变电站直流系统设计(3).doc
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变电站直流系统设计
摘要：
变电站直流电源系统是给信号设备、保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作提供直流电源的电源设备。
直流系统是一个独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，并在外部交流电中断的情况下，保证由后备电源—蓄电池继续提供直流电源的重要设备。
而本文介绍了220KV变电站直流系统接线方式，阐述了蓄电池的分类和影响直流系统额定电压和蓄电池容量选择的主要因素以及计算，介绍了新型的充电装置性能及其选择和UPS不停电电源的选择。
简单阐述了通信直流变换器，最后确定了变电站直流系统设计的方案。
关键词：
直流系统设计;变电站；蓄电池；UPS电源;智能型高频开关充电装置。
Abstract:
SubstationDCpowersupplysystemistosignalequipment,protection,automaticequipment,emergencylighting,emergencypowersupplyandcircuitbreakeropeningandclosingoperationofthepowersupplytoprovideDCpower.DCsystemisanindependentpowersupply,itisnotgenerators,auxiliarypowerandsystemoperationmodeofinfluence,andintheexternalACpowerinterruption,assuranceback-uppower-batteryprovidesDCpowertovitalequipment.Thearticledescribesthe220KVsubstationDCsystemwiring,describedtheclassificationandtheimpactofDCbatterysystemratedvoltageandbatterycapacityisthemainfactorandthecalculationofthenewtypeofrechargeabledeviceperformanceandtheselectionandchoiceofUPSuninterruptiblepowersupply.SimplesetofcommunicationDC-DCconverter,DCtofinalizethesubstationdesignprogram.
Keywords:
DCPowerSystemDesign;substation;battery;UPSpowersupply;intelligentchargingdevicehighfrequencyswitching.
目录
第1章变电站直流系统功能、重要性论述 5
1.1变电站直流系统 5
1.2变电站直流系统的重要性 5
第2章直流系统接线 7
2.1直流系统电源配置 7
2.2直流母线接线方式 8
2.3直流馈线网络 9
第3章直流系统工作电压的确定 11
第4章蓄电池的选择及容量计算 12
4.1蓄电池分类 12
4.2220kV变电站直流系统蓄电池组数的确定 14
4.3阀控式密封铅酸蓄电池组的电池个数的选择 16
4.4蓄电池容量的计算 18
第5章直流充电模块的选择 27
5.1高频开关充电模块工作原理 27
5.2充电装置的配置 27
5.3充电装置高频开关电源充电模块数量选择 28
第6章UPS不停电电源的选择 30
6.1UPS的工作原理与构成 30
6.2变电站UPS的配置方式 30
6.3UPS容量选择 31
6.4UPS电源系统接线方案 32
第7章通信直流变换器的选择 34
7.1对通信直流变换器的介绍 34
7.2对通信电源的一体化特殊要求：
34
7.3变电站的通信负荷 35
7.4通信电源系统 36
第8章直流系统中各自动开关额定容量的选择 37
8.1直流断路器的选择 37
8.2刀开关的选择 40
第9章总结 41
结束语：
43
前言
变电站直流系统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可靠地直流操作电源,它在发电厂和变电所中是一个独立的电源,不受交流的影响,在全厂或全所失电的情况下,仍能保证控制信号、保护、自动装置等电源及事故处理工作,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。
而在变电站中广泛采用的直流控制电源是由蓄电池组和充电装置等设备构成，是一种在正常和事故状态下都能保持可靠供电的直流不停电电源系统。
交流控制电源通常是采用UPS不间断电源。
通信电源是由模块化的通信专用DC-DC变换器，它是从站内直流控制电源系统的蓄电池组取得直流电，经高频变换输出满足通信设备要求的48V控制电源。
然而，在电力系统中，由于直流电源系统设计不合理、设备选型不当或缺乏正确的管理方法而导致电力设施损坏、系统故障、事故波及范围扩大，甚至造成重大人身伤亡等事故屡有发生，给电力系统和国家财产造成巨大损失，所以要求电力系统设计、施工和运行部门必须对直流系统予以高度重视。
以下是对变电站直流系统设计的直接影响因素和变电站直流系统设计方案的选择进行分析。
本文是以220KV变电站为例进行的变电站直流系统设计。
220KV变电站数据资料为：
某城区220KV有人值班变电站为集控中心站，主变为4*240MVA，220KV电气主接线为双母三分段接线，出线10回;110KV电气主接线为双母双分段接线，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断路器合闸：
220V,2Ａ
事故照明负荷：
3KW断路器跳闸：
220V，2.5Ａ
UPS不间断电源：
10KW
第1章变电站直流系统功能、重要性论述
1.1变电站直流系统
变电站直流系统在变电站为继电保护、控制、信号、计算机控制、事故照明、交流不间断电源等提供可靠的直流电源，对变电站的安全运行起着重要作用，是变电站安全运行的保障。
220KV—500KV的变电站应设蓄电池组供电的直流电源。
目前，变电站的直流相对比较复杂，电源容量需求比较大，因此直流系统所需要费用亦比较高，少则几万，多则几十万人民币，并且由于运行环境、维护工作等方面的原因，蓄电池组的寿命亦有所限制，难以达到设计寿命，通常寿命在5-8年左右，比设计寿命少约40％以上。
若蓄电池质量、运行环境、日常维护等不当则3－5年蓄电池组容量则急剧下降，难以满足设备安全生产运行，给变电站的安全生产带来极大隐患。
1.2变电站直流系统的重要性
（1）变电站的直流电源是全站作为控制、信号、继电保护的操作电源，也是重要设备的保安电源及事故照明电源。
监视和维护直流设备的完好性对变电站以及整个电力系统的安全可靠运行十分重要。
（2）各类变电站直流电源系统必不可少。
对于不同电压等级的变电站往往设计不同电压的直流输出，以满足设备运行的需要。
（3）在变电站中，直流电源系统应满足各类负荷中双重化配置的要求。
（4）阀控密封式铅酸蓄电池和高频开关整流电源（本设计中应有到）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。
第2章直流系统接线
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。
直流系统的构成原则：
（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。
2.1直流系统电源配置
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。
2.2直流母线接线方式
直流母线的接线与蓄电池的组数、直流负荷的供电方式以及充电、浮充电设备的配置方式等因素有关。
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，投资大,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；（3）.查找直流接地方便。
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）.可在不间断对负荷供电的情况下，查找直流系统接地。
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。
单母线分段接线图：
2.3直流馈线网络
目前新设计220kV及以下变电所直流网络以辐射供电方式为主，主控室或继电保护室取消了二次屏柜上的直流电压小母线，所有二次屏柜直流电源均直接由直流馈线柜辐射供电。
每一保护屏均分别从Ⅰ段直流母线、Ⅱ段直流母线各引一路馈线，形成双路电源供电：
采用在保护屏上增加一单刀双投开关，可有效避免操作失误造成两组蓄电池并联运行；另一方面考虑到一套直流系统失电的故障机率较低，本着简单可靠的原则，本文推荐采用辐射供电方式
220kV、110kV配电装置直流供电有采用辐射供电方式的设计，也有采用环网供电方式的设计。
采用辐射供电主要优点是：
网络接线简单、可靠。
第3章直流系统工作电压的确定
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，找出确定直流系统额定电压选择的主要因素。
如下几点；
1、在变电站中，对于动力负荷来说，它们的功率一般比较大，供电距离较长，采用110V电压时，电缆截面较大，投资增加，通过技术、经济比较，采用220V电压比较好。
有些工程的配电装置规模较大，距离控制室又远，而控制负荷如采用110V电压，控制电缆的截面虽然已经选择很大，往往还不能满足要求，因此可以采用220V电压，同时向控制负荷和动力负荷供电。
2、根据现在220KV－500KV变电站的发展及其特点，由于变电站占地面积大，被控对象远，所需控制回路电缆长，所以满足控制回路电压降的要求以及降低控制电缆的投资问题成为决定220KV变电站直流系统工作电压的主要因素。
而且在相同操作功率时，220V控制电缆中的电流比110V控制电缆中的电流要小一倍，降低了控制电缆中的电压降，也将低了控制电缆方面的投资。
由以上可见，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。
第4章蓄电池的选择及容量计算
蓄电池是一种储能装置。
在充电时，它把电能转化为化学能储存起来；在放电时，又可把储存的化学能转化为电能；而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蓄电池分类
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。
铅酸蓄电池正极板的活性物质二氧化铅（），负极板的活性物质是绒状铅（Pb），电解液为稀硫酸。
放电时正极板的二氧化铅（）、负极板的绒状铅（Pb）变为硫酸铅（PbSO4），电解液中的硫酸在与正负极产生化学反应后密度下降。
充电时正极极板上硫酸铅变为二氧化铅，负极板上的硫酸铅变为绒状铅，电解液的密度上升。
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，而节省铅材料资源丰富、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a.加端电压b.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。
4.2220kV变电站直流系统蓄电池组数的确定
直流系统是变电站二次设备的生命线，直流系统故障就有可能影响到电网稳定和设备安全。
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，维护方便。
以下便是220KV变电站要求具备高可靠性直流电源的原因、目前单组蓄电池运行、维护存在的主要问题和220KV变电站直流系统配置两组蓄电池方案必要性及优点。
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。
4.3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呀为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%Un。
考虑直流母线到蓄电池间电缆压降在事故放电时按1%Un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。
充足电的蓄电池放到规定中止电压（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；可见,放电电流大,放电时间短,放出电量少,故电池容量少,故电池容量减小.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。
我国电力系统用温度在25度,10h率放出的容量作为铅酸蓄电池的额定容量,因此上述铅酸蓄电池的额定容量就是100A。
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
式中-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所示。
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。
为10h率放电电流,可见0.5-1放电曲线比0.1-0.4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
式中-冲击系数;
-冲击放电电流;
-10h率放电电流.
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。
.
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。
从上图中可以看出,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.下面便是以220KV变电站为例进行计算：
某城区22
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