变电站直流系统设计Word格式.docx
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（4）阀控密封式铅酸蓄电池和高频开关整流电源（本设计中应用到）在直流系统中的应用可提高直流电源系统的安全可靠性，降低直流系统设计的复杂性，并减小了维护的工作量。
2直流系统接线
随着科学技术的不断发展，直流系统的接线方式、采用的设备也在逐年的改进和更新。
在满足供电可靠的前提下，直流系统的接线应尽可能的简单、运行灵活、经济合理。
直流系统的接线方案具体要求：
（1）在满足供电可靠的前提下，接线尽可能简单，设备尽可能简化；
（2）直流系统中选用的设备应是先进、可靠、经济合理；
（3）选用的设备其维护工作量尽可能小；
（4）供电范围明确以及操作方便。
要保障直流系统可靠地运行，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、保护设备、动力和控制电缆等。
2.1
直流母线接线
220～500kV变电站常用的直流母线接线方式有单母线分段和双母线两种。
（1）单母线分段接线的特点：
①每回路只需一组母线开关，设备少，投资小,接线简单、清晰，直流屏内布线方便；
②能方便的形成两个互不联系的直流系统，有益于提高直流系统的可靠性。
2.双母线接线的特点：
①每回路设有两组母线刀开关（或一组切换式刀开关），可任意接到一组母线上；
②供电可靠性较高，但投资较大。
単母分段接线如图1所示。
综上所述，双母线接线比单母线分段接线，母线刀开关用量大，直流屏内设备拥挤，布线困难，检修、维护也不方便。
故220KV变电站采用单母线分段接线。
2.2
直流系统的电源配置
直流系统中的主要电源是蓄电池组，其次是充电和浮充电设备。
变电站中的蓄电池在正常情况下以浮充电方式运行，直流负荷实际上由浮充电设备供电，蓄电池处于浮充电状态。
合理的配置蓄电池及充电浮充电设备有利于提高直流系统的可靠性。
220V和110V直流系统应采用蓄电池组;
48V及以下直流系统可采用蓄电池组,也可采用由220V或110V蓄电池组供电的电力直流电源变换器（DC/DC变换器）。
直流系统为单母线分段接线时，蓄电池组及充电装置的连接方式如下:
（1）一组蓄电池一套充电装置时，二者应接入不同的母线段；
（2）一组蓄电池两套充电装置时，两套充电装置应接入不同的母线段，蓄电池组应跨接在两段母线上；
（3）两组蓄电池两套充电装置时，每组蓄电池及其充电装置应接入不同的母线段；
（4）两组蓄电池三套充电装置时，每组蓄电池及其充电装置应接入不同的母线段，第三套充电装置应经切换电器可对两组蓄电池进行充电。
2.3
直流馈线网络
直流馈线网络有两种供电方式:
辐射供电和环形供电。
为简化设备，220KV变电站直流系统一般采用环形供电网络，即直流动力负荷和控制负荷都采用环形供电网络。
在变电站内设动力和控制小母线，在各直流负荷之间形成环形供电网络，每个环的电源回路接到两段母线上。
若220KV变电站为全户内式，220KV及110KV配电装置均采用气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），二次设备置于GIS室内，则直流馈线应分别引至各配电装置处各自形成环网。
由于GIS二次回路所需直流电源较多，故在设计时应考虑足够的直流馈线数量。
500KV变电站对直流供电网的可靠性要求更高，结合对控制电源双重化的要求，一般采用辐射状供电。
为了简化供电网络，减少馈线电缆数量，可在靠近配电装置处设直流分屏，每一分屏由2组蓄电池各用1条馈线供电。
3直流系统工作电压
220～500KV变电站的强电直流电压为220V或110V,弱电直流电压为48V。
强电直流电压选220V还是110V,应根据变电站的具体情况及通过技术经济比较，找出影响直流系统额定电压选择的主要因素。
以往设计的220KV及以下电压等级的变电站，大多数为带电磁操作机构的断路器，需要直流动力合闸电源，在这种情况下，满足直流动力回路电压的要求，降低直流动力电缆的投资，成为影响直流系统额定电压选择的主要因素，因此，以往设计的变电站中多数采用了220V的直流系统。
20世纪80年代以来，在220～500KV变电站中，110KV及以上电压等级的断路器多采用气动或液压操作机构，10KV断路器采用弹簧操作机构，这样就不需要直流系统提供动力合闸电源了，因此，满足直流动力回路电压的要求和降低直流动力电缆投资，就不再是确定直流系统额定电压的主要因素。
但是，根据现在220～500KV变电站的发展及其特点，由于220～500KV变电站占地面积大，被控对象远，控制回路电缆长，所以满足控制回路电压的要求，降低控制电缆的投资就成为确定500KV变电站直流系统额定电压的主要因素。
在相同操作功率下，220V控制电缆中的电流比110V控制电缆中的电流要小一倍，同时也降低了控制电缆中的电压降，从而也降低了电缆截面的要求，减少了控制电缆的投资。
由此可见，对于采用220V的直流系统工作电压，不仅可以选用较小的电缆截面，降低电缆的投资，还可以节省有色金属。
故对于本系统220KV变电站采用220V的直流系统工作电压。
4
蓄电池选择及容量计算
蓄电池是一种储能装置，它把电能转化为化学能储存起来，又可把储存的化学能转化为电能，这种可逆的转换过程是通过充、放电循环来完成的，而且可以多次循环使用，使用方便且有较大的容量。
4.1
220KV变电站直流系统蓄电池组数的确定
近年来，随着电力系统对直流电源可靠性要求的进一步提高，虽然直流系统在接线方式、网络布置及充放电设备性能要求等方面进行了完善和加强，但现行规定不能满足目前220KV变电站对提供高可靠性直流电源的要求，对掌握蓄电池工作状态及运行、维护不利，在交流失电状态下，可能因蓄电池电源瓶颈问题，而扩大事故。
l.220KV变电站要求具备高可靠性直流电源的原因
（1）现在大部分220KV变电站建设规模比较大，且为枢纽站。
（2）220KV变电站主保护亦实现双重化，采用两套不同原理、不同厂家装置；
断路器跳闸回路双重化；
且均要求取自不同直流电源。
（3）线路的两套纵联差动保护、主变压器的主保护和后备保护均分别由独立的直流熔断器供电。
（4）所有独立的保护装置都必须设有直流电源故障的自动告警回路。
（5）变电站综合自动化水平提高，监控系统高可靠运行要求。
2.目前单组蓄电池运行、维护存在的主要问题
（1）事实证明：
要掌握蓄电池运行状态，做到心中有底、运行可靠，必须进行全容量核对试验；
然而直流系统配置一组蓄电池，给运行维护造成了极大困难。
（2）就对各发供电单位已运行的各型式蓄电池统计表明，使用寿命一般为7年到10年；
且这期间尚需对个别落后电池维护处理才能够保证整组蓄电池使用年限。
对于仅一组蓄电池而言，整个更换期间同样要承担风险运行。
3.220KV变电站直流系统配置两组电池的必要性及优点
（1）由于单组蓄电池不能很好的满足220KV变电站运行可靠性要求，且运行维护困难,故此220KV变电站直流系统配置两组蓄电池是必要的。
（2）220KV变电站直流系统配置两组蓄电池，完全满足运行要求,采用该系统对增加控制保护设备运行的可靠性有较重要的意义。
（3）220KV变电站配置两组蓄电池组后，从简化母线结构、减少设备造价、节约能源、避免降压装置故障开路造成母线失压，减少了电网事故和更大设备事的发生，使直流系统进一步简化、可靠。
因此，根据现在220KV变电站对直流电源可靠性要求进一步提高，及蓄电池运行、维护的需要，并考虑220KV变电站直流系统网络与蓄电池直流电源可靠性匹配要求，220KV变电站直流系统应配置两组蓄电池，虽在经济上多投入，但其运行可靠性却得到了大幅度提高，且运行方式灵活、维护简便。
4.2
蓄电池的分类
目前，我国投入运行的变电站中，绝大多数都是采用铅酸蓄电池，也有采用碱性蓄电池。
1.铅酸蓄电池
铅酸蓄电铅酸蓄电池是电力工程中广泛采用的直流电源装置。
它具有适用温度和电流范围大，存储性能好，化学能和电能转换率高，充放电循环次数多，端电压高，容量大，而节省材料,铅资源丰富、造价较低等一系列优点。
铅酸蓄电池又分为防酸隔爆式、消氢式及阀控式密封铅酸蓄电池三大类。
阀控式密封铅酸蓄电池与防酸隔爆式和消氢式铅酸蓄电池相比较有很大的优点：
阀控式密封铅酸蓄电池在正常充放电运行状态下处于密封状态，电解液不泄露，也不排放任何气体，不需要定期的加水或加酸，维护工作也比较少；
防酸隔爆式铅酸蓄电池是属于半封闭型的，当在充电运行状态下产生的气体较多时，会使电池室中才能在爆炸的危险，而且需要定期的往电池中加纯水及维护；
消氢式铅酸蓄电池也需要定期进行维护与加水，比较麻烦。
2.碱性蓄电池
采用的碱性蓄电池主要是镉镍蓄电池。
由于单个蓄电池在各种运行状态下电压变化的相对值大于直流母线电压允许变化的相对值，才引起加装端电池，用来调节母线电压。
然而，镉镍蓄电池充电末期电压与放电末期电压相差比较大，约1.8～1.9倍，为保持直流母线电压不超过允许的变动范围，镉镍蓄电池组必须采取调压措施，如:
加端电池,在蓄电池组与母线之间加调压设备。
而铅酸蓄电池的单个蓄电池在各种运行状态下电压变化的相对值小于或等于直流母线电压允许变化的相对值，也就保持了直流母线电压在允许的变化范围之内，故就不需要加装端电池了。
由于镉镍蓄电池必须设置调压措施，与无端电池的铅酸蓄电池相比，增加了投资和运行维护的复杂性，特别是蓄电池组容量较大时更为突出。
因此，镉镍蓄电池与铅酸蓄电池相比，在相同容量、相同额定电压下，镉镍蓄电池投资较高，随着容量的增大，投资的差额也增加。
这就是影响镉镍蓄电池在工程上大量采用的主要原因。
综上比较，选用铅酸蓄电池中的阀控式密封铅酸蓄电池。
4.3
阀控式密封铅酸蓄电池组的电池个数的选择
1.阀控铅酸蓄电池一般有初充电,浮充电,和均衡充电三种充电方式。
（1）初充电。
新安装的蓄电池组进行第一次充电,称为初充电.初充电通常采用定电流,定电压两阶段充电方式。
（2）浮充电。
正常运行时,充电装置承担经常负荷电流,同时向蓄电池组补充充电,以补充蓄电池的自放电,是蓄电池以满负荷的状态处于备用。
单体阀控电池的浮充电压为2.2～2.3V,通常取2.25V，浮充电流一般为（1～3）/Ah。
（3）均衡充电。
为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均匀现象,为使其恢复到规定的范围内而进行的充电,称为均衡充电。
阀控电池的均充电压2.3～2.4V,通常取2.35V均衡充电电流不大于（1～1.25）I10Ah。
2.电池个数的选择
蓄电池正常按浮充电方式运行，为保证直流负荷供电质量，考虑供电电缆压降等因素，将直流母线电压提高5%Un，蓄电池个数设为N，则
式中
－蓄电池个数；
－直流系统的额定电压；
－单体蓄电池的浮充电电压，阀控蓄电池浮充电电压为2.23～2.27V，一般取2.25。
3.蓄电池放电终止电压校验
在确定蓄电池的个数以后，还应验算蓄电池在事故放电末期允许的最低端口电压值不应低于蓄电池放电终止电压
（1.75～1.8V）。
根据有关规定，动力负荷母线允许的最低电压值不低于87.5%。
考虑直流母线到蓄电池间电缆压降在事故放电时按1%计算，因此，对于动力负荷专用蓄电池组，事故放电末期允许的最低端口电压值
对于控制负荷专用蓄电池组，事故放电末期允许的最低端口电压
4.4
蓄电池容量的计算
1.铅酸蓄电池的电气特性
（1）铅酸蓄电池的容量特性
电池的容量是表示蓄电池的蓄电能力。
充足电的蓄电池放电到规定终止电压（低于该电压放电将影响电池的寿命）时，其所放出的总电量，称为电池的容量。
若蓄电池以恒定放电电流I（A）放电，放电到容许的终止电压的时间为t（h），则对应容量C（Ah）为
C=It
反应蓄电池放电到规定的终止电压的快慢称为放电率，放电率用时率（h率）和电流率（I率）表示。
蓄电池的实际容量并不是一个固定不变的常数，它受许多因素的影响，主要有放电率、电解液密度和电解液温度。
电解液温度高，容量就大；
电解液密度大，容量就也大；
放电率对容量的影响更大，例如，某一铅酸蓄电池，当以10A率（10h）进行放电时，到达终止电压1.8V所放出的容量为100Ah；
当以25A率（3h率）进行放电时，到达终止电压1.8V所放出的容量为75Ah；
当以55率（1h率）进行放电时，到达终止电压1.75V所放出的容量为55Ah。
可见,放电电流大,放电时间短,放出电量少,故电池容量少.这是因为放电电流过大时,极板的有效物质很快就形成了硫酸铅,它堵塞了极板的细孔,不能有效地进行化学反应,内阻很快增大,端电压很快降低到终止电压。
我国电力系统常用温度在25摄氏度,10h率放出的容量作为铅酸蓄电池的额定容量,那么,上述那一铅酸蓄电池的额定容量就是100Ah。
按有关规定蓄电池的额定容量有:
10,20,40,80,100,150,200,250,300,350,400,500,600,800,1000，2000,3000Ah。
蓄电池容量的这种特性用容量系数表示
-任意时率放电的允许放电容量；
-蓄电池的额定容量。
（2）放电特性.
1）持续放电特性.为了分析电池长期使用之后的损坏程度或充电装置的交流电源中断不对电池浮充电时,为核对电池的容量,需要对电池进行放电.阀控电池不同倍率的放电特性曲线如图1-1所示。
图1-1
从图1-1出,蓄电池放电初期1h内的端压降低缓慢,放电到2h之后端电压降低速率明显增快,之后端压陡降.端电压的改变由于电池电动势的变化和极化作用等因素造成的。
一般以放出80%左右的额定容量为宜,目的使正极活性物质中保留较多的粒子,便于恢复充电过程中作为生长新粒子的结晶中心,以提高充电电流的效率。
图1-1中I10为10h率放电电流,可见～放电曲线比～放电初期端压和中期端压变化速率变化大,其原因是电池极化作用随电流增加而变大。
2）冲击放电特性.冲击放电特性表示在某一放电终止电压下,放电初期或1h放电末期允许的冲击放电电流。
冲击电流一般用冲击系数表示,冲击系数表示式为
-冲击系数；
-冲击放电电流；
-10h率放电电流。
图1-2
图1-2中浮充曲线是指电池与充电装置并联运行时,承受短时间冲击放电电流时蓄电池的端电压,其中实线为电池未脱离浮充电系统的端电压,虚线为电池刚脱离浮充电系统的电压。
图1-2中持续放电曲线是指不同放电电流时,立即承受短时间冲击的电压变化曲线,冲击放电曲线的冲击时间为10～15s.曲线中“0”曲线是电池完全充足电后,脱离充电系统,待每个电池电压下降且稳定在2.06～2.10V时,进行冲击放电的电压变化曲线。
从图1-2中可以看出,浮充电状态下放电端电压变化较慢,断开浮充电源立即放电端电压变化较快,而以电流持续放电下冲击放电电压变化更快,大放电率冲击放电端电压变化最快。
2.220KV变电站蓄电池个数的选择及容量计算
某城区220KV有人值班变电站为集控中心站，主变为4×
240MVA，220KV电气主接线为双母线三分段接线，出线10回；
110KV电气主接线为双母线双分段接线，出线16回。
该变电站继电器室布置在主控楼二层，设有专用蓄电池室，布置在主控楼一层，二者距离约30ｍ，该所直流负荷统计如下：
经常负荷：
8KW
事故照明负荷：
3KW
UPS不间断电源：
10KW
断路器合闸：
220V,2Ａ
断路器跳闸：
220V，2.5Ａ
（1）直流负荷按功能分，有控制负荷和动力负荷。
控制负荷：
电气和热工的控制、信号装置、自动装置以及仪表等负荷；
动力负荷：
各类直流电动机、断路器操动机构的合闸机构、交流不停电电源装置和事故照明等负荷。
（2）该所直流负荷统计表如下：
序号负荷名称计算容量KW计算电流A经常电流A事故放电时间电流A随机或事故末期
初期0－1min1-60min
1经常负荷836.436.436.436.4
2事故照明负荷313.613.613.6
3UPS不间断电源1045.545.545.5
4断路器合闸22
5断路器跳闸2.52.5
6电流统计（A）=95.5
=95.5=4.5
7容量统计（A）95.5
8容量累计（Ah）=95.5
解：
1）=1.05×
220/2.25=103
为保证蓄电池供电的可靠性，故选N=103+1=104个单体电池。
2）假设该蓄电池组仅带控制负荷，事故放电末期允许的最低端口电压
=0.86×
220/104=1.82V
只要对控制负荷专用蓄电池组最低端口电压满足要求，对于动力负荷专用蓄电池组的最低端口也满足要求，因为动力负荷的,即其电压系数比较大。
由于蓄电池在事故放电允许的最低端口电压不应于蓄电池放电终止电压（1.75～1.8V），即大于或等于。
又1.82＞1.8V，满足大于蓄电池终止放电电压的要求。
3）由事故持续放电1h及放电最低电压1.82查图，可得容量系数=0.56，是以额定容量为基准的放电容量的标么值,即
。
故蓄电池的容量为
式中：
－蓄电池10h放电率计算容量，Ah；
－可靠系数，取1.4；
－事故全停状态下持续放电时间x（h）的放电容量；
－容量系数。
=1.4×
95.5/0.56=238.75Ah
所以，选择蓄电池的额定容量=250Ah。
4）电压校验
①首先校验事故放电初期（1min）承受冲击放电电流时，蓄电池所保持的电压。
－事故放电初期（1min）冲击放电电流值，A；
－事故放电初期（1min）冲击放电系数；
－蓄电池10h放电率标称电流，A；
I10=250/10=25A
=1.10×
95.5/25=4.2
计算出的在图1-2的“0”曲线查出的单体电池的放电电压值，=2.02V，计算蓄电池组出口端电压为
N－蓄电池组的单体电池个数；
－承受冲击放电时的单体电池的放电电压，V。
=104×
2.02=210.08V,为额定电压的95%。
故满足86%～111%蓄电池端电压的要求。
②校验事故放电末期承受冲击放电电流时蓄电池所能保持的电压。
－任意事故放电阶段，10h放电率电流倍数，即放电系数；
－x事故放电容量；
x－任意事故放电阶段时间，h；
t－事故放电时间，h；
－x事故放电末期冲击放电系数；
－x事故放电末期冲击放电电流值，A
95.5/1×
25=4.2
=1.10×
4.5/25=0.2
计算出的放电系数和冲击放电系数，在图1-2中可根据
，即值查出相应的曲线，在该曲线上再用＝0.2值，查出单体电池放电电压值=1.83V，计算蓄电池组出口端电压为
1.83=190.32（V），为额定电压的86.5%,故满足86%～111%蓄电池端电压的要求。
计算出的端电压值应不小于负荷允许的要求值。
如不能满足要求，将蓄电池的容量加大一级，继续校验，直到母线电压满足为止。
第五章
直流充电模块的选择
5.1
充电装置的配置
充电装置的型式有高频开关和晶闸管两种。
高频开关自1992年问世以来，技术技能逐步提高，体积小、重量轻、效率高和使用维护方便，并且可靠性和自动化水平高，已得到广泛应用；
晶闸管电装置
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