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变电站直流系统分析与设计毕业论文
变电站直流系统分析与设计毕业论文
前言
随着电力工业的迅速发展，为提高电网的供电质量，使电网安全、经济运行，并实现电力系统的自动化，从而对电力控制系统的关键设备控制电源的要求也越来越高。
变电站内的继电保护，自动装置，信号装置，事故照明和电气设备的远距离操作，一般采取直流电源，所以直流电源的输出质量及可靠性直接关系到变电站的安全运行和平稳供电。
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。
从90年代开始的变电站综合自动化技术的推广应用，对直流系统提出了更高的技术要求。
近年来直流系统的技术和设备发展迅速，阀控铅酸蓄电池、智能型高频开关充电装置等，具有安全可靠、技术先进和性能优越等特点，促进了直流系统的发展。
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。
以下对变电站设计中直流系统设计有直接影响的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220千伏有人值班变电站为集控中心站，主变为4×240MVA，220千伏电气主接线为双母线单分段接线，出线10回；110千伏电气主接线为双母线双分段接线，出线16回；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;
通信电源（DC-DC）：
48V,40A,6组；
该变电所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30米。
第一章变电站直流系统相关技术分析
变电站中的控制、信号、继电保护、监控计算机、自动装置和断路器等的操作都需要可靠稳定的工作电源供电，该电源称为操作电源。
操作电源可分为直流操作电源和交流操作电源，在变电所中主要采用的是直流操作电源。
变电站的直流系统是由直流操作电源、直流供电网络和直流负荷组成。
变电站中的直流负荷极为重要，对供电可靠性的需求很高，直流系统的可靠性是保障变电站安全运行的决定性条件之一。
本章重点介绍变电站直流电源技术和蓄电池技术。
第一节变电站直流电源技术分析
变电站的直流电源系统一般有蓄电池直流系统和硅整流直流系统。
直流操作电源可分为独立式直流电源和非独立式直流电源。
独立式直流电源有蓄电池直流电源和电源变换式直流电源；非独立式直流电源有硅整流电容储能直流电源和复式整流直流电源。
一、蓄电池直流电源
蓄电池是一种可重复使用的化学电源。
通过充电，可将电能以化学能的形式存储在蓄电池内，通过放电，将存储的化学能转变成电能供电给直流负荷，这两种过程是可逆的。
在变电站中一般采用蓄电池作为直流电源。
这种直流电源不依赖于交流系统的运行，即使交流系统故障，甚至全所停电，该电源也能在一段时间内正常供电，以保证直流负荷正确动作，具有很高的稳定性和可靠性。
二、电源变换式直流系统
电源变换式直流系统也是一种独立式直流电源，其框图如下：
图1-1电源变换式直流系统图
这种电源是由输入可控整流装置U1、48V蓄电池组GB、逆变装置U2和输出整流装置U3组成。
正常运行时，由交流220V供电给U1，经U1可控整流后，输出直流48V，并向蓄电池组GB充电或浮充电；同时，经逆变装置U2变换成直流，在由输出整流装置输出220V的直流电，作为供电直流电源。
当交流系统故障时，由蓄电池组GB直接向48V的直流负荷供电，同时经U2逆变和U3整流后维持向220V的直流负荷持续供电。
三、整流式直流电源
上述两种直流电源，直接或间接地采用了蓄电池作为直流电源，由于蓄电池直流电源价格昂贵，寿命有限，维护量较大等，所以在一些中小型变电站中采用了硅整流直流电源。
整流式直流电源实际上是一台整流装置，其输入一般取自所用电的交流电压，经整流装置变换成直流电源。
这种直流电源是非独立式的直流电源，若交流系统故障，将直接影响到直流电源的输出，不能满足直流负荷的要求；若交流系统停电，直流电源将没有输出。
为了解决上述问题，对于整流式直流电源进行了改进，其中应用最多的是硅整流电容储能直流电源和复式整流直流电源。
由于应用不是太广泛在这里就不在介绍。
第二节蓄电池技术分析
蓄电池分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。
酸性蓄电池有固定型防酸隔爆铅酸蓄电池和阀控密封免维护铅酸蓄电池。
碱性蓄电池是镉镍蓄电池。
一、铅酸蓄电池
铅酸蓄电池从组成上来讲，主要是由正极板、负极板、硫酸溶液、隔板、蓄电池槽、蓄电池盖组成。
根据蓄电池的用途不同，还有其它不同的部件，如对于防酸隔爆式蓄电池在电池盖上安有防酸隔爆帽，有的电池还装有密度计、温度计等。
正负极接线柱是由正负极板引出，用于对外连接。
铅酸蓄电池正极板上的活性物质是二氧化铅（PbO2）,负极板上的活性物质是金属铅（Pb）。
蓄电池的储能和释放能量是通过正、负极和硫酸溶液之间发生的电化学反应来实现的。
在放电过程中，放电电流从蓄电池的正极流出，经负极、电池负极、电池内部后，到达正极，实现了将蓄电池内的化学能转换为电能，供电给负荷。
这种电化学反应可以用下面的反应方程式表示
Pb+2H2SO4+PbO2→PbSO4+2H2O+PbSO4
负极电解液正极负极电解液正极
由上式可看出，在放电过程中，正负极在放电后都生成了硫酸铅（PbSO4），并消耗了电解液中的硫酸（H2SO4），生成了水（H2O），结果硫酸溶液的浓度（密度）下降。
因此在实际工作中，可以根据电解液比重的变化（高低），来判断蓄电池的放电程度和作为确定蓄电池放电终了的主要特征。
在充电过程中，充电电流由外部电源的正极，经蓄电池的正极、电池内部、负极，到达外部电源的负极，实际将电能转换成化学能存储在蓄电池内部。
充电过程的电化学反应可用下面的化学反应方程式表示：
PbSO4+2H2O+PbSO4→Pb+2H2SO4+PbO2
负极电解液正极负极电解液正极
由此可见，充电时，正极上的硫酸铅氧化成二氧化铅，负极上的硫酸铅还原成金属铅，并且硫酸根与水形成硫酸，使电解液的浓度逐渐上升，最后达到一稳定值。
在充电过程中，外电源强迫蓄电池接受电解，把PbSO4及H2O转换成PbO2、Pb、H2SO4,电能转换成后者的化学能，这是主反应。
充电时还伴随着一个很难避免的副反应，即电解水生成氧气和氢气。
特别是充电后期，电压升高（用恒定电流充电时），电能主要消耗在电解水方面，而且对活性物质很不利。
电解水的反应是：
正极:
2H2O→O2+4H++4e-
负极：
4H++4e-→2H2↑
总反应：
2H2O→2H2↑+O2↑
在充电后期，从正极板析出氧气，负极板析出氢气。
充好电之后的蓄电池会自发地进行自放电反应。
负极上的自放电反应将使负极板硫化并析出氢气；正极板上的自放电反应将析出氧气。
铅酸蓄电池充电、自放电都会产生氧气和氢气的析出以及酸雾的自然挥发。
这样一来，一方面使得电池的电解液消耗很大，需要经常加酸补水进行维护；另一方面酸雾对人体，设备和环境带来污染和危害。
氢气易引起火灾。
由于上述原因，以前在变电所中，蓄电池是安装在蓄电池室内，蓄电池室的建筑应符合国家相关技术要求，设置必要的附属设备和通风设备等，投资大，运行维护量大。
我国电力系统自20世纪80年代开始引进和采用阀控密封免维护铅酸蓄电池（VRLA，简称阀控电池），90年代后开始广泛应用。
一些新建的变电所，甚至一些改造的变电所基本都是采用这种新型蓄电池，取代了固定型防酸隔爆铅酸蓄电池。
阀控电池采用了全封闭结构，设有安全阀，正极板为铅锡合金，负极板为钙铝合金，电池内部电解液被吸附在极板和隔离物中，充电产生的气体不向外逸出，全部在电液内合成H2O，该电池在在理论上不消耗水，不需添加蒸馏水，可以长期运行。
由于上述特点，阀控电池体积小，具有防震抗压的特点，便于运输，可以放倒后叠加放置，酸液无渗漏，可与其它设备同置一室，无酸雾逸出，无需设专门的电池室。
铅酸蓄电池的型号一般按以下方式表示：
图1-2蓄电池型号表示
二、镉镍电池
镉镍电池属于碱性电池，在结构上，其正极板是氧化镍，负极板是镉-铁；电解液为氢化钾或氢化钠中加入适量的氢化锂组成；外壳为封闭型。
其化学能与电能的转换也是通过其内部复杂的化学反应完成的。
镉镍电池按放电电流与蓄电池的额定容量的关系可分成四类，即：
I<0.5C5（A）,为低倍率型；I=（0.5—3.5）C5（A），为中倍率型；I=（3.5—7）C5（A），为高倍率型；I>7C5（A）,为超高倍率型。
在变电所中，主要采用中倍率型和高倍率型。
一般用在容量不太大的场合。
镉镍电池具有对环境污染小、无腐蚀性、维护工作量小、结构紧凑、占地面积少、布置方便、使用寿命长（可长达20年）等优点。
可直接放在主控制室内或配电装置内，不用专设蓄电池室。
第二章确定直流系统的接线和工作电压
第一节直流系统的接线
一、母线接线方式
1.直流系统接线方式的主要原则
直流系统采用单母线或单母线分段接线，不用双母线接线，使系统接线更加简单，运行也更加可靠。
1组蓄电池可为单母线分段或单母线；2组蓄电池设两段母线，正常独立运行，母线之间装有联络电器，一般为刀开关，必要时也可装设保护电器。
每组蓄电池设有专用的试验放电回路，蓄电池的试验放电设备经隔离和保护电器直接与蓄电池组出口回路并接主要为了试验时蓄电池组可以方便的退出，简化操作步骤，简化接线，避免误操作。
同时不影响直流母线的运行，提高可靠性。
由于蓄电池试验放电的次数不多，为提高试验设备的利用率，所以，不宜固定连接，便于多组蓄电池公用。
蓄电池直流系统的接线与蓄电池类型、运行方式和蓄电池组数等有关。
根据运行方式，可分为充放电运行的蓄电池直流系统和浮充电运行的蓄电池直流系统。
2.不同的接线方式
按充电放电方式工作的蓄电池直流系统
直流母线电压为110V或220V。
正常情况下，充电用的硅整流装置断开，由蓄电池组向负荷供电，蓄电池放电。
为了保证在事故情况下蓄电池组能可靠工作，必须在任何时候都留有一定的容量，绝不能使蓄电池完全放电，通常放电约达容量的60%-70%时，便应停止放电，进行充电。
在给蓄电池组充电和放电时，充电整流装置除向蓄电池组充电外，同时还供经常性的直流负荷用电。
蓄电池组按充电放电方式工作的主要缺点是必须频繁的进行充电，通常每隔1～2昼夜充电一次，蓄电池老化较快，使用寿命短，进行维护也较复杂。
按浮充电方式工作的蓄电池直流系统
由一组铅酸蓄电池构成的直流系统接线如下
图2-1一组蓄电池的直流系统图
直流系统采用了单母线分段接线，为母线段Ⅰ、Ⅱ。
系统中只装设了一组蓄电池，通过刀开关QK1、QK2可随意接到任一母线上，也可同时接到两段母线上（此时两母线并联运行）。
浮充设备U1和充电设备U2分别接在两段母线上，当交流所用电有双电源时，充电和浮充设备接在不同的交流电源上。
直流系统中还接有绝缘监察装置和各种测量表计等。
正常运行时，浮充设备和充电设备负责向直流系统供电，并兼向蓄电池浮充电。
利用蓄电池内阻小，伏安特性平坦的特点，使其主要担负短时冲击负荷供电。
在蓄电池回路中，电流表PA1为双向电流表，以监视充电和放电电流。
电流表PA2用来测量浮充电电流，正常时被短接，测量时，可利用按钮SB使接触器KM的常闭触点断开后测试。
电压表PV1用来监视蓄电池的端电压。
蓄电池在放电过程中端电压会下降，从而影响直流母线电压的稳定，为了保证直流母线电压的稳定，可采用端电池和端电池调节器。
由两组蓄电池构成的直流系统的接线方式如下
图2-2两组蓄电池直流系统图
该接线中装设了两组蓄电池，分别接在不同的分段母线上。
在正常运行情况下，两段母线间的联络刀开关打开，整个直流系统分成两个没有电气联系的部分，在每段母线上接一台浮充设备，两组蓄电池共用一台充电设备，充电设备经两个刀开关分别接到两组蓄电池的出口，可分别对其进行充放电。
每段母线设有单独的电压监视和绝缘监察装置。
调压设备接在蓄电池和直流母线之间。
当其中一组蓄电池因检修或充放电需要从母线上断开时，分段开关合上，两段母线的直流负荷由一组蓄电池供电。
按浮充电方式工作时，充电整流装置经常与蓄电池组同时接与母线上并联工作。
整流装置除给直流母线上的经常负荷供电外，同时以很小的电流向蓄电池组浮充电，用以补偿蓄电池组自放电，使蓄电池经常处于满充电状态，蓄电池组主要负担短时间冲击负荷，如断路器的合闸电流。
此外，在交流系统发生故障，充电整流器断开情况下，蓄电池组转入放电状态，承担全部直流系统负荷。
交流电恢复后，充电整流器给蓄电池组充好电在转入浮充电状态。
这种连续浮充电方式，又称为全浮充电方式。
为了避免由于控制浮充电流不准确，造成硫酸铅沉淀在极板，影响蓄电池的输出容量和降低使用寿命，规定每三个月进行一次核对性放电，放出蓄电池容量的50%～60%，终止电压为1.9V为止；或进行全容量放电，放电终止电压为1.75～1.8V为止，放电后应立即进行一次均衡充电（亦称过充电）。
使各个蓄电池电解液的密度、容量、电压等都达到均衡一致的良好状态。
采用浮充电方式运行，不仅可以减少维护工作量，而且可以提高直流系统的工作可靠性，蓄电池的使用寿命较充电放电工作方式延长1～2倍。
所以，全浮充电方式在发电厂和变电所中得到广泛应用。
为了能及时发现直流系统的接地故障，母线上装设有绝缘监察装置（其表计部分为两段母线共用；信号部分各自一套）。
为了能及时发现母线电压高于或低于规定值，每段母线上各装设一套电压监察装置；为了反映断路器的位置信号，每段母线上各装设一套闪光装置。
采用端电池后，不但使直流系统的接线复杂，而且使蓄电池组的运行维护工作量增加。
在全浮充电运行中，正常工作时根本不需要调整蓄电池组的端电压。
因此在大型发电厂和变电所中，单直流系统有两组及两组以上蓄电池时，蓄电池组可以不设端电池，并采用全浮充电运行方式。
这样的直流系统典型接线一般采用单母线两分段，每段接一组蓄电池和一台充电整流器，另有一台备用整流器，可接于两段母线。
当一组蓄电池进行核对性放电时，该段母线的直流负荷由另一组蓄电池供给。
二、其它直流系统
1.镉镍蓄电池的直流系统
国内制造厂生产和提供成套镉镍蓄电池直流屏，是一种高性能直流不停电电源。
它具有可靠性高、适应性强、使用寿命长、电压稳定、放电倍率高、维护简单、占地面积小、无污染等特点。
适用于110KV及以下电压等级的变电所，容量在100A·H以下的场所。
2.硅整流电容储能直流系统
硅整流电容储能直流系统与蓄电池系统相比，具有寿命长、投资省、维护简便、占地面积小等优点，在中小型变电所中得到广泛应用。
尤其是35KV及以下变电所应用更广。
但硅整流电源是一种非独立式电源，与一次交流系统的运行工况有关。
三、直流供电网络
变电所的直流供电网络是由直流母线引出，供电给直流负荷的中间环节，它是一个庞大的多分支闭环网络。
直流网络可根据负荷类型和供电路径，分为若干相互独立的分支供电网络，例如，控制、保护、信号、供电网络、断路器合闸线圈供电网络及事故照明供电网络。
为了防止某一网络出现故障时影响一大片负荷供电，也便于检修和故障排除，不同用途负荷由单独网络供电。
为简化设备，220KV变电站直流系统一般采用环形供电网络，在变电站内将动力母线和控制母线合一，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母线上。
第二节确定系统工作电压
在确定变电站直流系统额定电压时，应根据变电站的具体情况，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数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源的要求就不再是确定直流系统额定电压的主要因素。
一般来说，当直流电压为220V时，若控制电缆长度在500m以内，电缆截面积不大于4mm2就不会给电缆的接线带来困难。
当直流电压为110V时，若电缆长度超过250m，就要选用截面积为6mm2或10mm2的电缆，一般端子排只能连接截面积不超过6mm2的电缆芯，要连接截面积大的电缆芯必须采用特殊的连接方式，这给施工和维护都带来困难；另外，220KV变电站的控制对象多，距离远，直流电压采用110V，加大了控制电缆的截面积，必然大幅增加有色金属的消耗，增加在控制电缆方面的投资。
基于上述技术和经济上的考虑，在220～500KV变电站采用集中控制的情况下直流系统额定电压宜选220V。
所以，此次设计的220KV有人值班的变电站站，直流系统电压宜选220V。
第三章计算与选择
在变电站直流系统的分析与设计中，有许多数据需要计算，比如蓄电池的容量。
也有许多模块需要进行选择，如蓄电池的充电模块。
本章重点介绍蓄电池容量的计算与选择、直流充电模块的选择、UPS不停电电源的选择、通信电源的设计与选择和直流系统中各自动开关额定容量的选择。
第一节计算并选择蓄电池容量
一、蓄电池的电气特性
1.容量
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时，其所放出的总容量，称为电池的容量。
若蓄电池以恒定放电电流If放电，到达规定终止电压的时间为tf，则对应容量为
C=If·tf（A·H）
容量的单位为安时，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、电解液比重和电解液温度。
①放电率：
放电率是反映蓄电池放电到终止电压时间的快慢，简称为放电率，常用时率和倍率表示。
时率是以放电时间表示放电速率，即以某电流放电至规定终止电压所经历的时间，如放电率为10、8、5、3、1h。
对于铅酸蓄电池是以10h放电率为正常放电率。
倍率是指电池放电电流的数值为额定容量数值的倍数。
如放电电流表示为0.1C20（C20表示放电时间为20h的电池容量），对于一个60A·H的电池，即以0.1×60电流放电；3C20意指180A的电流放电。
②蓄电池的额定容量是指在规定条件下所能输出的电量。
对于铅酸蓄电池，额定容量是指电解液温度为25℃时，以10h放电率对应的容量。
2.蓄电池运行方式及有关术语
蓄电池组一般有两种运行方式，即充放电运行方式和浮充电运行方式。
充放电运行方式
蓄电池组通过放电，向直流负荷进行供电。
放电结束后，将蓄电池接到充电装置上，进行充电。
浮充电运行方式
正常时，蓄电池组和整流设备并接在直流母线上，整流设备一方面向直流负荷供电，一方面以较小的充电电流向蓄电池浮充电，以补充蓄电池的自放电。
当交流系统或整流设备故障时，甚至全所停电，由蓄电池维持向直流负荷连续供电，保证供电不中断。
③均衡充电
对于一组浮充运行的蓄电池，虽然蓄电池的全组电池都处同样的条件下，但由于某种原因，有可能造成全组电池不均衡。
在这种情况下，应采用均衡充电的方法来消除电池之间的差别，以达到全组电池的均衡。
均衡充电是用小电流进行1—3h的过充电过程，均衡充电不能频繁进行。
二、蓄电池个数的确定
此次设计的220KV变电站采用控制母线与合闸母线合一的形式。
在此模式下，每组蓄电池阀控密封铅酸蓄电池个数需综合考虑正常浮充电时直流系统母线电压值、直流负荷允许最高电压值、直流负荷允许最低电压值。
1.按浮充电运行时，直流母线电压为1.05Un选择蓄电池个数
n=1.05Un／Uf
Un为系统标称电压；
Uf为单体电池浮充电压，取Uf=2.25V
则：
n=1.05Un／Uf=1.05×220／2.25=103
蓄电池取103块。
2.蓄电池均衡充电电压选择
根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最高值选择单体蓄电池均衡充电电压值。
对于控制负荷和动力负荷合并供电:
Uc≦1.10Un∕n=1.10×220∕103=2.35
均充电压取UC=2.30V
3.蓄电池放电终止电压选择
根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最低电压值选择单体蓄电池事故放电末期终止电压。
对于控制负荷和动力负荷合并供
UM≧0.875UN∕n=0.875×220∕103=1.87
则取放电终止电压UM=1.87V
三、蓄电池容量选择
1.直流负荷统计
序号
负荷名称
装
置
容
量
KW
计
算
电
流
A
经常电流A
事故放电时间电流A
随
机
初期1min
1-60min
Icho
CS.1.0
1
经常负荷
8
36.36
36.36
36.36
36.36
2
事故照明
3
13.64
13.64
13.64
3
UPS电源
10
45.45
45.45
45.45
4
通信电源
26.18
26.18
26.18
26.18
5
断路器合闸
2
2
6
断路器跳闸
2.5
2.5
7
电流统计A
I0=62.54
I1=124.13
I2=121.63
Ichx=2
2.容量选择计算
满足事故全停电状态下的持续放电容量：
式中：
－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，为121.63A；
－容量系数，查直流系统设计技术规程表B.10得其为0.45；
故：
所以，选择蓄电池的额定容量
=400Ah。
3.电压校验
事故放电初期（1min）承受冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压
－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=400/10=40A
根据Kcho的值，查直流系统技术规程图B.6中0曲线，查处单体电池电压值Ud=2.08V
则：
UD=nUd=214.24V
满足86%--111%
蓄电池端电压的要求。
事故放电末期承受冲击放电电流时蓄电池所能保持电压。
－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；
计算得：
查直流系统技术规程图B.6得Ud=1.96V
UD=nUd=201.88V
满足86%--111%
蓄电池端电压的要求。
任意事故放电阶段末期，蓄电池所能保持的电压。
查直流系统技术规程图B.6,对应Kchm.x=0，得Ud=1.95
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