王承玉:中国电力工业低压直流电源创新发展与启示

低压直流电源是发电厂、变电站及其保护设施正常安全运行的低压基础专业装备,也是国家机械、化工、信息等工业企业正常安全运转的基础装备。在国家改革开放大潮中,中国电力工业低压直流电源系统革新面貌、取得了重大创新发展。认真回顾总结,启示良多。

20世纪80、90年代,原电力部安生司在推进发电厂、供电企业安全文明生产达标创一流工作的同时,听取吸收了一批科技专家的意见建议,于 1991 年启动成立“电力部直流电源联合设计组”,组织调研、总结、设计,推进直流电源专业的革新。经过 20 多年各方科技人员持久艰苦奋斗,追踪新技术应用,多次更新换代、优化设计和试验,从根本上革新了直流电源装备各项功能,形成了新型系列直流电源设备标准化生产、夯实和提高了电力工业安全运行基础水平,适应并促进了智能化发展的需求。诸如把低压直流系统中常见的一个刀闸加保险丝的手动操作的简陋设备(俗称刀闸+保险),设计更新为智能化的微机控制、性能优越的直流电源系统;把技术参数低劣的磁放大器及相控整流器,设计创新为高技术参数的高频开关整流器(如图一),并自主研发成功具有保护特性的直流空气断路器;把污染大的液态铅酸蓄电池设计更新为阀控式密封铅酸蓄电池及高能锂电池;把用电阻丝对蓄电池组的活化放电,设计更新为高频有源逆变器(如图二),可实现将蓄电池组的化学能按需要转换为电能、安全可靠地返回到电网中,并在放电的过程中实现自动抄表和数据储存(如图三);把落后的绝缘监测,设计更新为高精准的微机控制的绝缘监测(如图四)、支路定位方式等把以往对单个蓄电池进行端电压检测的落后方式,设计更新为微机控制对蓄电池及其整组进行自动扫描测量,并储存数据方式(如图五)。从而显著地提高了新型直流电源系统的可靠性、运行维护的高效性,为现代智能电网的发展奠定了良好基础。

01 电力系统直流电源装置的创新发展简要回顾

众所周知,20世纪70、80年代,低压直流控制和操作电源大小故障或事故频发,时有配电站(间)开关柜火烧联,造成区域停电事故;甚至低压直流电源系统起火断电,导致保护失压,造成开关柜、变压器等大型设备烧毁。那时期,直流电源设施及其落后:元器件性能极差;充电机稳压精度低,纹波系数大,无法控制充电和浮充电流,导致严重过充或欠充;蓄电池组常有内部短路,时有一、二只蓄电池失效,就造成整组蓄电池很快损坏;充电机电气线路五花八门,没有统一规范标准;直流熔断器与控制保护开关级差配合差,经常越级跳闸或熔断器非正常熔断等。问题很多,而又缺乏专业技术人员或规范管理,积重难返。

1991年成立“电力部直流电源联合设计组”,组织调研,开展镉镍直流屏典型设计和样机研制。由中国电力科学研究院、四川电力科学研究院牵头、北京供电局、黑龙江省电力局、上海市电力局、青岛电业局、徐州电业局、许昌继电器厂、西安电力整流器厂、北京长河机电有限公司、广东电控设备厂、四川电器厂、北京电器研究所、新乡东海配电设备厂、徐州电力修造厂等15个单位组成。针对运行部门提出的问题,对直流电源的主要部件、蓄电池和整流器技术指标、重新设计试制。

1992年召开电力系统直流电源柜设计方案审查会,由51个设计、科研、运行、使用、制造单位参加,提出了“五统一”的要求。1993年3月完成GZD直流电源柜产品样机制造及型式试验,并通过了产品技术鉴定。随后由电力部办公厅发文,通过龙源电气公司进行技术转让,推广GZD直流电源柜在电网中的使用。1994年GZD系列直流电源柜获实用新型专利(专利号:ZL93 2 23344.9)。国内有近百家企业制造生产,每年上千套产品进入电力系统中运行,使电力系统直流电源装置进入了新水平阶段。

1995年在上海和成都两次对GZDW微机控制直流电源柜技术条件和设计方案进行审查,创新地提出了自动化运行过程曲线图,开发研制了微机监控装置(如图三),并确定了一系列的整定技术参数,目的是为满足无人值班的要求。1998年设计开发了高频开关整流器,GZDW型高频开关直流电源柜开始推广使用,这效率高、体积小、稳流稳压精度高、功能完善的高频开关直流电源柜跃入更先进的水平。

1999年在广西北海召开了GZD、 GZDW联合设计工作总结会,对10年来的直流电源工作进行了总结,肯定了GZD和 GZDW系列直流电源柜在研制、开发、试验及推广应用中,各主要承办单位和配套元器件厂的团结合作和保证质量的精神。从此GZD和 GZDW(如图六)系列直流电源柜进入了城乡电网改造,纳入了国家经贸委第三批产品入网名录中。

2000年蓄电池组用整流逆变装置联合设计组成立,并成立了电力系统直流电源技术委员会。它以设计开发®研制®型式试验®产品评审®推广应用®运行意见返回®标准编写及修订等形成了一个封闭的循环,使运行、设计、研制、开发、试验、标准等成为一体化管理。

2004年,《发电厂变电所蓄电池用整流逆变设备》通过电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心按DL/T 857-2004国家行业标准进行了全部型式试验并经试运行后,由中国电力企业联合会邀请了全国电力系统的专家进行会议审定,并通过了产品鉴定。同时,对新开发的高频开关有源逆变模块、蓄电池巡检仪、安时计等配套元器件也通过了产品鉴定。2005年第三代高频开关整流逆变直流电源柜(GCFW(如图七)和KCFW)开始推广和使用。填补了我国有源逆变活化蓄电池组的空白。

02 编写修订低压直流电源标准

遵循国家标准指导,1991~2019年完成了一系列低压直流电源标准的起草、审稿、报批、出版及全国发行。从GZD系列直流电源柜联合设计开始,相应的电力行业标准也随之产生,1991年第一个直流电源标准DL/T 459-1991《镉镍蓄电池直流屏订货技术条件》发布;伴随直流电源装置技术的不断创新进步,相应标准不断编写和修订,现在在中国电网低压直流电源系统中,已有了一个系列的电力行业标准。

系列标准

DL/T 637-2019阀控式密封铅酸蓄电池订货技术条件

DL/T 459-2017电力系统直流电源柜订货技术条件

DL/T 724-2000电力系统蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程

DL/T 781-2001电力用高频开关整流模块

DL/T 856-2018电力用直流电源监控装置

DL/T 857-2004发电厂、变电站蓄电池用整流逆变设备技术条件

DL/T 1074-2019电力用直流和交流一体化不间断电源设备

DL/T 329-2010 基于DLT 860 的变电站低压电源设备通信接口

DL/T 1392-2014 直流电源系统绝缘监测装置技术条件

DL/T 1397.1-2014 ~ DL/T 1397.6-2014 直流电源系统用测试设备通用技术条件 第1 ~ 6部分

DL/T 5044-2014电力工程直流系统设计技术规程

这些标准指导了我国直流电源专责人员的技术管理及现场运维人员的具体工作;指导了直流电源生产企业的技术把关,推进了我国低压直流电源设备生产能力的大发展,也使电力、石化、冶金、轨道交通等多行业在安全用电技术上得到了很大的提升。

03 贡献与启示

通过电力部直流电源联合设计组这个技术纽带,实施更新设计,创新开发出了一代又一代的智能化直流电源成套设备,目前中国在低压直流电源成套设备的生产能力和技术水平上,已经进入了世界的领先行列,先进的智能化的低压直流电源成套设备已大量运行在世界各国的电网中(在亚非拉、中东、中亚、欧洲、美国及俄罗斯等国的电网或核电站中),为中国争了光,获得了很好的声誉。

这些成就的取得,归功于原电力部安生司领导的顶层设计、指导、协调和支持,归功于广大低压直流电源科研人员、运维人员及生产企业。

联合设计组广大科技人员在组长顾霓鸿、总设计师王典伟,及杨忠亮、赵梦欣等领军人物的带领下,得到上海凯华电源成套设备有限公司及珠海泰坦科技股份有限公司、北京人民电器厂有限公司及深圳市英可瑞科技股份有限公司、上海航天电源技术有限责任公司及双登集团股份有限公司等企业的密切协作,为各个阶段提供了优质的试制样机,也取得了丰硕专利;通过对直流电源设备的大量试验、探索和创新,使中国电网低压直流电源系统,形成了对产品标准、设计、试验、制造、运维有了一套完整的管理模式;使开发制造出的智能化高频开关直流电源成套设备,在交流10~1000kV变电站,直流±500~±800kV变电站及国外配套设备中已广泛使用;为我国电网低压直流电源系统的更新换代做出了重大贡献!

回顾低压直流电源系统创新的发展历程、为我国发供电的安全可靠运行做出的重要贡献,期间实施主管职能部门统一组织、与科研和制造企业相结合;技术主管指导与开发设计、运行骨干相结合;坚持研制与统一标准规范相结合,这三个类型的三结合精神起到了重大的根本性的保证作用,是值得总结怀念的。我们向上述明星企业及其领军人物在“三结合”历程中作出的贡献及其孜孜不倦的精神致以崇高敬意!要继承发扬“三结合”的创新精神,在我国电网低压直流电源系统的持续发展中做出更大的贡献!

作者简介

王承玉,1993年毕业于西安交通大学,博士,教授级高级工程师,国家高压开关设备标委会副主任委员、电力行业高压开关设备与直流电源标委会副主任委员兼秘书长,长期从事高压开关设备科研、运行及技术管理工作。