电力系统继电保护与二次回路课件 第9章 操作电源

操作电源

操作电源概述蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统设备选择操作电源的作用图1变电所操作电源图片9.1操作电源概述在一次设备正常运行时，操作电源为控制回路（断路器的控制回路和隔离开关的控制回路）、信号回路、自动重合闸装置等设备供电；在一次设备故障时，操作电源为保护回路、信号设备、控制回路等供电，以保证它们能可靠地动作。对操作电源的要求图1变电所操作电源图片9.1操作电源概述1）操作电源系统必须充分可靠，一般应设独立的直流电源系统，以确保在交流系统故障时也能对重要用电设备不间断供电。3）纹波系数小于5%。4）使用寿命长，维护工作量小，设备投资省，噪声干扰小，布置面积小。2）应具备足够的容量，以保证在正常情况下，操作电源母线电压波动范围小于额定值；事故情况下不低于额定值的90%；失去浮充电源后，在最大负载下的直流电压不低于80%额定值。操作电源的分类9.1操作电源概述按电源性质分交流操作电源直流操作电源独立操作电源非独立操作电源蓄电池直流电源电源变换式直流电源复式整流直流电源硅整流电容储能直流电源按电压等级分220V110V48V24V用于强电回路用于弱电回路9.1操作电源概述复式整流直流操作电源图9-1复式整流操作电源复式整流操作电源由厂用变压器T、电流互感器TA供电。正常运行时，由厂用变压器T的输出电压经整流装置U1提供控制电源。事故情况下，由电流互感器TA的二次电流，通过铁磁谐振稳压器V变换为交流电压，再经整流装置U2提供操作电源。9.1操作电源概述硅整流电容储能操作电源图9-2硅整流电容储能操作电源硅整流电容储能操作电源通常由两组整流器U1和U2、两组储能电容器C1和C2及相关的开关、电阻、二极管、熔断器、继电器等组成。9.1操作电源概述图9-2硅整流电容储能操作电源图9-2中，I母为合闸母线，II母为控制母线，向保护、控制和信号回路供电。在I母和II母之间用电阻R1和二极管VD3隔开。VD3用来防止断路器合闸或合闸母线故障时，整流装置U2向合闸母线侧供电，造成U2过电流被烧坏，从而保证控制、信号和保护电源可靠工作。电阻R1的作用是控制信号母线侧短路时能限制流过VD3的电流。在220V直流系统中，R1一般选10VD3一般选20A。，9.1操作电源概述图9-2硅整流电容储能操作电源二整流器U1向I母线供电，也兼向II母线供电。由于I母线的合闸功率较大，所以整流器U1采用三相桥式整流电路，并利用隔离变压器T1的二次抽头，实现电压调整，以保证I母电压为220V，同时T1也起到了交流、直流的隔离作用。9.1操作电源概述图9-2硅整流电容储能操作电源整流器U2仅向II母供电，采用单相桥式整流电路，通过调整隔离变压器T2的二次抽头，保证II母上的电压为220V。在整流器U2的输出端串有限流电阻R，用于保护整流器U2；装有低电压继电器KV，当U2输出电压降低到一定程度或消失时，由低电压继电器KV发出预告信号；串有隔离二极管VD4，用于防止U2输出电压消失后，由I母向低电压继电器KV供电。9.1操作电源概述图9-2硅整流电容储能操作电源FU1和FU2为快速熔断器，作为U1和U2的短路保护，在熔断时间上与馈线上的熔断器相配合。在正常情况下，I母、II母上的直流负载由整流器U1和整流器U2供电，并给储能电容器C1和C2充电，即C1和C2处于浮充电状态。9.1操作电源概述图9-2硅整流电容储能操作电源在事故情况下，电容器C1和C2所储存的电能作为继电保护和断路器跳闸回路的直流电源。其中C1向6-10kV馈线保护及其跳闸回路供电；另一组C2向主变压器保护、电源进线保护及其跳闸回路供电。这样，当6-10kV馈线上发生故障，继电保护虽然动作，但因断路器操动机构失灵而不能跳闸时，使上一级后备保护动作，仍可利用电容器C2储存的能量将故障切除。C1和C2充电回路二极管VD1和VD2用来防止事故情况下，电容器C1和C2向接于II母上的其他回路供电。9.1操作电源概述交流不间断电源系统图9-4UPS系统原理接线交流不间断电源系统UPS在系统正常、异常和供电中断情况下，均能向重要用电设备及系统提供安全、可靠、稳定、不间断的交流电源。所以，它已成为变电站通信、监控系统、应急照明等不能中断供电的重要负荷不可缺少的供电装置。UPS系统由三路输入电源，其中两路为相互独立的三相交流电源，第三路是自带蓄电池组提供的直流电源，输出为单相交流电。由静态整流逆变装置、隔离变压器、静态开关、手动旁路开关等设备组成。9.1操作电源概述交流不间断电源系统图9-4UPS系统原理接线正常运行时，刀开关QK1合上，熔断器FU1装上，电网三相交流电源通过静态整流逆变装置后，再经静态开关A向UPS配电屏供电，输出220V单相交流电压。自带的蓄电池组直流电源刀开关QK2合上，熔断器FU2装上，直流电源处于备用状态；旁路电源刀开关QK3合上，熔断器FU3装上，旁路电源、静态开关B手动旁路开关处于备用状态。9.1操作电源概述交流不间断电源系统图9-4UPS系统原理接线电网三相交流电源或整流装置故障时，由自带的蓄电池组直流电源供电，直流电源回路采用逻辑二极管控制直流电源的投入或停用。当整流装置自动退出运行后，逻辑二极管能自动将UPS的电源切换至自带的蓄电池组直流电源，经过逆变器转换后，保持UPS母线供电不中断，当电网三相交流电源及整流装置恢复正常时，UPS又自动恢复正常运行方式。9.1操作电源概述交流不间断电源系统图9-4UPS系统原理接线当UPS装置需要检修而退出运行时，第三路电源经过静态开关B直接向UPS配电屏供电，如果静态开关故障，第三路电源经过手动旁路开关向UPS配电屏供电，UPS检修完毕，或静态开关A故障处理完毕，退出第三路电源供电，恢复正常运行方式。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组直流电源系统主要由蓄电池组、充电装置、直流断路器、电缆、浮充电设备、熔断器、直流母线、投切开关、测量表计等设备组成。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组GB由不参加调节的基本蓄电池和参加调节的端电池

两部分组成。采用端电池的目的是调节蓄电池的接入数目，以保证母线电压稳定。根据电极和电解液的不同，蓄电池可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两种。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图硅整流器U1为充电装置，充电装置分高频开关电源模块型充电装置和相控式充电装置。一组蓄电池采用相控式充电装置时，一般配置2套充电装置。如果采用高频开关电源模块型充电装置，可以配置1套充电装置。在充电过程中，除了向畜电池组提供电源外，还可以负担母线上的全部直流负载。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图直流断路器具有瞬时电流速断和反时限过电流保护，当不满足选择性时，可增加短延时电流速断保护。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图直流电源系统明敷电缆时要选用耐火电缆或阻燃电缆，控制和保护回路直流电缆L1要选用屏蔽电缆，蓄电池引出线采用电缆L2时一般采用单芯电力电缆。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式蓄电池组直流电源系统构成图9-5蓄电池直流系统原理接线图整流器U2为浮充电设备。它在浮充电过程中，除了带母线上的经常性直流负载外，同时以不大的电流向畜电池浮充电，用以补偿电池的自放电损耗，使蓄电池经常处于充满电状态。在其出口回路装有电压表PV3和电流表PA4，用以监视端电压和浮充电流。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组直流电源系统运行方式在充电——放电运行时，不再考虑浮充电设备。充电开始，首先将双投开关QK3合至充电位置，即触点2——3和5——6接通，QK1也处于合闸位置，充电装置U1与蓄电池并联，同时带母线上的全部直流负载。随着充电的进行，端电池调整器调节接入母线的蓄电池数目。充电完成后，充电装置U1退出，即QK3断开，已充好电的蓄电池带全部直流负载，正常运行处于放电状态。为了保证操作电源供电的可靠性，当蓄电池放电到一定程度时，应及时充电，故称为充电——放电运行方式。通常，每运行1-2昼夜就要充电一次。可见，充电——放电运行方式操作频繁，蓄电池容易老化，极板也容易损坏，所以，这种运行方式很少采用。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组直流电源系统运行方式浮充电运行方式：充电时还是充电装置U1给蓄电池GB充电，蓄电池GB充好电后，充电装置U1退出，充好电的蓄电池GB与浮充电装置U2并联运行，即浮充电装置U2带母线上经常性负载，同时向蓄电池GB浮充电，使蓄电池经常处于充满电的状态，以承担短时的冲击负载。浮充电运行方式既提高了直流系统供电的可靠性，又提高了蓄电池的使用寿命，所以得到广泛应用。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组直流电源系统运行方式蓄电池按浮充电方式运行，大大减少了充电次数，平时每个月只进行一次充电，每三个月进行一次核对性放电，放电完了，应进行一次均衡充电，这是为了避免由于浮充电流控制不准确，造成硫酸铅沉淀在极板上，影响蓄电池的输出容量和降低其使用寿命。9.2蓄电池组直流电源系统构成及运行方式图9-5蓄电池直流系统原理接线图蓄电池组直流电源系统运行方式浮充电装置U2回路中装有双投开关QK4，可使U2向母线和蓄电池组进行充电，在其出口处还装有电流表PA4和电压表PV3，以监视其浮充的电流和电压值。蓄电池组回路接有熔断器，作为短路保护。电流表PA1为-5A-0A-5A式，用以测量充电和放电电流。电流表PA2正常被短接，当测量浮充电电流时，可利用按钮SB使接触器KM的触点断开后测量。电压表PV1用来监视蓄电池组的电压。9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择1.蓄电池个数的选择蓄电池组在正常浮充电运行方式下，直流母线电压应为直流系统额定电压的105%，故蓄电池个数应按下式计算：式中：——蓄电池个数；——直流电源系统标称电压；——单体蓄电池浮充电电压。9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择2.蓄电池充电电压的选择

蓄电池充电时电压不能超过一定值，充电电压太高会损坏蓄电池。均衡充电电压比浮充电电压要大一些，故蓄电池充电电压按均衡充电电压选择。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。1）对于控制负荷和控制、动力混合负荷，单体蓄电池均衡充电电压值为：2）对于动力负荷，单体蓄电池均衡充电电压值为：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择3.蓄电池放电终止电压的选择蓄电池放电时电压不能低于一定值，放电电压太低也会损坏蓄电池。根据蓄电池个数及直流母线电压允许的最低值选择单体蓄电池事故放电末期终止电压，即4.蓄电池容量的选择蓄电池容量选择时应满足以下几个条件：1)应满足全站事故停电时间内的放电容量（有人值班的变电站，全站交流电源事故停电时间按1h计算，无人值班的变电站，全站交流电源事故停电时间按2h计算）；2）应满足事故初期1min冲击负荷电流的放电容量；3）应满足蓄电池组持续放电时间内随机5s冲击负荷电流的放电容量；9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择蓄电池容量选择的计算采用阶梯计算法时，计算方法如下：1）按事故放电时间分别统计事故放电电流，确定负荷曲线；2）根据蓄电池的型式、放电终止电压和放电时间，确定相应的容量换算系数Kc。3）根据事故放电电流，按事故放电阶段逐段进行容量计算。当有随机5s冲击负荷时，应叠加在第一阶段以外的计算容量最大的放电阶段，然后与第一阶段计算容量比较后取较大者。4）选取与计算容量最大值接近的蓄电池标称容量C10，作为蓄电池的选择容量。第一阶段计算容量：第二阶段计算容量：第三阶段计算容量：第n阶段计算容量：随机负荷计算容量（5s）：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择【例题9-2】某无人值守110kV变电站，直流系统标称电压为220V，采用直流控制与动力负荷合并供电，蓄电池采用阀控式密封铅酸蓄电池（贫液），单体2V，放电终止电压取1.85V。请问：直流系统负荷曲线如图9-6所示，随机冲击负荷电流5A，采用阶梯计算法计算蓄电池10h放电率计算容量。图9-6直流系统负荷曲线【解】依据电力工程直流电源系统设计技术规程DL/T5044-2014，附录C的表C.3.3的内容，摘录如表9-1：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择放电终止电压v不同放电时间Kc值5s1min29min0.5h59min1h89min1.5h119min2h1.751.5401.5301.0000.9840.6200.6150.4820.4790.3900.3871.801.4501.4300.9200.9000.6000.5980.4760.4720.3770.3741.831.3801.3300.8430.8230.5700.5650.4580.4550.3600.3571.851.3401.2400.8000.7800.5580.5400.4320.4280.3470.3441.871.2701.1800.7640.7550.5480.5200.4130.4080.3360.3341.901.1901.1200.6850.6760.4950.4900.3830.3810.3230.321表9-1阀控式密封铅酸蓄电池（贫液）（单体2v）的容量换算系数查表9-1阀控式密封铅酸蓄电池的容量换算系数，由放电终止电压1.85V确定第四行，查1min对应列，从而确定第一阶段计算容量：119分钟对应列确定9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择查表9-1阀控式密封铅酸蓄电池的容量换算系数，由放电终止电压1.85V确定第四行，第二阶段截止时间为2小时，查2小时对应列，从而确定第二阶段计算容量：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择蓄电池的选择查表9-1阀控式密封铅酸蓄电池的容量换算系数，由放电终止电压1.85V确定第四行，5s对应列，从而确定随机负荷计算容量（5s）：蓄电池容量为：

蓄电池标称容量有100Ah,200Ah,300Ah,400Ah,500Ah,600Ah等。因此在此可取蓄电池标称容量200Ah。9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择1.充电装置额定电流的选择充电装置额定电流的选择要考虑经常性负荷，故先将直流负荷的分类简单介绍如下：直流负荷按负荷性质分为经常性负荷、事故性负荷和冲击负荷。经常性负荷指在各种工况下均应可靠供电的负荷，包括经常带电的继电器、信号灯、位置指示器、光字牌、各类信号报警器、继电保护和自动装置、直流照明、逆变器等。事故负荷指在交流电源事故停电时间内可靠供电的负荷，包括事故照明、不间断电源设备、通信备用电源、信号和继电保护装置等。冲击负荷指在极短的时间内施加的很大的负荷电流，如断路器的跳、合闸电流等。9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择1.充电装置额定电流的选择应满足蓄电池均衡充电要求，蓄电池充电时仍对经常负荷供电，均衡充电输出电流应按下式计算：铅酸蓄电池：镉镍碱性蓄电池：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择2.充电装置输出电压的选择充电装置输出电压的选择应按下式计算：式中：——充电装置的额定电压，V；——充电末期单体蓄电池电压（V），固定型排气式铅酸蓄电池为2.70V；阀控式铅酸蓄电池为2.40V，镉镍碱性蓄电池为1.70V。——蓄电池组单体个数。9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择3.充电装置整流模块数量的选择充电装置如果采用高频开关电源模块型充电装置，每组蓄电池可配置一组高频开关电源模块，模块的数量应按下式计算：

基本模块数量应按下式计算：

附加模块按下式确定：9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择【例题9-3】某无人值守110kV变电站，直流系统标称电压为220V，采用直流控制和动力负荷合并供电，蓄电池采用阀控式密封铅酸蓄电池（贫液），单体2V，放电终止电压取1.85V，电池相关参数参见《电力工程直流电源系统设计技术规程》DL/T5044-2014附录，系统直流负荷统计如下，控制与保护装置容量5kW，断路器跳闸装置容量6.8kW，恢复供电重合闸装置容量0.3kW，事故照明装置容量6kW，变换装置容量5kW，充电装置采用一组单个模块电流为10A的高频开关电源，充电时蓄电池与直流母线不脱开，蓄电池容量为200Ah，请计算充电装置的额定电流和所需的模块数量。【解】计算充电装置的额定电流需要用到式（9-12），式（9-12）中有两个参数需要确定，一个是铅酸蓄电池10h放电率电流另一个是直流电源系统经常负荷电流依据可以推导出铅酸蓄电池10h放电率电流9.3蓄电池组直流电源系统设备选择充电装置的选择将题目中告知的五类负荷进行分类；控制与保护为经常负荷，断路器跳闸为冲击负荷，恢复供电为事故负荷，事故照明为事故负荷，变换装置为经常负荷。已知装置容量求计算电流时，还要查询负荷系数，负荷系数如表