王承玉:中國電力工業低壓直流電源創新發展與啟示

低壓直流電源是發電廠、變電站及其保護設施正常安全運行的低壓基礎專業裝備,也是國家機械、化工、信息等工業企業正常安全運轉的基礎裝備。在國家改革開放大潮中,中國電力工業低壓直流電源系統革新面貌、取得了重大創新發展。認真回顧總結,啟示良多。

20世紀80、90年代,原電力部安生司在推進發電廠、供電企業安全文明生產達標創一流工作的同時,聽取吸收了一批科技專家的意見建議,于 1991 年啟動成立“電力部直流電源聯合設計組”,組織調研、總結、設計,推進直流電源專業的革新。經過 20 多年各方科技人員持久艱苦奮斗,追蹤新技術應用,多次更新換代、優化設計和試驗,從根本上革新了直流電源裝備各項功能,形成了新型系列直流電源設備標準化生產、夯實和提高了電力工業安全運行基礎水平,適應并促進了智能化發展的需求。諸如把低壓直流系統中常見的一個刀閘加保險絲的手動操作的簡陋設備(俗稱刀閘+保險),設計更新為智能化的微機控制、性能優越的直流電源系統;把技術參數低劣的磁放大器及相控整流器,設計創新為高技術參數的高頻開關整流器(如圖一),并自主研發成功具有保護特性的直流空氣斷路器;把污染大的液態鉛酸蓄電池設計更新為閥控式密封鉛酸蓄電池及高能鋰電池;把用電阻絲對蓄電池組的活化放電,設計更新為高頻有源逆變器(如圖二),可實現將蓄電池組的化學能按需要轉換為電能、安全可靠地返回到電網中,并在放電的過程中實現自動抄表和數據儲存(如圖三);把落后的絕緣監測,設計更新為高精準的微機控制的絕緣監測(如圖四)、支路定位方式等;把以往對單個蓄電池進行端電壓檢測的落后方式,設計更新為微機控制對蓄電池及其整組進行自動掃描測量,并儲存數據方式(如圖五)。從而顯著地提高了新型直流電源系統的可靠性、運行維護的高效性,為現代智能電網的發展奠定了良好基礎。

01 電力系統直流電源裝置的創新發展簡要回顧

眾所周知,20世紀70、80年代,低壓直流控制和操作電源大小故障或事故頻發,時有配電站(間)開關柜火燒聯,造成區域停電事故;甚至低壓直流電源系統起火斷電,導致保護失壓,造成開關柜、變壓器等大型設備燒毀。那時期,直流電源設施及其落后:元器件性能極差;充電機穩壓精度低,紋波系數大,無法控制充電和浮充電流,導致嚴重過充或欠充;蓄電池組常有內部短路,時有一、二只蓄電池失效,就造成整組蓄電池很快損壞;充電機電氣線路五花八門,沒有統一規范標準;直流熔斷器與控制保護開關級差配合差,經常越級跳閘或熔斷器非正常熔斷等。問題很多,而又缺乏專業技術人員或規范管理,積重難返。

1991年成立“電力部直流電源聯合設計組”,組織調研,開展鎘鎳直流屏典型設計和樣機研制。由中國電力科學研究院、四川電力科學研究院牽頭、北京供電局、黑龍江省電力局、上海市電力局、青島電業局、徐州電業局、許昌繼電器廠、西安電力整流器廠、北京長河機電有限公司、廣東電控設備廠、四川電器廠、北京電器研究所、新鄉東海配電設備廠、徐州電力修造廠等15個單位組成。針對運行部門提出的問題,對直流電源的主要部件、蓄電池和整流器技術指標、重新設計試制。

1992年召開電力系統直流電源柜設計方案審查會,由51個設計、科研、運行、使用、制造單位參加,提出了“五統一”的要求。1993年3月完成GZD直流電源柜產品樣機制造及型式試驗,并通過了產品技術鑒定。隨后由電力部辦公廳發文,通過龍源電氣公司進行技術轉讓,推廣GZD直流電源柜在電網中的使用。1994年GZD系列直流電源柜獲實用新型專利(專利號:ZL93 2 23344.9)。國內有近百家企業制造生產,每年上千套產品進入電力系統中運行,使電力系統直流電源裝置進入了新水平階段。

1995年在上海和成都兩次對GZDW微機控制直流電源柜技術條件和設計方案進行審查,創新地提出了自動化運行過程曲線圖,開發研制了微機監控裝置(如圖三),并確定了一系列的整定技術參數,目的是為滿足無人值班的要求。1998年設計開發了高頻開關整流器,GZDW型高頻開關直流電源柜開始推廣使用,這效率高、體積小、穩流穩壓精度高、功能完善的高頻開關直流電源柜躍入更先進的水平。

1999年在廣西北海召開了GZD、 GZDW聯合設計工作總結會,對10年來的直流電源工作進行了總結,肯定了GZD和 GZDW系列直流電源柜在研制、開發、試驗及推廣應用中,各主要承辦單位和配套元器件廠的團結合作和保證質量的精神。從此GZD和 GZDW(如圖六)系列直流電源柜進入了城鄉電網改造,納入了國家經貿委第三批產品入網名錄中。

2000年蓄電池組用整流逆變裝置聯合設計組成立,并成立了電力系統直流電源技術委員會。它以設計開發®研制®型式試驗®產品評審®推廣應用®運行意見返回®標準編寫及修訂等形成了一個封閉的循環,使運行、設計、研制、開發、試驗、標準等成為一體化管理。

2004年,《發電廠變電所蓄電池用整流逆變設備》通過電力工業電力設備及儀表質量檢驗測試中心按DL/T 857-2004國家行業標準進行了全部型式試驗并經試運行后,由中國電力企業聯合會邀請了全國電力系統的專家進行會議審定,并通過了產品鑒定。同時,對新開發的高頻開關有源逆變模塊、蓄電池巡檢儀、安時計等配套元器件也通過了產品鑒定。2005年第三代高頻開關整流逆變直流電源柜(GCFW(如圖七)和KCFW)開始推廣和使用。填補了我國有源逆變活化蓄電池組的空白。

02 編寫修訂低壓直流電源標準

遵循國家標準指導,1991~2019年完成了一系列低壓直流電源標準的起草、審稿、報批、出版及全國發行。從GZD系列直流電源柜聯合設計開始,相應的電力行業標準也隨之產生,1991年第一個直流電源標準DL/T 459-1991《鎘鎳蓄電池直流屏訂貨技術條件》發布;伴隨直流電源裝置技術的不斷創新進步,相應標準不斷編寫和修訂,現在在中國電網低壓直流電源系統中,已有了一個系列的電力行業標準。

系列標準

DL/T 637-2019閥控式密封鉛酸蓄電池訂貨技術條件

DL/T 459-2017電力系統直流電源柜訂貨技術條件

DL/T 724-2000電力系統蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規程

DL/T 781-2001電力用高頻開關整流模塊

DL/T 856-2018電力用直流電源監控裝置

DL/T 857-2004發電廠、變電站蓄電池用整流逆變設備技術條件

DL/T 1074-2019電力用直流和交流一體化不間斷電源設備

DL/T 329-2010 基于DLT 860 的變電站低壓電源設備通信接口

DL/T 1392-2014 直流電源系統絕緣監測裝置技術條件

DL/T 1397.1-2014 ~ DL/T 1397.6-2014 直流電源系統用測試設備通用技術條件 第1 ~ 6部分

DL/T 5044-2014電力工程直流系統設計技術規程

這些標準指導了我國直流電源專責人員的技術管理及現場運維人員的具體工作;指導了直流電源生產企業的技術把關,推進了我國低壓直流電源設備生產能力的大發展,也使電力、石化、冶金、軌道交通等多行業在安全用電技術上得到了很大的提升。

03 貢獻與啟示

通過電力部直流電源聯合設計組這個技術紐帶,實施更新設計,創新開發出了一代又一代的智能化直流電源成套設備,目前中國在低壓直流電源成套設備的生產能力和技術水平上,已經進入了世界的領先行列,先進的智能化的低壓直流電源成套設備已大量運行在世界各國的電網中(在亞非拉、中東、中亞、歐洲、美國及俄羅斯等國的電網或核電站中),為中國爭了光,獲得了很好的聲譽。

這些成就的取得,歸功于原電力部安生司領導的頂層設計、指導、協調和支持,歸功于廣大低壓直流電源科研人員、運維人員及生產企業。

聯合設計組廣大科技人員在組長顧霓鴻、總設計師王典偉,及楊忠亮、趙夢欣等領軍人物的帶領下,得到上海凱華電源成套設備有限公司及珠海泰坦科技股份有限公司、北京人民電器廠有限公司及深圳市英可瑞科技股份有限公司、上海航天電源技術有限責任公司及雙登集團股份有限公司等企業的密切協作,為各個階段提供了優質的試制樣機,也取得了豐碩專利;通過對直流電源設備的大量試驗、探索和創新,使中國電網低壓直流電源系統,形成了對產品標準、設計、試驗、制造、運維有了一套完整的管理模式;使開發制造出的智能化高頻開關直流電源成套設備,在交流10~1000kV變電站,直流±500~±800kV變電站及國外配套設備中已廣泛使用;為我國電網低壓直流電源系統的更新換代做出了重大貢獻!

回顧低壓直流電源系統創新的發展歷程、為我國發供電的安全可靠運行做出的重要貢獻,期間實施主管職能部門統一組織、與科研和制造企業相結合;技術主管指導與開發設計、運行骨干相結合;堅持研制與統一標準規范相結合,這三個類型的三結合精神起到了重大的根本性的保證作用,是值得總結懷念的。我們向上述明星企業及其領軍人物在“三結合”歷程中作出的貢獻及其孜孜不倦的精神致以崇高敬意!要繼承發揚“三結合”的創新精神,在我國電網低壓直流電源系統的持續發展中做出更大的貢獻!

作者簡介

王承玉,1993年畢業于西安交通大學,博士,教授級高級工程師,國家高壓開關設備標委會副主任委員、電力行業高壓開關設備與直流電源標委會副主任委員兼秘書長,長期從事高壓開關設備科研、運行及技術管理工作。