0 引言

    Mollasadra水电站位于伊朗伊斯兰共和国法尔斯省（Fars）境内的Kor 河主要支流Tange-Boragh河上。工程枢纽主要包括大坝、溢洪道、输水系统、发电厂房及开关站、灌溉和排水系统等。电站采用引水式发电，发电厂房及开关站位于Tange-Boragh 河左岸大坝下游约3.5km处，发电厂房为地面式，厂房内共装设2 台混流式水轮发电机，总装机容量2伊50MW，最大净水头231m。电站年利用小时数为1760h，多年平均发电量为176GW·h。电站以2 回132kV出线一级电压接入电力系统。水电站装设由蓄电池供电的直流系统，由于继电保护、计算机监控、事故照明、交流不停电电源等用电负荷极为重要，因而对直流系统供电的可靠性要求很高。

    要保障电站直流系统可靠性，首先必须有一个可靠的直流系统接线方案。其中包括直流母线的接线，直流电源的配置和直流供电网络的构成。其次，要合理地选择直流系统中采用的设备，包括蓄电池、充电和浮充电设备、开关设备等。

1 直流系统电压220V和110V的比较

1.1 直流电压采用220V的优点

    （1）水电站占地面积大，被控制的对象远，在相同操作功率时，220V控制电缆中的电流比110V电缆小一半，减小了控制电缆中的电压降。在距离较远的情况下，为满足电压降的要求，所需的控制电缆截面一般不超过2.5mm²，这将给施工带来较大方便，也节省了投资。

    （2）本工程采用微机监控、保护下放方式，各保护小室布置于配电装置之中，要求抗电磁干扰能力强。在同等电磁干扰条件下，220V直流电压等级的音噪比高于110 V 直流电压等级。采用220V直流系统有利于抗电磁干扰。

    （3）电站的照明一般为交流220 V，事故照明采用直流220V，接线简单，切换回路可以简化，而用110V 直流电源时，事故照明回路不能直接切换，需要增加降压变压器或逆变电源装置或采用其他方法来解决事故照明的供电问题，从而增加了事故照明回路的复杂性。

1.2 直流电压采用220V的缺点

    （1）蓄电池的个数与110 V 相比增加1 倍，因而增加了蓄电池组本身的造价，也相应增加了蓄电池室建筑面积。

    （2）220 V 电压对绝缘的要求较110 V高，据蓄电池运行规程规定，蓄电池组允许的绝缘电阻最低值220V为0.2MΩ，110V为0.1MΩ。当两者采用同型号的电缆和二次设备，其绝缘裕度以110V为大。

    （3）直流回路的继电器和接触器触点断开时，对所连接的电路产生干扰电压，干扰电压的幅值和直流电压成正比，对电子设备有影响。

1.3 技术比较

    随着科学技术的不断发展，各直流系统制造厂根据在运行和维护中遇到的问题，作了大量的改进工作，基本上解决了直流电压采用220 V的不足之处，如加大对地绝缘裕度，从而减少直流系统接地故障的几率；用电容或反向二极管串入数百欧低值电阻并在中间继电器线圈上作消弧回路，抑制干扰电压幅值；同时水电站采取计算机保护，其本身抗干扰能力强，干扰电压对其影响较小；增大信号继电器内阻，防止因电容电流而引起某些信号继电器误动作等，从而增加了220V直流系统安全可靠稳定性。

    本工程采用微机监控、保护下放方案，即在各配电装置中设保护小室，二次设备分散布置在各小室内，各小室中都设有独立的直流系统(直流主屏布置于继电器室、机旁配电室内)，可缩短控制电缆的长度。通常控制电缆的长度都没有超过200 m，但本工程控制对象较多，还存在部分控制电缆长度超过200m，如果直流电压采用110V，则将加大控制电缆截面，给施工和维护带来一定的困难，也增加投资。

    因此，通过比较决定本套直流系统采用220V等级电压。

2 蓄电池组的设置及直流系统接线

2.1 蓄电池组的设置

    按DL/T5044-2004《电力工程直流系统设计技术规程》的规定，如图1 所示，本工程直流系统设2组220V 蓄电池，三套直流充电机，两段直流主母线，母线之间设母联开关。

图1 直流系统图

2.2 直流系统接线

    整个直流系统有三套英国CT 公司生产的充电机，由一路三相电源供电。在交流输入端有三个60kW的变压器，还加入了避雷装置，保证了输入电源的稳定。

    经过相控充电机整流后，两套主充电机通过滤波电容和断路器输出直流到蓄电池组。备用充电机通过滤波电容和断路器输出到两段直流母线，两段母线之间还有母联开关可并联两段母线。正常时每段母线的充电机给各自的母线充电和提供负载电流。当任何一端母线的充电机出现故障时，通过断路器把备用的充电机投入相应母线代替原先的充电机工作。

    充电装置的监控系统人机界面采用工业触摸屏。通过点击触摸屏幕上功能键完成相应的参数查看和具体的功能控制，监控分为主监控单元、绝缘检测单元、蓄电池巡检单元、开关量检测单元。各个功能模块分散在各个相应的柜体中，通过485总线进行通信来传输数据和信息。

    主充电柜上各有4 个开关使用电动操作机构，能通过上位机发送通信信号操作开关的分/合来实现远方操作，同时通过远方/本地开关能切换电操装置的控制方式。在本地方式下就只能通过手动开关来控制开关的分/合。同时如果电操机构的电控部分出现问题，可以使用手柄来直接控制开关的分/合。

    母线回路分两段，各由单独的充电机和蓄电池供电，当三相交流电正常时由充电装置给输出馈线回路供电，当三相交流输入停电时，由蓄电池给输出馈线供电。同时还在继电器室、机旁配电配置交直流配电柜，以满足用电要求。

蓄电池活化时，能通过充电机把直流逆变为交流，把其反馈到电网上，保证节约能源。

    直流系统的馈电柜上还设有硅降压装置，把合闸母线电压通过自动调节的硅降压装置（降压范围为35V），可以保持控制母线电压稳定在DC220（1±10%）V 的范围内，因为合闸母线电压是不断变化的（DC198~260V）。

    直流系统的馈电柜上还设有绝缘检测装置，能对母线和各个支路的绝缘情况进行检测，当母线的对地电阻下降到25kΩ以下，就能发出报警,并在监控系统上显示接地的电阻值和在哪个回路。

    在蓄电池室的每套电池上设置了一套电池巡检装置，实时检测每节电池的电压，如果出现电池电压过高、过低的情况，能通过监控系统发出报警。并显示出是哪节蓄电池出现故障。

    在每个开关上都装有辅助接点和报警接点，同时监控系统能分别采集，所以能分别出开关是事故跳闸还是正常分合闸。

    逆变部分使用10kV 的逆变装置，能在交流供电电源失电的情况下，把电池的直流电逆变成交流电源，为电站的交流负荷提供事故电源输出。

    如图2 所示，在直流母线上接入DC/DC 模块，把220V直流电变换成48V 直流电，给站用通讯电源供电。

图2 直流母线图

    这样就把直流电源的电池作为主要的备用电源，在交流停电时提供事故、后备电源。

3 蓄电池容量计算

3.1 设计原始数据

    （1）电网输入电源国三相，50 Hz，380 V，两路独立电源；

    （2）电池参数

        ①蓄电池充电电压14.1V/只；

        ②电池浮充电电压13.5~13.8V/只；

        ③电池充电电流0.1C~0.2C；

    （3）直流输出

        ①控制母线电压220（1±10%）V；

        ②控制母线负荷15A；

    （4）负荷

        ①冲击负荷7A；

        ②事故负荷60.22A。

3.2 蓄电池参数计算

    该水电站认为事故放电时间应持续8h。电池电压最低为1.75V（此时电池电压应该≥0.85Ue）。采用的HOPPECKE电池放电电流值为I1=97A。设计余量为15%。

Qe逸Isgtsg/KkKQKt （1）

式中：Qe 为电池容量；

    Isg为应急负载电流；

    tsg 为应急放电时间（依照伊朗方面要求，本工程为8.0h）；

    Kk 为可靠系数为0.8；

    KQ为放电容量比或者容量缩减系数，因此，KQ=I1tsg/Q10=97ⅹ8/800=0.97；

    Kt 为电池容量在使用环境为10℃时的缩减系数，Kt=1/1.19=0.84。

    根据计算，Qe≥60.22 ⅹ8/(0.80ⅹ0.97ⅹ0.84) =739.08A·hⅹ(1+15%)=849.9A·h

    因此，选用HOPPECKE 公司108 只OPzS1000蓄电池，满足容量要求。

4 充电机及电气元件的选择

4.1 直流220 V系统充电机的选择

    满足最大充电电流即满足均衡充电要求，即

Ir=（1.0I10~1.25I10）+Ijc+Ib=100~125+10+(135伊0.2)

=162（A） （2）

式中：Ir为充电机额定电流（A）；

    Ijc为直流系统的经常负荷电流（A）；

    Ib 为备份电流，取最大负荷的20%。

    根据英国CT公司选型表，选用M210R 全数字化充电机，满足要求。

4.2 充电机输出电路

    断路器额定电流按充电机额定输出电流选择，即

InKk·Im >1.2伊210=252（A） （3）

式中：In为直流断路器额定电流（A）；

    Im 为充电装置额定电流（A）；

    Kk 为可靠系数，取1.2。

4.3 蓄电池组出口电路

    （1）断路器额定电流按蓄电池的1h放电率选择，即

In逸I1h逸5.5伊I10逸550（A） （4）

式中：I1h 为蓄电池1 h放电率电流（A），铅酸蓄电池取5.5ⅹI10。

    （2）按保护动作选择，即额定电流应大于直流馈线中断路器额定电流最大的一台，即

In>Kc4In.max>2.0ⅹ100>200（A） （5）

式中：In.max 为直流馈线中直流断路器最大的额定电流（A）；

    Kc4为配合系数，取2.0。

    取上面两个电流大者，即In为550A。

4.4 熔断器

    根据蓄电池容量，蓄电池出口电路熔断器额定电流为630A，控制母线输出回路熔断器选择为40A，监控装置电源用熔断器为6A。

4.5 断路器

    根据蓄电池的容量，蓄电池输出电路断路器额定电流为630A。

4.6 连接导线的选择

    连接导线的参数如表1所列。

5 工程检测

    在设备安装调试后，按照IEC612042进行了严格的检测，检测数据对照如表2~表6 所列。

6 一体化电源

    本套直流系统代表了一种新的电源趋势，就是一体化电源。为保证变电站中的后台监控机、自动装置、变送器、通讯设备、保护装置等交直流用电装置的安全运行，除变电站的直流系统外，还需要配置UPS 装置和专用的通讯电源装置，以往一直将这三种不同的电源分别设置，各自配置一组蓄电池，导致设备整体造价高，维护量大，资源利用率低。

    现在尝试采用以上介绍的组合方式，用正弦波逆变器代替UPS设备，用大功率DC/DC变换器代替通讯电源装置，两种设备的输入直接挂靠在直流的充电装置上组成一体化电源系统，交流失电时，由直流系统的蓄电池提供直流用电，同时逆变器和DC/DC 变换器的状态信息送入直流的监控系统。

    采用上述方式，可以省去UPS 和通讯电源中的蓄电池以及监控单元。在设备管理上，仅需对直流系统的蓄电池进行智能化管理，从而减少系统的维护。

7 结语

    通过对伊朗Mollasadra 水电站的直流系统设计，体现了当前直流系统发展为一体化电源的趋势。一体化电源集成了蓄电池，同时通过各种智能设备组成了通讯网络，降低了电站电源装置的维护工作量和设备成本，大大提高了设备的智能度，将在越来越多的电站中使用。

 

    参考文献

    [1] DL/T5044-2004, 电力工程直流系统设计技术规程[S].北京:中国电力出版社, 2004.

    [2] 王鸿麟. 现代通讯电源（修订版）[M]. 北京:人民邮电出版社,1998.

 

    作者简介

    陈国波(1976-)，男，工程师，现任深圳市恒力电源设备有限公司生产技术部副总经理，主要从事直流电源，消防电源，智能照明电源的研制及应用。

    胡国波(1967-)，男，现任深圳市恒力电源设备有限公司总经理，主要从事直流电源，消防电源，智能照明电源的研制及应用。