电力直流电源系统设计

1 成人高等教育毕业论文成人高等教育毕业论文 设计设计 电力直流电源系统设计 学生姓名学生姓名 学号学号 指导教师指导教师 学习形式学习形式 院 系 站点院 系 站点 专业年级专业年级 完成日期完成日期 年年 月月 日日 合肥工业大学继续教育学院 2 附件2 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的工作及取得的成果 我声 明 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的论文及研究成果 也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料 论文作者签名 签字日期 年 月 日 工作单位 合肥同智机电控制技术有限公司 电话通讯地址 合肥市高新区永和路66号 邮编 230000 3 目录 中文摘要 1 英文摘要 2 1 绪论 3 1 1 直流电源系统概述 3 1 2 直流电源系统的现状和发展 3 1 3 本次设计任务 4 2 直流电源系统设计 5 2 1 交流配电单元 6 2 1 1 交流配电单元基本配置 6 2 1 2 交流配电单元工作情况 6 2 2 整流模块 7 2 2 1 相控整流系统的特点 7 2 2 2 高频开关电源的特点 8 2 3 充电装置 8 2 3 1 充电装置的技术特性要求 8 2 3 2 充电装置的类型及特点 9 2 4 直流配馈电系统 15 2 4 1 直流系统接线 15 2 4 2 直流系统额定电压 16 2 4 3 直流系统馈电网络设计 16 2 4 4 操作保护电器选择 16 2 5 蓄电池组 17 2 5 1 蓄电池的型式 17 2 5 2 蓄电池组的运行 18 2 5 3 蓄电池个数及终止电压的确定 20 2 5 4 蓄电池组数和放电回路 21 2 5 5 蓄电池容量选择 21 2 6 监控装置 22 2 6 1 直流系统监控装置的发展和现状 22 2 6 2 微机监控装置 23 2 7 降压装置 29 2 8 不间断电源系统 31 2 9 通信直流电源 31 2 10 本次设计方案 31 2 10 1 设计内容以及注意的相关问题 31 2 10 2 直流屏屏体设计 35 4 2 10 3 三个变电站设计方案 36 2 10 4 三个等级变电站设计方案和配置汇总 44 3 结论 47 致 谢 48 参考文献 49 1 摘要 直流电源作为变电站非常重要的一种二次设备 承担着向高压开关 继电保护 自动装置 事故照明等设备提供操作电源和控制电源的任务 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 直流电源 系统由整流电源 蓄电池组和馈电部分组成 我国发电厂和变电站中早期的直流系统多为相控式充电装置 配套 防酸镉镍蓄电池组或镉镍碱性蓄电池组 需要对蓄电池组和直流电源进 行定期维护 上世纪 90 年代末 电力用开关电源应运而生 应用大功 率半导体器件 在一个电路中运行于 开关状态 按一定规律控制开关 对电能进行处理变换而构成的电源 被称为 开关电源 与传统的相控 型直流电源相比 开关电源模块各项性能指标优异 维护方便 随着电 力用开关电源技术的不断完善 开关电源将全面替代相控电源 成为电 力用直流电源的首选 根据变电站等级的不同 对电力直流操作电源的配置和容量要求也 不同 本次设计从系统角度出发 分析目前国内常用的几种电力直流操 作电源的配置方式及其系统组成 描述其各组成部分的功能 并设计 1 单组电池 单组整流模块 充馈一体 2 单组电池 双组整流模块 充馈分开 3 两组电池 两组整流模块这三种常用的系统方案 绘制 屏面布置图和系统原理图 分别适用于 35kV 110kV 和 220kV 变电站 关键词 变电站 直流操作电源 蓄电池 2 Abstract As secondary substation equipment DC power supply is very important to the high pressure switch relay protection automatic equipments and emergency light it also provides operating power and control power to other equipments Its performance and quality is directly with detriment to the operation of equipment in the power plant and substation It expounds the configuration of eliminator supply storage battery and feedback device In the early days DC operation power supply system in the power plant and substation is phase charge device which with anti acid nickel cadmium batteries or basic nickel cadmium batteries It must aircraft from time to time In the 1990s the switching power supply appeared A power source using a large power semi conductor part operated in a circuit under switching status which controls the switch based on a certain rule to treat and change the electric energy is called a switching power source Compared to the traditional phase controlled DC power source the modules of this new power source have perfect indexes of its all performances and convenience for maintenance With continuous improvement of switching power technology in power industry the switching power source will substitute phase controlled power source totally and become the first choice for DC power source in power industry Because the substation have different voltage step so it have different request about the setting and the capability of the DC operation power supply system In my design I analysis this different request and describe the function in the system In addition I devise three system 3 schemes 1 single group of battery single group of charge device and putting charge device with feedback together 2 single of group battery two groups of charge device and putting charge device with feedback separate 3 two groups of battery and two groups of charge device The three scheme separate apply to 35kV 110kV and 220kV voltage step substation I also protract corresponding schematic diagram and panel setting diagram Keywords Transformer substation dc operation power supply system battery 3 1 绪论 1 1 直流电源系统概述 直流系统是应用于水力 火力发电厂 各类变电站和其它使用直流设备的 用户 为给信号设备 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 它广泛应用于水力 火力发电厂 各类变电站和其它使用直流设备的用户 如发电厂 变电站 配电站 石化 钢 铁 电气化铁路 房地产等 为信号设备 保护 自动装置 事故照明及断路 器分 合闸操作提供直流电源 它也同样广泛的应用于通信部门 计算机房 医院 矿井 宾馆 以及高层建筑的可靠应急电源 用途十分广泛 直流系统 主要由两大部份组成 一部份是电池屏 另一部份是直流充电屏 直流屏 电 池屏是一个可以摆放多节电池的机柜 电池屏中的电池一般是由 2V 12V 的电 池以 9 节到 108 节串联方式组成 对应电的电压输出也就是 110V 或 220V 目 前使用的电池主要是阀控式密封免维护铅酸电池 直流屏主要是由机柜 整流 模块系统 监控系统 绝缘监测单元 电池巡检单元 开关量检测单元 降压 单元及一系列的交流输入 直流输出 电压显示 电流显示等配电单元组成 1 2 直流电源系统的现状和发展 直流电源系统包括蓄电池组 充电装置以及馈电部分 我国早期的直流电 源系统多为相控式充电装置 配套防酸隔爆蓄电池组或镉镍碱性蓄电池组 需 要对蓄电池组和直流电源进行定期维护 为提高输配电供电质量 国家大力推 进供电工程改造 鉴于开关电源在通信领域的成功应用 电力用直流开关电源 也广泛应用于直流系统 随着制造技术的发展 蓄电池经历了从开启式铅酸蓄 4 电池 半封闭铅酸蓄电池 高放电倍率锡镍碱性蓄电池 到目前新一代的免维 护阀控式密封铅酸蓄电池几个阶段 充电装置经历了磁饱和充电机 晶闸管整 流充电机和高频开关整流装置等阶段 传统的硅整流和可控硅整流设备已逐渐 被先进的高频开关整流设备所取代 系统的设计己经由固定式演变成模块化 以适应各种应用场合和设备规模的需求 系统的交流配电单元 直流配电单元 和电池配电单元等 与模块整流设备组屏 安装在机架式整流设备内 直流电 源可以安装主控制室内 甚至直接安装在高压室内 高频开关整流器采用了模 块化设计 N 1 配置和热插拔技术 方便了系统的扩容 有利于设备的维护 系统一般都配置了防雷保护和浪涌抑制 有效地防止了雷电冲击和电压的突变 尖峰 1 3 本次设计任务 本设计从系统角度出发 分析目前国内常用的几种电力直流操作电源的配 置方式及其系统组成 描述其各组成部分的功能 并设计 35kV 110kV 和 220kV 变电站的典型的直流系统并且绘制屏面布置图和系统原理图 各变电站 直流系统设计方案如下 1 35kV 变电站 单组电池 单组整流模块 充馈一体 2 110kV 变电站 单组电池 双组整流模块 充馈分开 3 220kV 变电站 两组电池 两组整流模块 5 2 直流电源系统设计 直流电源系统主要是由交流配电单元 整流模块 充电模块 直流馈电单 元 合闸分路 控制分路 蓄电池组 监控模块 绝缘监测模块 配电监控模 块 降压单元及远程监控计算机组成 有些系统还会配置闪光系统 不间断电 源系统和通讯系统 直流电源系统的配置原则 1 直流电源的电源由交流站用电屏提供 直流电源屏输入两回交流进线 可在直流电源屏内实现自动切换 2 相控整流电源 有 2 套独立的整流系统 1 套工作 1 套备用 并能 自动切换 高频开关电源 采用 N 1 模块冗余设置方式 当 1 个模块故障时不 会影响整组充电设备的正常工作 这与单机工作的相控充电设备有着质的不同 高频开关整流模块可带电插拔 使得故障更换没有时间限制 3 由于现在新投产变电站的断路器多采用弹簧和液压机构 合闸电流较 小 采用阀控式铅酸免维护蓄电池 在充放电时电压变化范围小 可以不设硅 堆降压装置 把合闸母线与控制母线合二为一 从而使接线和布置简单化且提 高了直流系统的供电可靠性 4 目前的直流配电系统一般都采用直流专用断路器取代以前负荷开关加 熔断器的形式 并且直流配电开关采用集中布置正面开启式结构 节省了空间 和屏位 提高了防护等级 并易于接线 更换和维护 目前 国外生产的小型 直流断路器 直流分断能力可达 DC250 V 10 kA 完全可以满足控制负荷馈电 用 大容量的直流断路器 直流分断能力可达 DC250 V 50 kA 可以满足动力 负荷馈电用 另外 这些直流断路器可以方便地加装辅助触点和故障报警触点 确保了直流供电的可靠性 接线方式不同 馈电输出也不同 但其基本原理是一致的 如图 1 所示 6 交 流 配 电 单 元 配 电 监 控 单 元 1 整流 模块 N 整流 模块 监控 单元 电池组 重要的 交流负荷 降 压 硅 链 绝缘监视 逆变模块 1 AC380 2 AC380 合闸分路 控制分路 图 1 直流电源系统原理框图 2 1 交流配电单元 2 1 1 交流配电单元基本配置 直流屏交流配电单元常选用双路互投装置作为输入进线 选用双回路进线 可实现直流屏内部的线路互切 以保证直流屏交流供电的稳定性与可靠性 2 1 2 交流配电单元工作情况 1 交流输入正常时 当系统交流正常输入时 两路交流输入可经交流双路互投装置切换控制电路 选择其中一路输入 给各个充电模块供电 再由充电模块将三相交流电转换为 220V 或 110V 的直流 经隔离二极管隔离后输出 一方面给电池充电 另一方面给 负载供电 监控部分采用集散方式对系统进行监控 充电柜 馈电柜的运行参数 充电模块的运行参数分别由配电监控电路和模块监控电路采集处理 通过串行通 信口把处理的信息上报给监控模块 统一处理后显示在液晶屏上 同时 可通过人 机交互操作方式对系统进行设置和控制 并可接入远程监控 监控模块还能对每 7 个充电模块进行均 浮充控制 限流控制等 以保证电池的正常充电 延长电池寿 命 2 交流输入停电或异常时 当交流输入回路出现故障时 交流备用回路立即投入运行 确保交流输入正常 当两路交流输入回路均出现故障停电或异常时 充电模块停止工作 退出运行 转 由蓄电池组给负载供电 监控模块监测电池电压 放电时间 当电池放电到设置 的欠压值时 监控模块发出告警 在交流输入恢复正常以后 充电模块开始运行 蓄电池组退出 此时充电模块除了给直流负载正常供电外 还要对蓄电池进行充电 2 2 整流模块 直流电源普遍采用由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器 并且智能化 能够和变电站综合自动化网络连接 具有三遥功能 已经完全取 代了过去应用较多的磁放大型整流器和由分立元件或集成电路控制的可控硅型 整流器 2 2 1 相控整流系统的特点 1 三相交流电源经整流变压器隔离 变压 可控硅调压 全桥整流及滤 波整形后输出直流电压 通过取样比较 放大及触发器电路 控制可控硅的导 通角 得到稳定的输出电压 2 充电装置采用 2 台相同的充电浮充电装置 每台均能进行充电 浮充 电和均衡充电 做到 机多功能 2 台充电浮充电装置互为备用 3 充电过程即恒流充电 均衡充电 浮充电 全由自动装置或微机控制 来处理 4 任何情况下当电网解列或交流电源失电时 蓄电池组都能无间断地向 控制母线供电 确保继电保护 自动装置 高压开关均有控制和操作电源 8 2 2 2 高频开关电源的特点 1 交流电源经滤波整流后 将滤波后的直流电源变换为数十或数千 Hz 的高频方波或准方波交流电 通过高频变压器隔离后 再高频整流滤波 最后 输出直流电压 通过取样比较放大及控制驱动电路 控制变换器中功率开关管 的占空比 得到稳定的输出电压 2 充电方式采用高频开关电源模块 体积小 重量轻 容量大 3 采用 N 1 备份 经济性好 可靠性高 4 模块本体能自动均流 充电电流连续可调 充电方式全部按程序进行 模块可任意并联 并可在线操作 5 隔离性好 设有完善的自我保护系统 6 功率因数高 效率高 2 3 充电装置 充电装置是整个系统中十分重要的组成部分 正常运行时它向蓄电池提供 浮充电流 同时向控制 信号 保护 自动装置等常规负荷供电 在蓄电池放电 后 向蓄电池提供浮充或均充电能 2 3 1 充电装置的技术特性要求 1 应满足蓄电池组的充电和浮充电要求 2 应为长期连续工作制 3 充电装置应具有稳压 稳流亦限流性能 4 应具有自动和手动浮充电 均衡充电和稳流 限流充电功能 5 充电装置的交流电源输入宜为三相制 额定频率为 50HZ 额定电压 为 380 1 10 V 6 1 组蓄电池配套 1 套充电装置的直流系统 充电装置的交流电源宜设 2 个回路 运行中 1 回路工作 另一回路备用 当工作电源故障时 应自动切 换到备用电源 9 2 3 2 充电装置的类型及特点 1 可控硅充电模块 可控硅充电模块交流输入侧有隔离变压器 使得电网侧的交流干扰减少 对模块的冲击相应减少 缺点是 纹波较大 不能使用于免维护电池 体积大 屏面数增多 在模块 备份方面目前只能冷备份 如果时间长 则可能导致冷备份的设备故障 如果 控母调压模块为硅链调压装置 则充电模块的纹波将直接传到控母上 基本元 件功耗大 温升严重 效率低 2 高频开关充电模块 高频开关电源模块采用脉宽调制 PWM 技术 开关频率可高达 20 500kHz 纵向金属氧化物半导体场效应管 MOSFET 绝缘双极晶体管 IGBT 等新型功率电子元器件的应用 提高了开关频率及技术性能 使直流电源设备 体积小 重量轻 精度高 与可控硅整流器相比 技术性能优越 高频开关充 电模块与可控硅充电模块性能比较见表 1 表1 高频开关充电模块与可控硅充电模块性能比较 电源类型高频开关充电模块可控硅充电模块 交流电源电压380V 20 380V 10 直流输出电压90 160V 190 275V80 160V 190 275V 工作频率20 500kHz50Hz 稳压 稳流精度1 纹波系数2 动态响应 200us 100ms 噪音40 50db60db 效率 90 0 92 0 7 阀控式铅酸蓄电池的充电 要求有高精度的恒压充电 其稳压精度 1 电压超过 1 会引起过充 过充后内部气压大 阀自动打开 使水分损失 并影 10 响电池寿命 因此配套该种电池 选择高频开关充电模块是合适的 同时 微 机型继电保护 监控管理 自动装置等的大量应用 也对电源设备的技术参数 提出了较高的要求 而高频开关充电模块能很好地响应这些要求 3 高频开关模块的基本原理 电力用高频开关电源与一般的开关电源在基本原理上基本一致 其组成框 图如图 2 所示 图 2 电力用开关电源组成框图 交流输入电压经过滤波器 再经过一次整流与电容平滑后变为直流电压 再经过功率因数改善电路 加到开关元件上 变为脉冲状的交流电压 此交流 电压经高频变压器隔离变换后 再经二极管二次整流 由电感和电容滤波后即 变为直流输出电压 经过输出取样电路 通过比较电路与基准电压进行比较 其误差电压通过通 断时间比例控制电路控制开关元件的通 断时间 从而调整输 出电压 当然还有实现各种保护的附加电路 要符合主回路的控制方式 在电力系统中 直流电源的输出多为 220V 或 110V 无论是输出电压等级 还是输出功率都远远高于一般的开关电源 因此在电力用开关电源中 开关元 件及二次整流二极管均采用高压大电流的元器件 4 开关电源系统运行方式 根据母线设置情况 开关电源系统可组成三种方式 1 单母线方式 蓄电池组电池数目不多 均充电时母线电压不会超过控制负荷电压允许范 围 合闸母线和控制母线合二为一 每组蓄电池设一组开关电源模块 这种方 式 滤 波器 一次 整流 功率 因数 改善 电路 DC DC 变换 二次 整流 直流 输出 交流输入 取样 电路 比 较器 通断时 间比 例控制 电路 11 多用于高压站和发电厂 如图 3 所示 图 3 单母线方式 2 控制 动力母线分别设置 单组模块方式 单组电源模块与动力母线并联 控制负荷通过自动调压装置获得电源 该 方式要求自动调压装置具有较高的可靠性 多用于中 低压站 如图 4 所示 图 4 控制 动力母线分别设置 单组模块方式 3 控制 动力母线分别设置 双组模块方式 将电源模块分成两组 一组输出与动力母线并联 另一组输出与控制母线 并联 动力母线和控制母线之间设置自动调压装置 在正常情况下 控制母线 负荷由电源模块提供 自动调压装置由于承受反压处于备用状态 只有当交流 输入停电或控制母线的所有模块故障时 自动调压装置才投入运行 这种方式 多用于较为重要的中 低压站 如图 5 所示 开关电源 模块 开关电源 模块 交流 输入 直流 负荷 蓄电 池组 开关电源 模块 开关电源 模块 交流 输入 均 流动力 负荷 蓄电 池组 控制 负荷 动力 母线 控制 母线 调 压 装 置 开关电源 模块 开关电源 模块 交流 输入 动力 负荷 蓄电 池组 控制 负荷 动力 母线 控制 母线 调 压 装 置 开关电源 模块 开关电源 模块 12 图 5 控制 动力母线分别设置 双组模块方式 5 高频开关电源模块配置 传统的可控硅整流直流电源系统的充电装置采用主从备份方式 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 浮充电装置投入使用 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它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 运行于维护工作量小 高频开关模块数量按如下公式选择 N 模块额定电流之和 最大经常负荷 蓄电池要求的充电电流 阀控式铅酸电池约为 0 1 0 2C 例如 常规 110kV 的变电所直流系统电压为 DC220V 蓄电池的容量为 100Ah 则充电电流 0 1C 100Ah 最大经常性负荷 约 10A 20A 若选用 5A 的高频电源模块 4 只模块就可满足负荷要求 N 4 再加一个备用模块并联 总 共选 5 只 5A 的高频开关模块 根据有关方面的规定 1 对具有一组蓄电池的直流系统可设 1 套或 2 套高 频开关电源充电装置 2 对具有 2 组蓄电池的直流系统 可设 2 套或 3 套高频 开关充电装置 3 对具有 1 组蓄电池设 1 套高频开关充电装置和具有 2 组蓄电 池设 2 套高频开关电源充电装置的直流系统 其整流模块应按 N 1 的冗余配置 4 对具有 1 组蓄电池设置 2 套高频开关电源充电装置 2 组蓄电池设置 3 套 高频开关充电装置 2 组蓄电池设置 3 套高频开关充电装置的直流系统 其整 流模块不在按 N 1 冗余配置 220kV 变电站的直流系统一般采用 2 组蓄电池配 2 套 N 1 个模块 或 3 套 13 N 个模块 的高频开关电源充电装置 35 110kV 变电站的直流系统一般选用一 组蓄电池配 1 套 N 1 个模块 或 2 套 N 个模块 高频开关充电装置 6 电力用开关电源的重要技术指标 1 均流不平衡度 由于电力用开关电源模块采用并联运行 电源模块中应包括均流电路实现 模块间的功率均匀分配 通常对于电力用电源模块 其负载均分不平衡度应不 大于 5 2 交流输入范围 对于电力用直流电源 交流输入电压范围是一个很重要的指标 输入电压 的额定电压因各国不同而异 例如 美国规定的交流输入电压为 120V 欧洲为 220V 240V 日本为 100V 及 200V 我国为 220V 及 380V 电力部规定直流 电源输入交流电压范围为 15 10 但由于我国电力设施还不完善 交流电 压波动范围较大 尤其在偏远地区的 35kV 变电站 交流电压波动经常超过上 述范围 因此电力用开关电源模块应适当拓宽交流输入范围 3 功率因数 开关电源由于输入端有整流 电容平波电路 使其输入电流呈尖脉冲状 功率因数通常只有 0 6 0 7 将对电网造成谐波污染 造成电力公害 干扰其 它用电设备 使测量仪表产生较大误差 为降低电源装置对电网的污染 EMI 及 EMC 的有关标准对不同功率等级电源装置的功率因数及谐波电流值有明确 的规定 因此电力用开关电源需加功率因数改善电路 其基本方法有两种 无 源功率因数校正 PFC 和有源功率因数校正 APFC 无源功率因数校正方 法是在输入端加入电感量很大的低频电感 并降低滤波电容的容量 以便减小 滤波电容充电电流的尖峰 校正后的功率因数能达到 0 9 以上 一般用于三相 输入的大功率的开关电源模块 有源功率因数校正方法是在输入端加入高频开 关管及相应的控制器 控制器通过采集交流输入的电压信号和电流信号 控制 开关管的开通与关断 从而使输入电流平均值波形始终跟随输入电压波形 可 14 使功率因数接近于 1 美国 Unitrode IC 公司已开发成功 UC3854 等 APHC 的控 制用集成电路 目前国内有源功率因数校正方法主要用于单相输入的电源模块 三相输入的有源功率因数校正方法尚不成熟 4 稳压 稳流精度和纹波系数 近些年阀控密封铅酸蓄电池得到了广泛的推广普及 其与防酸隔爆蓄电池 及镉镍碱性电池相比 具有以下特点 无需添加水和调酸的比重等维护工作 具有免维护功能 不漏液 无酸雾 自放电电流小 电池寿命长 正常温度下 的浮充寿命可达 10 15 年 结构紧凑 密封性好 抗震动性能好 不存在镉镍 碱性电池的 记忆效应 但阀控密封铅酸蓄电池对充电装置的稳压 稳流精度 和纹波系数要求严格 不允许过充电和欠充电 作为与之配套的开关电源 电 力部有着严格的稳压 稳流精度和纹波系数指标的要求 7 电力用开关电源的散热方式 由于开关电源是由电阻 电容 电力电子器件等按照一定的电路方式组成 在进行功率变换过程中 会产生功率损耗 因此必须进行散热处理 可采用自 冷或风冷的散热方式 早期电力用开关电源模块 采用自冷的方式较多 多用 于电压等级不高 直流系统容量不大的变电站 随着电力系统高压站及发电厂 直流电源也逐步采用开关电源 体积远远小于自冷模块的温控风冷大功率电源 模块得到了广泛的应用 电力用直流系统中的负荷包括两个部分 蓄电池组充电电流和控制负荷电 流 由于蓄电池组长期处于浮充状态 充电电流很小 加上控制负荷较小 因 此整个充电装置长期处于轻载状态 电源模块内部设温度检测装置 用于控制 风机 在轻载时 模块内部温度未达到风机启动温度 模块工作在自冷状态 在对蓄电池进行大电流均充电时 模块内部温度上升 风机运转 对模块进行 散热 这样既能达到散热效果 也能延长风机的使用寿命 8 电力用直流开关电源发展方向 1 软开关技术 15 为使开关电源轻 小 薄 发展趋势是高频化 而高频化使传统的 PWM 功耗加大 效率降低 噪声增加 因此软开关技术已成为开关电源的发展主流 目前国内已有多家电源厂商研制成功软开关技术的电力用开关电源模块 并投 入应用 2 热插拔一体化 由于电力用开关电源模块均工作在直流电源屏内 为便于屏内走线及安装 维护 国内外电力电源厂商已广泛采用模块输入输出热插拔一体化端口 实现 火力插拔 3 电源模块智能化 目前我国电力系统正大力发展变电站 发电厂综合自动化 作为二次设备 电力用直流电源系统也朝着智能化方向发展 直流系统均要求配置监控系统 实现直流系统的智能化管理及蓄电池组的自动维护 同时与上级监控实现通讯 在中 低压站 直流系统通常采用集中监控方式 而在高压站和发电厂 鉴于 对可靠性的进一步要求 智能化电源模块应运而生 智能化电源模块内置 CPU 可实现自身的智能管理 与系统监控通过通讯总线进行数据交换及命令 传递 目前这种智能电源模块已在电力系统中得到应用 2 4 直流配馈电系统 直流馈电单元是将直流源通过负荷开关送至各用电设备的配电单元 根据 负荷的功能不同 馈线回路可分为 控制回路和合闸回路 各回路所用负荷开 关均选用直流断路器 分断能力在 6kA 以上 保证在直流负荷侧发生故障时相 应支路可靠分断 其容量与本系统上下级开关相匹配 以保证开关动作的选择 性 直流系统线 系统电压 网络设计 操作和保护电器选择是直流馈电系统 设计的主要问题 2 4 1 直流系统接线 电气主接线的形式一般有 单母线及单母线分段 双母线及双母线分段 16 带旁路母线的单母线和双母线接线 一台半断路器及 4 3 台断路器接线 变压 器母线接线 单元接线 桥形接线等 直流系统接线应力求简单 安全可靠 维护操作方便 在 DL T 1995 火力发电厂和变电所直流系统设计技术规定 中有规定 发电厂和变电站的直流系统应采用单母线或单母线分段接线 单母线接线简单 清晰 但可靠性与灵活性差 一般用在 110kV 以下的变电站 单母线分段接线 可靠性较高 任一段母线出现故障或需要检修都不影响供电 一般都建议 220kV 和 500kV 变电站采用单母线分段接线 2 4 2 直流系统额定电压 在 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计技术规程 4 2 1 直流系统电压 中提到 专供控制负荷的直流系统宜采用 110V 专供动力负荷的直流系统宜采 用 220V 控制负荷和动力负荷合并供电的直流系统采用 220V 或 110V 变电站 的直流系统目前大多是控制负荷和动力负荷和并供电的直流系统 因此系统电 压采用 110V 或 220V 都可以 具体根据实际情况和要求来定 2 4 3 直流系统馈电网络设计 在 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计技术规程 4 6 1 中规定 直流 网络宜采用辐射供电方式 直流馈电网络宜采用辐射供电方式 小容量 200Ah 以下 蓄电池直流系统 由于供电范围小 可以是在蓄电池接入直流母线后直接给负荷分别供电的两级 网络系统 中大容量 200Ah 以上 的蓄电池直流系统 由于供电范围大 可以 在负荷集中处设直流分电柜 由直流分电柜给负荷供电 包括大负荷的再分配 也只形成 3 4 级的网络系统 幅射馈电网络 对负荷施行单一供电 因而互不影响 分电柜方式也节省 了电缆 另外给查找接地 保护设备选择方面均带来方便 17 2 4 4 操作保护电器选择 直流回路中 保护电器通常采用熔断器和自动空气断路器 由于自动空气断 路器具有外形美观 体积小 易安装 可靠性高等特点 故现在直流系统的馈电 开关往往采用自动空气断路器 并带有辅助接点 以供监控单元采集馈出断路器的 状态信息 2 5 蓄电池组 2 5 1 蓄电池的型式 1 有关的设计规定 在 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计技术规程 中关于蓄电池类型 的规定有 1 大型和中型发电厂 220kV 及以上变电所和直流输电换流站宜采用防酸 式铅酸电池或阀控式密封铅酸蓄电池 2 小型发电厂及 110kV 变电所宜采用阀控式密封铅酸蓄电池 防酸式铅酸 蓄电池 也可采用中倍率镍镉碱性蓄电池 3 35kV 及以下变电所和发电厂辅助车间宜采用阀控式密封铅酸蓄电池 也 可采用高倍率镍镉碱性蓄电池 目前变电站直流系统里所用的蓄电池一般都采用阀控式密封铅酸蓄电池 2 阀控式铅酸密封电池的主要特点 蓄电池的种类一般分为铅酸电池 镍镉电池和铅酸免维护电池 20 世纪发展 起来的阀控式密封铅酸蓄电池 具有安装方便 维护工作量小 不污染环境 可 靠性高 电池寿命长等优点 因此近几年在电力系统 电信 铁路等部门被大量 使用 逐渐取代了传统的固定式防酸式铅酸蓄电池及其他碱性蓄电池 与高频 开关电源配套 成为电力系统变电站典型直流电源系统配置 由于阀控铅酸蓄电池对传统的防酸式铅酸蓄电池做出了重要改进 使其具 有体积小 自放电小 维护工作量少 对环境无腐蚀 污染等优良特性 因此 18 它与传统的铅酸蓄电池相比有明显的优点 1 免维护 变电站用 GFM 系列阀控铅酸蓄电池带荷电出厂 安装后即可 投人使用 无需配制灌注电解液和长时间初充电 高效率的气体内部再化合 密封反应效率可达 90 以上 水损耗很少 在整个使用寿命周期无需加入和调 整电液密度 在正常使用条件下 不必担心电解液缺少而影响蓄电池寿命 整 流充电装置按阀控铅酸蓄电池出厂充电电压设定 无需值班人员进行操作 只 需专业人员定期检测电池端电压和放电容量即可 2 密封 安全可靠 阀控铅酸蓄电池采用密封结构 正常使用时无酸液渗 出或酸雾溢出 采用安全阀及滤酸片 外遇明火不爆炸 内部压力达到限定值 时安全阀自动开启排气 低于限定值时安全阀自动关闭 不会因为过充电造成 蓄电电池爆裂 电池可立放 也可卧放使用 3 工程造价低 节省投资 阀控铅酸蓄电池不污染设备和环境 可与微机 继电保护等控制保护装置同室使用 不需专设蓄电池室 可采用多层次迭放 占地面积小 节约工程投资 另外 由于采用特殊的铅基合金紧装配 避免了 活性物质的脱落 采用合理的设计结构 使蓄电池有较长的使用寿命 2V 系列 可达 10 12 年 12 V 系列可达 3 5 年 阀控铅酸蓄电池以其优良的特性为电力 电信 金融信息等行业的现代化管理创造了有利的电源条件 可减少诸多日常 维护工作 为电力系统变电站实现无人值守和微机集中监控提供了有利条件 2 5 2 蓄电池组的运行 蓄电池的运行方式有浮充方式 均充方式 充电 放电方式 快速充电方式 和放电 5 种 1 浮充电方式 充电装置既提供给直流母线负载电流 又提供给蓄电池组 浮充电流 以维持蓄电池满充电状态 不同类型的蓄电池其浮充电压值不同 在 25 环境温度下 一般按 2 25 V 单体计算 充电设备的输出浮充电电压值 必须保持在 1 的误差之内 纹波比例不大于 2 当环境的平均温度高于 25 19 时 浮充电压值应减小 反之 则应增大 在不同的环境温度下 浮充电压的 校正系数可取士 3mw 单体 对有温度补偿功能的浮充电设备 应对浮充电 压值进行调整 一般装设于变电站继电保护室的蓄电池柜 应通过空调装置和 柜内通风保持蓄电池的温度值 2 均充方式 均充方式首先以 0 1C 恒流限压充电 当蓄电池电压达设定限 压值时 再恒压限流充电 达到设定时间后自行停止 此种方式一般在蓄电池 放电后进行补充电时采用 也可通过充电设备定期采用均充方式补充蓄电池自 放电容量 均恒充电电流一般定为 0 1C 均恒充电电压为 2 4V 单体 根据蓄 电池的不同可按产品说明具体执行 3 充电 放电方式 充电 放电方式即蓄电池充好电后直接带负荷运行 放 电容量接近 50 后再充电的方式 循环使用的蓄电池一般采用此种方式 电力 系统很少采用此种方式 只是在考核蓄电池容量时采用此种方式 首先将蓄电 池接人负荷 按 0 1C 放电 放电至允许终止电压时再按均充电方式恢复蓄电池 容量 4 快速充电方式 当蓄电池组因某种原因深度放电后 可通过快速充电方 式补充蓄电池容量 快速充电的电压可根据蓄电池的性能按均充电压值提高 0 7 V 单体 但应严格控制时间 一般不大于 12h 然后转为浮充方式 快速充电电 流应小于 0 5C 并控制蓄电池的工作温度不得高于 35 5 放电 阀控铅酸蓄电池的放电容量随放电电流 放电率 的变化而变化 放电电流小 蓄电池的放电容量就大 反之 蓄电池放电容量就小 由于深度 放电会直接影响蓄电池的使用寿命 因此运行中应避免发生蓄电池深度放电 并根据不同的放电电流确定放电终止电压 以保证蓄电池的放电终止电压 当 变电站充电装置因失去交流造成变电站蓄电池大电流放电时 变电站值班人员 应设法控制直流系统负荷 避免蓄电池长时间 大电流放电 另外 蓄电池放 电容量与环境温度有着密切关系 温度低 放电容量就小 反之 温度高 放 电容量就大 但过高的温度会严重损坏蓄电池使用寿命 蓄电池的最佳工作温 20 度为 20 25 蓄电池组正常应在浮充电方式下运行 即浮充电装置与蓄电池组并联在直 流母线上 浮充电装置承担经常负荷 同时以不大的电流向蓄电池浮充电 以 补偿自放电的损失 这种方式可以随时保证蓄电池组能在事故停电时的全容量 放电 2 5 3 蓄电池个数及终止电压的确定 1 个数确定原则 1 蓄电池组在正常浮充电方式下 直流母线电压应为直流系统额定电压的 105 其它运行方式下直流母线电压不应超出直流用电设备所允许的电压波动 范围 2 蓄电池的终止电压按各事故放电阶段应满足直流母线最低允许电压来确 定 2 蓄电池个数确定 以 DC220V 直流系统为例 1 正常浮充电方式下 n 1 05Un Uf 1 05 220 2 25 102 67 个 考虑有一点余量 可取 103 或 104 个 式中 Un 直流系统额定电压 V 取 220V Uf 蓄电池浮充电压 V 个 取 2 25V 个 2 均衡允电时 直流母线电压 U 103 2 4 247 20 875Un n 1 869V 取 1 87 V 21 式中 Um 每个电池的终止电压 V 个 目前在电力系统中较为普及的阀控密封铅酸蓄电池按单元电压分 2V 6V 12V 三种 根据计算 通常在 DC220V 系统中 蓄电池组的个数对于 单体 2V 的蓄电池只能选择在 103 或 104 个 但是大多数小型电力工程的 220V 直流系统的蓄电池均选用 200Ah 以下蓄电池 大多选用 12V 或 6V 组合体蓄电 池 采用 12V 蓄电池时所需要的个数 n 1 05Un Uf 1 05 220 6 2 25 17 11 个 式中 Un 为直流系统额定电 V 取 220 V 式中 Uf 蓄电池浮充电压 V 个 取 2 25 V 个 考虑有一点余量 取 n 为 18 个 2 5 4 蓄电池组数和放电回路 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计技术规程 第 4 3 2 条规定 220 500kV 变电所应装设不少于 2 组蓄电池 110kV 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 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计技术规程 中还规定到 每组蓄电 池均应设有专门的试验放电回路 试验设备 宜经隔离和保护电器直接与蓄电池 组出口回路并联 宜采用移动式设备 蓄电池长期处于浮充电状态运行时 容量会下降 是因为活性物质发生较 大的电化学变化所引起的 为保证蓄电池有足够的容量 方法是定期进行核对性 充放电对蓄电池活化和对容量进行核对 让电池内正极活性物质中保留较多的 Pb02 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 恢复电池的容量 确保蓄电池始终能运行在 90 以上的容量 满足当交 流事故停电时 发电厂事故停机和变电所的事故处理时直流负荷的需要 对于 已运行三年以上的电池 最好能每年进行一次核对性放电试验 放出额定容量的 22 30 40 每三年进行一次容量测试 放出额定容量 80 2 5 5 蓄电池容量选择 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 经常性负 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 通讯信号 事故负荷是指变电站在全所停电后 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 通讯备用电源等负荷 冲击负荷是指极短的时间内施加的很大的负荷电流 在 35 220kV 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 据上述三种直流负荷统计 可 计算出事故状态下变电站内直流持续放电容量 关于蓄电池放电时间在 DL T5044 2004 电力工程直流系统设计规程 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 1h 计算 无人值班变 电所 全所交流事故停电时间按 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 1h 但对事故照明负荷可按 1h 小时 计算 因为事故照明可采用维修人员手投方式 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点的电压水平 并能再次承受冲击负荷 蓄电池 容量还应考虑适当的裕度 根据据算 目前的 220kV 的变电站 直流系统额定电压取 220V 蓄电池选择 两组时 蓄电池容量一般为 300 400Ah 110kV 变电站 直流系统额定电压取 220V 蓄电池选择一组时 蓄电池容量一般为 100 200Ah 35kV 变电站 直流系统 额定电压取 220V 蓄电池选择一组时 蓄电池的容量一般为 100Ah 2 6 监控装置 2 6 1 直流系统监控装置的发展和现状 电力系统的直流系统是供给操作 继电保护 动力设备使用的电源 其运行 23 情况的好坏直接影响发电厂和变电站所能否正常运行 变电站的直流系统 是继 电保护 自动装置和断路器正确动作的基本保证 其稳定运行对防止系统破坏 事故扩大和设备严重损坏至为重要 如何加强对直流系统运行监视和故障的分 析 并采取相应对策 是电力系统需要解决的问题 过去 电力系统的各个变电站都有人值守 可以对直流设备的运行状态进行定 期检查 因而可以及时发现并处理其出现的异常现象 保证变电站的安全稳定运行 目前 电力系统推广无人值班变电站 虽然调度中心可以通过远动通道获取变电站 运行情况的实时信息 但是对于直流部分只能得到少量的重要信息 它不能反映 直流系统运行的详细信息 特别是它不能发现系统刚刚开始出现异常运行的情况 直到长期异常运行发展为故障时才上发调度 此时 事故已经开始扩大 如果能在 异常现象刚出现时就及时发现并及时处理 就可以避免异常情况扩大 所以需要 设备维护人员对其进行定期检查 此外 对直流设备运行的控制也是由维修人员 进行现场操作的 变电站多 维护人员少 显然无法保证按期按量完成 在这种情 况下 直流监控系统应运而生 它的主要作用就是把各个变电站的直流设备信息 送到监控中心 供其查询 同时监控中心也可以向各站发送控制命令 这样 维护 人员不但可以在监控中心对直流设备进行远方监控 还可以及时发现设备运行的 不正常状态 及时处理 而不等其发展演变成事故 所以 直流监控系统的建立 可 以节省人力物力 提高工作效率 电力操作电源由传统的相控电源逐步向模块化 的高频开关电源转变 监控方面 随着控制技术 微处理技术和通信技术的发展 电 力操作电