 大中型发电厂直流系统的要求
直流系统是发电厂厂用电系统中最重要的一部分，在任何事故情况下都要求可靠和不间断地向用电设备供电。当电厂处于事故状态时，直流系统不但要保证机组控制和保护的正常动作，还需长时间担负着大负荷（直流油泵马达等），因此容量充足的蓄电池和稳定可靠的充放电装置是直流系统的基本要求，同时也是电厂安全运行的基本保障。
4 大中型发电厂双母线直流系统中蓄电池与充放电装置配套方案的探讨
4.1 方案一（见图1）
直流系统设两段母线；两组阀控密封铅酸蓄电池；三套可控硅整流逆变装置，两套分段运行，一套备用。
此方案为20世纪80年代、90年代投产的大中型电厂所普遍采用，配套合理、操作简单、维护方便，有着良好的运行业绩。国内一些大中型发电厂也有采用此方案，据反映系统运行稳定可靠、业绩优良；对蓄电池的维护功能也很完善，只需在机组停机检修时，启动装置逆变功能，即可对蓄电池进行全过程可控恒流放电（直接把电放回交流电网）。
4.2 方案二（见图2）
直流系统设两段母线；两组阀控密封铅酸蓄电池；三套高频开关电源装置，两套分段运行，一套备用。
此方案充分采用了高频开关电源装置的优点，为直流系统提供波纹系数小的充电电源，但是方案仍然存在着小电流运行和受大电流冲击时的不稳定因素，同时由于装置缺少逆变功能，而不能对蓄电池进行放电作业，因此在功能上也是不完善的。高频开关电源厂家建议用移动式电阻器或水电阻进行放电，虽然这些方法能实现放电，但放电过程不能自动恒流，需手动调节，现场操作很繁琐，同时现场搬运和临时接线也比较困难，并且一般电厂现场环境也不允许电阻放电产生的热源或水汽的污染，若采用移动式可控硅装置进行放电，同样存在着现场搬运不便和临时接线困难等问题，总之此方案给现场蓄电池放电作业带来诸多不便。
4.3 方案三（见图3）
直流系统设两段母线；两组阀控密封铅酸蓄电池；两套高频开关电源装置分段运行，一套可控硅整流逆变装置备用。
直流系统正常运行时采用两套高频开关电源装置整流作业，当任一套故障时，即可切换投入可控硅整流装置，来确保系统的稳定，这就很好的为系统解决了高频开关电源受大电流冲击时的不稳定因素问题；同时任一组蓄电池需要放电作业时，可切换投入可控硅逆变装置，对蓄电池进行全过程可控恒流放电。此方案既能为电厂正常运行时的直流系统提供波纹系数小的充电电源，又能确保了故障状态下充电电源的稳定性，且充放电功能完善。另外相比较而言，方案三比方案二更为经济（同容量的可控硅装置价格大概为进口高频开关电源装置价格的50％左右）。
4.4 结论
比较以上三种方案，方案三既使用了新技术来改善直流系统的充电电源，又保证了系统的稳定可靠性，且功能完善，为最佳方案。
5 结束语
以上针对目前大中型发电厂双母线直流系统中普遍使用的直流设备进行分析，探讨了三种使用配套方案，最后认为“大中型发电厂双母线直流系统中，两组阀控密封铅酸蓄电池配两套高频开关电源装置分段运行，一套可控硅整流逆变装置备用”的方案最佳，其设计原则同样适用于大中型电厂单母线直流系统，且值得小型电厂、变电站和其它领域对稳定可靠性要求高的直流系统借鉴使用。
参考文献：
[1]电力工程直流系统设计手册
[2]广东省电力局生技处《电力生产技术简报》1999第I期
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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