1 引言
埃塞俄比亞是位于非洲東北部的一個相對貧窮落后的國家，水力資源豐富，水力資源可利用率占整個非洲的80％以上，但由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，導(dǎo)致全國電力供應(yīng)嚴(yán)重不足。為了改善嚴(yán)重短缺的電力供應(yīng)情況，埃塞俄比亞政府決定大力開發(fā)水利電力工程項(xiàng)目，GD-3多功能水電站項(xiàng)目是埃塞俄比亞開發(fā)的大型水利電力項(xiàng)目之一。
GD-3多功能水電站項(xiàng)目位于埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴南部稍偏東約400km，靠近索馬里、肯尼亞邊境地帶，經(jīng)緯坐標(biāo)為北緯5.38，東經(jīng)39.43。由于埃塞俄比亞電力供應(yīng)非常緊缺，導(dǎo)致市場現(xiàn)有供電無法滿足GD3工程用電，工程用電只能全部采用柴油發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)站進(jìn)行供應(yīng)。
GD-3多功能水電站項(xiàng)目用電量最大的工程設(shè)備是為低壓引水隧洞(全長12.4km)施工用的TBM(全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī))設(shè)備及其配套設(shè)施， 日常負(fù)載為左右，高峰負(fù)載為8000KRA左右。為解決該大容量、長距離用電問題，工程施工項(xiàng)目部采用了的柴油發(fā)電機(jī)站機(jī)組，通過柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電、進(jìn)行電壓升壓(400V升20KV)、高壓并網(wǎng)、高壓電纜輸送、降壓(20KV降400V和20KV降690V)后使用解決了工程用電問題。
依據(jù)該工程實(shí)例簡單論述柴油發(fā)電機(jī)組高壓發(fā)配電的組成及控制。
2 發(fā)配電系統(tǒng)設(shè)計及組成
2.1 設(shè)計要求
柴油發(fā)電機(jī)站設(shè)計、建造在大型機(jī)械用電設(shè)備硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)進(jìn)行施工的引水隧洞的洞口附近。由于被供電的設(shè)備是可移動設(shè)備，且隨著工程的進(jìn)度，給TBM供電的距離逐漸拉長。所以采用了型號為C2250D5的六臺1400KW康明斯柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)400V升20KV高壓經(jīng)并網(wǎng)后遠(yuǎn)距離輸電的方式給用電設(shè)備進(jìn)行供電，減少電纜造成壓降， 以確保供電的質(zhì)量能達(dá)到設(shè)備正常運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。
TBM接入電要求：電壓為20KV， 電壓波動范圍-15％～+10％。TBM設(shè)備上配有多臺變壓器，根據(jù)不同用電設(shè)備的需求，將電壓降為400V或690V。
2.2發(fā)配電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及其功能
(1)發(fā)配電系統(tǒng)主要采用了康明斯DMC200集中遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。
(2)發(fā)配電系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)組室、變壓器區(qū)、高壓室、遠(yuǎn)程監(jiān)控室和油庫組成。
(3)發(fā)電機(jī)組室主要有六臺1600KW康明斯柴油發(fā)電機(jī)和6個低壓斷路器控制柜構(gòu)成。
采用的型號為C2250D5的1600KW康明斯發(fā)電機(jī)組是產(chǎn)自美國的最先進(jìn)發(fā)電設(shè)備。由于技術(shù)的保密性， 目前國內(nèi)無法生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)組主要由標(biāo)準(zhǔn)的并機(jī)型控制器控制，能夠自動實(shí)現(xiàn)同步并機(jī)，負(fù)載分配，包括必要的逆功率保護(hù)，失磁保護(hù)等功能。
控制系統(tǒng)的工作程序：當(dāng)控制系統(tǒng)處于AUTO(自動)模式下，發(fā)電機(jī)組將在收到遠(yuǎn)置裝置發(fā)出的啟動信號時啟動?？刂葡到y(tǒng)會發(fā)出啟動機(jī)盤車信號并驗(yàn)證發(fā)動機(jī)是否開始轉(zhuǎn)動，同時控制系統(tǒng)向發(fā)動機(jī)供應(yīng)足夠的燃油，使發(fā)動機(jī)達(dá)到啟動機(jī)分離轉(zhuǎn)速。一旦達(dá)到這一速度，控制系統(tǒng)就會使發(fā)電機(jī)組均勻加速到怠速，當(dāng)機(jī)體溫度達(dá)到要求或冷卻液達(dá)N38度(此為系統(tǒng)設(shè)置的溫度)發(fā)動機(jī)將達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)將對系統(tǒng)母排電壓進(jìn)行檢查。如果未檢測到母排電壓，就會等待遠(yuǎn)程發(fā)電機(jī)首啟動主感應(yīng)器發(fā)出脈沖。收到這一脈沖信號后，控制器便會向并聯(lián)斷路器發(fā)出閉合信號。如果檢測到了母排電壓，控制系統(tǒng)就會檢測相位旋轉(zhuǎn)是否正確、調(diào)整發(fā)電機(jī)組達(dá)到母排電壓和頻率，然后使發(fā)電機(jī)組與系統(tǒng)母排同步。達(dá)到同步條件，控制系統(tǒng)將發(fā)出閉合并聯(lián)斷路器的信號。當(dāng)并聯(lián)斷路器閉合后，發(fā)電機(jī)組將會承載系統(tǒng)母排總負(fù)載中相應(yīng)比例的負(fù)載。
(4)變壓器區(qū)主要是由六臺400/20000V的額定容量為2500KVA的電力變壓器組成。
(5)高壓室主要是有六個ABB額定電壓24KV、額定電流100A的抽屜式高壓斷路器進(jìn)線控制柜、一臺相匹配的PT柜、兩臺額定電壓24KV、額定電流100A的抽屜式高壓斷路器出線控制柜和給高壓柜組控制回路輸電DC100V的直流屏柜組成。
高壓柜組在整個系統(tǒng)中非常重要，系統(tǒng)采用的是高壓側(cè)并機(jī)模式，PT柜通過檢測高壓側(cè)的供電質(zhì)量反饋給DMC200，再由DMC200控制發(fā)電機(jī)，充分運(yùn)用了自動化控制原理，形成了一個非常完美的反饋系統(tǒng)，同時也可以對TBM負(fù)載的變化做出快速的調(diào)節(jié)。確保了從高壓出線端輸出的電力的高質(zhì)量。
(6)遠(yuǎn)程監(jiān)控室主要是DMC200的遠(yuǎn)程監(jiān)視操作柜和給發(fā)電機(jī)站日常使用的380V的配電柜組成。
主要功能：可以在觸摸控制顯示屏上顯示每臺發(fā)電機(jī)設(shè)備的詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)，包括發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速、頻率、機(jī)油壓力、冷卻液溫度、直流電壓、輸出電壓、輸出電流、負(fù)載功率、負(fù)載電流、總承受負(fù)載比例等。系統(tǒng)也可以遠(yuǎn)程根據(jù)負(fù)載相對較小關(guān)掉部分機(jī)組以節(jié)約燃油，負(fù)載狀況發(fā)生變化時自動啟動其他機(jī)組。同時也可調(diào)成手動模式進(jìn)行手動控制。
(7)油庫是由10個容量為5萬升油罐組成，其中2個做為發(fā)電機(jī)組的主供油油罐，另外8個做為常備用儲藏油罐。
3 發(fā)配電系統(tǒng)的給洞內(nèi)施工的供電安全
在發(fā)電系統(tǒng)給洞內(nèi)施工供電的過程中，供電的安全是起到保護(hù)用電設(shè)備的非常重要的問題。接下來我們將闡述高壓柜組對TBM用電設(shè)備供電過程中的幾種保護(hù)。
3.1方向(低壓)過流保護(hù)過流元件按相裝設(shè)。過流元件可由控制字選擇是否帶方向或低壓閉鎖。
方向元件采用90度接線，按相起動。為相除死區(qū)，方向元件帶有記憶功能(3周)。
動作的最大靈敏角固定為-30，動作范圍150，誤差小于±5。
低壓元件在三個線電壓的任意一個低于低電壓定值時動作，開放被閉鎖過流元件，保證裝置在機(jī)電反充電等非故障情況下出現(xiàn)誤動作。
過流元件的判據(jù)為：(a)任一相I>In(b)方向和低壓條件滿足(若投入方向和低壓)
滿足以上條件經(jīng)過流延時出口，In為過流I、II、III段定值?？赏ㄟ^控制字選擇過流I段動作后閉鎖重合閘。
3.2加速保護(hù)本裝置設(shè)置了獨(dú)立的加速段保護(hù)，可以選擇使用過流加速和零序過流加速保護(hù)，并可通過控制字選擇采用前加速還是后加速。后加速保護(hù)與手合加速保護(hù)開放時間為3秒，前加速保護(hù)必須在重合閘充電后才能投入。
裝置的手合加速回路不需要由外部手動合閘把手的觸電來啟動，此舉主要是考慮到目前許多變電站采用綜合自動化系統(tǒng)后，已取消了控制屏，在現(xiàn)場不再安裝手動操作把手，或僅安裝簡易實(shí)物操作把手。
過流加速保護(hù)和零序過流加速保護(hù)的電流定值和時間定值均可獨(dú)立整定。
3.3過負(fù)荷保護(hù)裝置設(shè)有過負(fù)荷保護(hù)功能，可通過控制字選擇動作于跳閘或警告。投跳閘時，跳閘后閉鎖重合閘。
3.4低周減載設(shè)有電壓閉鎖、滑差閉鎖、有流閉鎖。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，頻率下降過快超過滑差閉鎖定值時瞬時閉鎖低頻減載(滑差閉鎖可由控制字選擇投入)。本線路如果不在運(yùn)行狀態(tài)(I<0.04In)或負(fù)荷電流小于0.1Tn(有流閉鎖可由控制字選擇投入)，則低周減載自動退出。低周減載動作閉鎖重合閘，母線TV異常閉鎖低周減載。
3.5低壓減載低壓減載設(shè)有滑差閉鎖。當(dāng)系統(tǒng)電壓下降過快超過滑差閉鎖定值瞬時閉鎖低壓減載(滑差閉鎖可由控制字選擇投入)。本線路如果不在運(yùn)行狀態(tài)(I<0.04In)， 則低壓減載自動退出。低壓減載動作閉鎖重合閘。
3.6重合閘重合閘起動方式有兩種：跳位起動和保護(hù)起動，當(dāng)重合閘不投時可整定控制字退出。
重合閘閉鎖條件有：(1)閉鎖重合閘開入；(2)過負(fù)荷跳閘；(3)低周減載動作；(4)低壓減載動作；(5)過流I段動作；(6)遙控跳閘；(7)控制回路異常；(8)彈簧未蓄能；(9)重合閘后閉鎖投入時合后狀態(tài)為零。
3.7 TV異常檢測
3.7.1母線TV異常檢測
母線TV異常后發(fā)告警信號。母線TV異常檢測可以用控制字進(jìn)行投退。當(dāng)過流保護(hù)起動時，閉鎖母線Tv異常檢測?？刂谱滞度?，滿足以下任一條件，10S后報母線TV異常。
于30V且合位或有流；大于18V；不滿足以上情況，10S后母線Tv異常返回。
3.7.2線路TV異常檢查
線路TV異常后發(fā)告警信號。當(dāng)重合閘檢定方法為檢無壓或檢同期時，線路TV異常檢測自動投入。
線路電壓小于0.85倍線路額定電壓且合位或有流，10S后報線路TV異常。不滿足以上情況，10S后線路TV異常返回。
4 結(jié)語
本文主要是針對TBM配套發(fā)電配系統(tǒng)的一個綜合性概述和系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的一些問題的闡述和解決辦法。根據(jù)對康明斯柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行深層次的研究和分析，從實(shí)際的角度出發(fā)，深入并且細(xì)致的對發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，供電安全的解決途徑方式以及使用操作過程中需要注意的幾點(diǎn)事項(xiàng)進(jìn)行探討，力求以此為基礎(chǔ)。通過這樣的方式更進(jìn)一步的為有關(guān)工作的開展與進(jìn)行，奠定堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，并且全面的保證發(fā)配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，減少使用和操作過程當(dāng)中的故障。
現(xiàn)在很多大型工程建設(shè)大部分都是在人間稀少的地方，尤其在東南亞，非洲，和南美洲等不發(fā)達(dá)地區(qū)。在這些市場區(qū)域普遍電力供應(yīng)不足。所以大型柴油發(fā)電機(jī)供電設(shè)備在大型水利電力工程建設(shè)過程中將起到非常重要的作用。隨著國際市場的不斷打開，大型的發(fā)電機(jī)供電設(shè)備也將逐漸的運(yùn)用到項(xiàng)目建設(shè)過程中來。因此柴油發(fā)電機(jī)組高壓供電的解決方案還是有其尤為重要的意義。
