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变电站直流电源系统的组成

发布时间:2021-09-28

       变电站直流电源是变电站非常重要的一种二次设备,它的主要任务就是给继电保护、开关合分及控制提供直流操作电源,它在变电站中是一个独立的电源,不受交流的影响,在全站失电的情况下,仍能控制信号、保护、自动装置等的电源及事故处理工作。它的作用是:正常时为变电站内的断路器提供合闸直流电源;出现故障时,在变电站供电中断(全电失压)的情况下,为继电保护及自动装置、断路器分合闸、通信等提供直流电源。因此,其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。
近几年来,无人值班变电站的建设在迅速发展和普及,与之相配套的设计规范和设备选择原则也逐渐成熟。在变电站实行无人值班后,要求直流电源的自动化程度更高,功能更完善。

       随着电力电子技术的迅速发展,直流电源制造技术也取得了飞速发展,整流系统由过去的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,使直流电源具有智能化,能够和变电站综合自动化网络连接,具有“三遥”(即遥信、遥测、遥控)功能甚至“四遥”(即遥信、遥测、遥控、遥调)功能。近年来,开关电源在变电站也获得了广泛应用。

       变电站直流电源系统主要由以下几部分组成:
一、蓄电池

       变电站的直流电源系统是一个不间断的直流电源,要求配置蓄电池系统。其功能主要是在交流电源断电时能够实时地提供二次回路所需要的直流供电。蓄电池可作为传动、保护、控制、通信等装置的独立直流电源,稳定、可靠、安全的保护操作电源是保证电网正常运行的关键。在直流电源系统中,蓄电池在正常状态下处于浮充电状态,直流负荷由交流部分提供,只有在交流失电的情况下,蓄电池才被投人系统负责系统直流的供应,因此蓄电池在平时的维护尤其重要。在维护中,浮充电电压和电流应该随蓄电池的状态变化而变化,尽力让蓄电池工作在最佳状态。在没有监控系统的情况下,直流电源系统完全按照人为的设定值机械地运行,也就无法合理地维护好蓄电池。电池技术近年来有了很大发展,以前变电站主要应用防酸隔爆铅酸蓄电池,自20世纪80年代以来推广使用了福镍碱性蓄电池。现在则广泛应用阀控式密封铅酸蓄电池。

       防酸隔爆铅酸蓄电池具有容量大、寿命长、易浮充电等特点,既适合长时间小电流放电使用,又适合大电流瞬时放电使用,性能可靠,维护方便。但它由于有酸雾排出和少量氢释放,需要有专用的具有通风条件的蓄电池室,不可与成套直流电源柜一起安装,现在一般都不选用这种蓄电池。

       镉镍碱性蓄电池有开口板式和开口烧结式两大类,其主要特点是电池内阻低、牢固、温度特性好、运行维护方便、寿命长、放电倍率高,但该类蓄电池有爬碱和漏液现象,且维护比较麻烦,目前也很少使用。

       阀控式密封铅酸蓄电池是近年来发展起来的新型蓄电池。该类蓄电池多采用铅钙板栅合金极板、超细玻璃纤维做隔板和贫电液结构。也有采用管式正极板,专用隔板胶体电解液的富电液结构的,其基本原理都是气体在极板间转移,促进了再化合反应,同时利用减压阀保持电池内部有一定压力。这类蓄电池具有防酸式铅酸蓄电池的优点,而且基本上属于免维护即免除补加水维护,同时由于没有酸雾和氢体排出,可以与成套直流电源柜一起安装在主控室,现在已广泛应用于各类变电站中,为无人值班变电站的蓄电池。
       变电站蓄电池容量的选择:

       选择蓄电池容量首先要进行直流负荷统计。直流负荷按性质可分为:经常负荷、事故负荷、冲击负荷。经常负荷主要包括变电站内的保护、控制、自动化和通信设备等。事故负荷是指变电站在全站停电后,必须由直流电源供电的负荷。在变电站内主要是指事故照明、不间断电源系统(UPS)、通信备用电源等负荷。冲击负荷是指极短的时间内施加的很大的负荷电流。在35-220 kV变电站中这类负荷主要是指电磁操作机构的断路器分合闸电流。

       关于蓄电池放电时间,《电力工程直流电源系统设计技术规程》(DL/T5044-2004)第5.2.2条规定:
       有人值班变电所,全所交流电源事故停电时间按lh计算;无人值班变电所,全所交流电源事故停电时间按2h计算。对无人值班变电所,主要是考虑到事故停电后增加维修人员前往变电所的路途时间1 h,但对事故照明负荷可按lh计算,因为事故照明可采用维修人员到达后手动方式。

       蓄电池容量选择的计算方法有电压控制法与阶梯负荷法。为保证事故放电初期、放电末期蓄电池仍能保持一定的电压水平,并能再次承受冲击负荷,蓄电池容量还应考虑适当的宽余度。根据计算,220kV变电站,直流电源系统额定电压取220V,蓄电池选择两组,蓄电池容量一般为150-200 Ah; 110kV变电站,直流电源系统额定电压取220 V,蓄电池选择一组,蓄电池容量一般为110150 Ah; 35 kV变电站,直流电源系统额定电压取220V,蓄电池选择一组,蓄电池容量为一般为50-100Ah。

       《电力工程直流电源系统设计技术规程》(DL/T5044-2004)第4.3.2条规定:

       220-500 k V变电所应装设不少于2组蓄电池。110 kV及以下变电所宜装设1组蓄电池,对于重要的110kV变电所也可装设2组蓄电池。实际设计过程中,也是按此方案配置。

       在以往的变电站中,10 kV断路器多采用电磁操作机构,其额定合闸电流较大,为90-245A,所以事故放电末期承受冲击负荷时,确保直流母线电压在允许值范围内,是选择蓄电池容量的决定性因素。近年来,越来越多的10 kV断路器采用弹簧操作机构,其合闸电流很小,则蓄电池的容量由全站的经常负荷和事故负荷决定,这样可大大减少蓄电池容量。以1个具有2台150-180MVA主变压器、8回220 kV线路、10回110 kV线路、10回10kV线路和2组电容器的220kV变电站为例,当变电站10 kV断路器采用弹簧操作机构时,其额定合闸电流为3.2A,分闸电流为0.5A,允许的最 低工作电压为87.5%额定电压,选择220V额定电压、104只蓄电池和400 Ah容量的直流电源系统即可满足要求。
二、高频开关电源整流模块

       以前我国电力系统所使用的直流分合闸电源大部分采用可控硅整流充电装置,但这种相控电源在纹波、效率、体积等方面不尽如人意,监控系统不完善,主从各分,用户使用不便,达不到电力系统新的要求。另外,由于充电设备与蓄电池并联运行,当纹波系数较大、浮充电压波动或偏低时,会出现蓄电池脉动充电放电,对电池不利。20世纪90年代以来,美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用开关电源,高频开关电源以其体积小、重量轻、效率高、输出纹波小、模块叠加、N+l热备份设计及便于计算机管理等优点,迎合了现代电源的潮流。近年来、国内用的电源已逐步由开关电源取代相控电源。
       高频开关电源整流模块的主要功能:一是交流整流,即将交流电源转换成稳定的直流电源;二是稳压整流,即适时地给蓄电池充电,以确保蓄电池处于随时可供电的状态。

       高频开关电源整流模块的特点:

       (1) 可控硅整流充电装置纹波、高次谐波干扰较大,效率较低,体积庞大,监控系统不完善,难以满足综合自动化及无人值班变电站的要求。另外,由于阀控式密封铅酸蓄电池内阻较小,可控硅整流充电设备与蓄电池并联运行使用时纹波系数较大,引起蓄电池脉动充放电,从而加快了蓄电池老化的过程,影响蓄电池的使用寿命,因此这种传统的可控硅整流充电装置已逐步被高频开关电源取代。高频开关电源模块具有稳压稳流、精度高、体积小、重量轻、效率高、输出纹波及谐波失真小的优点,现在已被广泛使用。

       (2) 可控硅整流直流电源系统的充电装置的连线方式采用主从备份方式,当一台充电、浮充电装置发生故障时,一般通过手动方式将备用充电/浮充电装置投人使用,这种备用方式的可靠性差、运行和维护工作量大、充电柜数量多、占地面积大。高频开关电源充电装置采用模块化结构优化设计。备份方式为N+1热备份,即包括备份模块在内的所有电源模块同时工作,当系统中某一电源模块故障时,该模块自动退出工作而其他模块仍保证系统正常工作,这种备份方式的优点在于可靠性高、系统占地面积小、配置灵活、扩容方便、运行与维护工作量小。
三、微机监控单元

       微机监控单元是直流电源系统的控制核心,其主要负责监控交流及电池状态等众多的物理量,并且控制充电模块部分智能地对电池进行充电,监控器性能的优劣往往决定直流电源系统性能的好坏。
       电力系统内的直流电源集中控制系统由监控调度中心主站及安装在各个变电站内直流电源系统上的电源监控单元组成。监控调度中心可通过MODEM及电话网(或综合自动化系统),经变电站内直流电源系统的监控单元对直流电源系统进行遥测、遥信、遥控和遥调。维护人员可在监控调度中心监视各个现场的直流电源系统的运行情况,一旦发现某个变电站直流电源系统出现告警,则可以直接访问该系统的监控单元,获取必要的详细信息,实施一些应急操作,然后根据需要做好准备,再赴现场进行故障处理,实现无人值班,提高工作效率。监控单元是智能型直流电源系统的核心控制器,负责直流电源系统各组成部分的集中管理,通过串行的RS232/RS485接口,与变电站内的综合包动化系统或地区调度联系。

四、绝缘监测装置和自动调压模块

绝缘监测装置:变电站直流电源系统是不接地系统,当直流电源系统发生接地时会引起继电保护的误动或拒动以及直流电动机的异常甚至损坏。直流操作电源需要配置绝缘监察装置,监测直流电源系统的接地故障与绝缘水平。过去,往往使用绝缘监测继电器来完成对直流母线绝缘状况的在线监测,这种继电器具有体积小、安装方便的特点,但只能反映整个直流电源系统的绝缘水平,不能确定具体的故障回路,需要逐个拉开回路来确定接地故障点,查找故障十分困难。现在变电站内使用的微机直流电源系统接地巡检仪,除可监视母线电压与绝缘外,还可对各直流接地支路进行判断,直流电源系统的接地信息可通过串行口传送至本地监控或后台监控计算机。正常情况下,系统各支路对地绝缘电阻相近且较高,大于允许绝缘电阻值,装置报警回路不动作,仅进行常规工作,如正、负母线电压,正、负母线绝缘电阻的巡回检测、显示。在支路或母线接地时或绝缘电阻降低超过允许值时,装置报警并显示相应回路绝缘电阻值,查找接地故障非常方便。

       自动调压模块:电力操作电源的额定输出电压一般选择为110V或220V,如果考虑蓄电池均充电运行的需要,输出电压最高则可达到额定输出电压的145%, 220V系统,最高输出电压可达到330V。因为蓄电池的端电压变化范围很大,所以在电力系统中,除了合闸等冲击性负载直接接在蓄电池的输出端(合闸母线)之外,控制类负载都通过调压装置间接与蓄电池相连接(调压装置的输出母线被称为控制母线),以获得比较稳定的工作电压。

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