变电站直流系统设计(2)

变电站直流系统设计(2) 变 电 站 直 流 系 统 设 计 摘要: 文章介绍了变电站的直流系统及其设计。变电站直流系统主要由蓄电池组、 充电装置、直流馈线屏、直流配电柜、直流电源监测装置、直流分支馈线等部 分组成，并由此形成一个庞大、遍布变电站的直流电源供电网络。它在全站都 停电的情况下，为继电器保护装置、自动装置、断路器跳合闸、事故照明、信 号系统、直流充电机、UPS、通信等提供安全、可靠的直流电源，通常提供2小 时供电，能确保事故处理快速进行。其中蓄电池的容量计算为设计的重点部分。 关键词:蓄电池、充电装置、UPS、直流通信 Abstract: This paper introduces the substation DC system and its design. SubstationDC system consists of battery, charging device, DC feeder screen, DC power distribution cabinets, DC power monitoring device, DC branch feeder and other components, which are formed by a large, all over the DC power supply substation network. It all stations in case of power failure, the relay protection devices, automatic device, circuit breaker, emergency lighting, signal systems, DC charger, UPS, communications, safe, reliable DC power, usually to provide 2 hours of electricity, to ensure that Accident quickly. Calculation in battery design capacity of key parts. Keywords: battery, charging device, UPS, DC communications 1 变 电 站 直 流 系 统 设 计 目录 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 第一章 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直流电源系统的重要性 „„„„„„„„„„„„„„„„5 第二章 直流系统接线„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.1对直流系统接线方式的基本要求„„„„„„„„„„„„„6 2.2 直流系统接线方式的分类„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3接线方式的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 第三章 直流系统电压„„„„„„„„„„„„„„„„„7 第四章 蓄电池选择及容量计算„„„„„„„„„„„„8 4.1蓄电池„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 4.2铅酸蓄电池的电气特性„„„„„„„„„„„„„„„„„9 4.3 阀控铅酸蓄电池的充电方式„„„„„„„„„„„„„„13 4.4 阀控铅酸蓄电池的选择„„„„„„„„„„„„„„„„15 第五章 直流充电模块的选择„„„„„„„„„„„„„23 5.1高频开关充电模块工作原理„„„„„„„„„„„„„„23 5.2充电装置高频开关电源充电模块数量选择„„„„„„„„25 第六章 UPS不停电电源的选择„„„„„„„„„„„„26 6.1 变电站设交流不间断电源的必要性„„„„„„„„„„„26 6.2 对UPS系统的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„27 2 变 电 站 直 流 系 统 设 计 6.3 变电所UPS的配置方式„„„„„„„„„„„„„„„„28 6.4 UPS的接线及工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„28 6.5 UPS的容量计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 6.6 UPS的型号选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 第七章 通信直流变换器的选择„„„„„„„„„„„„32 7.1 变电站通信电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32 7.2 通信直流变换器的作用„„„„„„„„„„„„„„„„32 7.3 对通信电源的特殊要求„„„„„„„„„„„„„„„„32 7.4 电力 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 通信用蓄电池容量计算„„„„„„„„„„„„33 7.5 电力工程通信专用蓄电池个数计算„„„„„„„„„„„33 第八章 直流系统中各自开关额定容量的选择„„„„„34 8.1直流断路器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 8.2 刀开关„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 8.3 断路器的额定电流„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 8.4 直流母线联络电器(隔离开关)„„„„„„„„„„„„36 8.5 断路器选择(经常负荷、UPS等均分两段母线)„„„„„„37 8.6 隔离开关的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 8.7 直流断路器的选择性校验„„„„„„„„„„„„„„„37 第九章 总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40 ,附:参考资料目录, 3 变 电 站 直 流 系 统 设 计 引言 为了给变电站中的控制电路、信号回路、保护电路、通信设备、自动装置、事故照明等供电，要求有可靠的直流电源。作为变电站中不可或缺的二次设备，直流系统的性能和质量直接影响到变电站乃至整个系统的稳定运行和设备安全。在电力工程中，由于直流电源系统设计不合理，设备选型不当或缺乏正确运行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、甚至造成人身伤亡等事故屡有发生，给电力系统和国家财产造成重大损失。所以要求电力系统设计对直流电源系统给予高度重视。 一般变电站的直流系统由充电浮充电装置、馈电装置、监控装置和蓄电池组构成。在很长一段时间内，我国电力系统使用的直流电源大部分采用相控电源，但相控电源纹波、高次谐波干扰较大，效率较低及体积庞大，监控系统不完善，难以满足综合自动化及无人值班变电站的要求。而高频开关电源具有稳压、稳流精度高、体积小、重量轻、效率高、输出纹波及谐波失真小、维护容易、噪音小、自动化程度高的优点。阀控式密封铅酸电池也由于无需补加水维护，体积小，比能量高，不腐蚀设备，不污染环境，安全可靠等优点。近年来，高频开关电源和阀控式密封铅酸电池成为现阶段变电站直流电源的必然选择。本文结合几年来110kV变电站直流系统的设计，选型及具体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行了分析和比较，并进行了优化、系统设计。 4 变 电 站 直 流 系 统 设 计 第一章 变电站直流系统功能、重要性论述 1、1 变电站直流系统 在变电站中，直流系统主要由蓄电池组、充电装置、直流馈线屏、直流配电柜、直流电源监测装置、直流分支馈线等部分组成，并由此形成一个庞大、遍布变电站的直流电源供电网络，为继电器保护装置、断路器跳合闸、信号系统、直流充电机、UPS、通信等等各个子系统提供安全、可靠的工作电源。 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。 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 直流系统的重要性 直流电源系统在变电站中具有以下几点重要作用: 5 变 电 站 直 流 系 统 设 计 (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。在变电站内由于被控制设备多，提高直流网络的安全可靠性至关重要。一个变电站的直流控制回路十分庞大，所以网络是否清晰和具有独立性亦十分重要。 (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。 第二章 直流系统的接线 2、1 直流系统接线的基本要求 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。 2、2接线方式简单分类 直流系统的接线方式分为有调压端电池接线方式和无调压端电池接线方式两类。前者由于运行维护麻烦，很少采用;后者多用于阀控密封式(即免维护)铅酸蓄电池直流系统。 6 变 电 站 直 流 系 统 设 计 无调压端电池接线方式有单母线和单母分段两种。 2、3 接线方式的选择 根据简单、经济、灵活等原则，以及考虑到运行的可靠性，采用单母分段接线方式。蓄电池和充电装置接在同一母线上。母线上只装设一套绝缘监察和电压监视装置(经切换开关接入)、一组蓄电池、配置两套充电装置，两套充电装置分别位于不同母线段上。充电装置模块采用N+1(N为模块计算数)。如下图所示: UPSU>UPSU>事故断路GIS事故断路GIS经常经常 <<经常经常照明器储能照明器储能 V V负荷负荷负荷负荷 AA mAmAmAVmA试验试验 1号充 1号充A 电装置 电装置 至交流 至交流380/220电源380/220电源mAmA 蓄电池组 图 1,1单母分段接线示意图 第三章 系统工作电压的确定 在变电站中，对于控制负荷来说，一般电流较小，宜采用110v，特别是中小型变电所。站内若无电动机负荷，目前断路器均采用液压或弹簧操动机构，合闸电流只有2A,5A，供电距离较短，主要是控制 7 变 电 站 直 流 系 统 设 计 负荷，更有条件采用110v。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，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。弱电控制和弱电信号接线系统，如微机监控系统和微机保护装置等，一般都是功率小，电流也小，所以宜采用48v及以下电压。综上所述，结合本变电站设计情况，为满足变电站内所有直流负荷的运行需要以及节省电缆的经济需要，确定电压等级为220v。 第四章 计算并选择蓄电池容 4、1 蓄电池 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。酸蓄电池按电解液不同可分为碱性蓄电池和酸性蓄电池，发电厂和变电站广泛应用的是防酸隔爆式、消氢式、阀控密封式(即免维护)铅酸蓄电池。 铅酸蓄电池正极板的活性物质式二氧化铅(PbO)，负极板的2 活性物质的绒状铅(Pb)，电解液为稀硫酸。放电时正极板的二氧化铅(PbO)、负极板的绒状铅(Pb)变为硫酸铅(PbSO)，电解液中24 8 变 电 站 直 流 系 统 设 计 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。 阀控电池采用吸液能力强的超细玻璃纤维材料作隔板，具有良好的干、湿态弹性，使较大的电解液全部被其贮存，而电池内无游离酸(贫液)，或者使用电解液与硅胶组合为触变胶体，正常充、放电运行状态下处于密封状态，电解液不泄漏，也不排放任何气体，不需要定期加水或酸，正常时极少维护。 阀控蓄电池是装有密封安全气阀的密封铅酸电池，是一种用气阀调节的非排气式电池，当电池在异常情况析出盈余气体，或过充电时产生的气体达到开阀压力时，经过节流阀泄放，随后减压关闭，它是单向的，不允许空气中的气体进入电池内。 阀控电池可分为单体式(2V)，200Ah及以下容量的电池可以组合成6V(3个2V单体电池组成)。和12V(6个2V单体电池组成)。 4、2 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示蓄电池的蓄电能力。充足电的蓄电池放电到 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 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 (1,1) 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可 9 变 电 站 直 流 系 统 设 计 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C10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C3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C1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,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。 0我国电力系统用温度在25C,10h率放出的容量C作为铅酸蓄电10 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Kcc表示 Ck, (1-2) ccC10 式中 C-任意时率放电的允许放电容量; C-蓄电池的额定容量。 10 10 变 电 站 直 流 系 统 设 计 (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1-2所示。 图1,2阀控电池不同倍率的放电特性曲线 从图1-2看出,蓄电池放电初期1h内的端压Upn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PbO2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1-2中I为10h率放电电流,可见5I-10I放电曲线比101010 11 变 电 站 直 流 系 统 设 计 1I-4I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1010 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Kch为 Ich, (1-3) KchI10 K式中 -冲击系数; ch I -冲击放电电流; ch I-10h率放电电流。 10 图1-3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系统的端电压,虚线为电池刚脱离浮充系统的电压。 12 变 电 站 直 流 系 统 设 计 图1,3贫液单体阀控式蓄电池持续放电1h冲击放电曲线 图1-3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1-3中可以看出,浮充电状态下放电断电压变化较慢,断开浮充电源立即放电端电压变化较快,而以1I电流持续放电下冲击放电10 电压变化更快,大放电率冲击放电端电压变化最快。 4、3 阀控铅酸蓄电池的充电方式 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 13 变 电 站 直 流 系 统 设 计 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)mA/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)IAh。 10 在配有监控模块的直流系统中,监控模块对电池可进行智能化管理。在正常充电状态时,监控模块自动记录均充和浮充的开始时刻,在上电(或复位)初始,如果监控模块发现均充过程尚未结束,则会继续进行限流均充;如果是处于恒压均充。状态,则继续进行恒压均充。在限流均充时,当充电电压达到恒压均充电压值的时候,会自动转入恒压均充。 在浮充情况下,若浮充电流大于设定值(转均充参考电流),或电池组剩余容量小于设定值(转均充容量比),则监控模块会自动控制模块进行均充.对电池进行均充时,充电电流应该是监控模块设置的限流值,此阶段为电流恒流充电阶段,电池的电压是随着时间增加而增大,当电池电压增大到一定值时,充电进入恒压阶段。在恒压阶段,充电电流不断减小,以充电电流减小,以充电电流减小到0.01CA(稳流10 14 变 电 站 直 流 系 统 设 计 均充电流,可设定)为计时点,3h(稳流均充时间,可设定)后恒压充电阶段结束,充电电压降低,转入浮充状态。至此充电过程完成。 如果没有准确的电池监测装置时，可选则采用定时均充方式，对定时均充的时间间隔及每次均充的时间进行设定。一旦设定电池电池管理程序就可自动机算电池定时均充的时间，以便确定在何时启动定时均充，何时停止定时均充，所有这些操作都是自动进行的，运行维护人员可在现场通过监控模块上的显示来明确这一过程。一般电池每隔30天均充一次，特殊情况必须根据电池说明书的实际情况设置。 4、4 阀控铅酸蓄电池的选择 (1)阀控铅酸蓄电池组电池个数的选择。蓄电池个数按以下条件选择。 1)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N为 1.05UN (1-4) N,Uf 式中 N,蓄电池个数; U ,直流系统的额定电压; N ,单体蓄电池的浮充电电压，阀控蓄电池浮充电电压为2.23Uf ,2.27V，一般取2.25。 2)直流系统取消端电池和降压装置以后，直流母线电压应校对在 15 变 电 站 直 流 系 统 设 计 均衡充电方式时，保证最高电压值不超过用电设备的最高允许电压。根据DL/T5044-1995《火力发电厂、变电站直流系统设计技术规定》， UU控制负荷的直流母线电压为110%，动力负荷为112.5,。此时NN蓄电池个数 (110~112.5)UN N, (1-5) Ubn U式中 ,单体蓄电池的均衡充电电压，阀控电池均衡充电压为2.3bn ,2.4V，一般取2.35V。 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UD不应低于蓄电池 U放电终止电压(1.75,1.8V)。根据有关规定，动力负荷母线允Z U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N U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，N 事故放电末期允许的最低端口电压值 U0.885NU (1,6) ,ZDN 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 U0.86NU (1,7) ,ZDN (2)蓄电池容量选择。 1)直流负荷的性质分类和要求。变电站直流系统负荷的分类和要求见表1,1。 16 变 电 站 直 流 系 统 设 计 表1,1 直流负荷的性质分类和要求 序负荷性负荷名称 正常状态 事故状态 号 质 用电电压允许变用电时事故末 U动范围() 时间 间 期电压 N 1 经常负控制、保护信号装置 长时65,,120, 长时间 70, U 荷 间 N 实验室 允许 允许间 间断断停电 停电 经常事故照明 长时95,,110, 长时间 80, U 间 N2 事故负UPS 长时间 85, U 荷 N 事故照明 长时间 85, U N 通信备用电源 长时间 85, U N 允许3 冲击负断路器合闸线圈 80,,110, 短时间 (80,计划 停荷 ,电、 短时85,)间 U N 17 变 电 站 直 流 系 统 设 计 2)用电压控制法选择蓄电池容量。 a.根据变电站的直流负荷特点，计算出事故停电时所需的蓄电池持续放电容量。 b.根据事故放电时间以及要求的蓄电池最低放电电压，将事故放电容量换算成蓄电池的额定容量，即是铅酸蓄电池10h率的放电容量 Csx (1,8) C,K10relKcc C式中,蓄电池10h放电率计算容量，Ah; 10 K ,可靠系数，取1.4; rel K ,事故全停状态下持续放电时间x(h)的放电容量; sx K ,容量系数。 cc K 容量系数是以额定容量C10为基准的放电容量的标么值。持续cc 放电时间和电池最低电压端电压值由图1,2可查得。 C,选择于计算容量相近并大于计算容量得制造厂 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 蓄电池容量作为选择容量。 d.在蓄电池可能出现得各种运行状态下，校验直流母线电压是否满足要求。 首先校验事故放电初期(1min)承受冲击放电电流时蓄电池所能保持的电压 Ich0K,1.10 (1,9) ch0I10 I式中,事故放电初期(1min)冲击放电电流值，A; ch0 18 变 电 站 直 流 系 统 设 计 K ,事故放电初期(1min)冲击放电系数; ch0 I ,蓄电池10h放电率标称电流，A。 10 K计算出的在图1,4中的“0”曲线查出的单体电池放电电压值ch0 U，计算蓄电池组出口端电压U为 chD U,NU (1-10) Dch 式中 ,蓄电池组的单体电池个数; N U ,承受冲击放电时的单体电池的放电电压，V。 ch 然后校验任意事故放电阶段末期，承受冲击放电电流时，蓄电池所能保持的电压。由 CsxK,1.10 (1,11) mtI10 IchxK,1.10 (1,12) chxI10 K式中 ,任意事故放电阶段，10h放电率电流倍数，即放电系数; m C -x事故放电容量; sx x,任意事故放电阶段时间，h; t,事故放电时间，h; K ,x事故放电末期冲击放电系数; chx I ,x事故放电末期冲击放电电流值，A; chx KK 计算出的放电系数和冲击放电系数，在图1,3中可根据mchxKIKK值查出相应的曲线，在该曲线上再用值(图1,3中)查m10chxch UU，计算蓄电池组出口端电压为 出单体电流放电电压值chD 19 变 电 站 直 流 系 统 设 计 U,NU (1,13) Dch 式中,在任意事故放电阶段的蓄电池组出口端电压，V; UD U ,在任意事故放电阶段的单体电池放电电压，V。 ch 由式(1,10)和式(1,13)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。 现在计算设计任务书变电站直流系统的蓄电池容量。 表1,2 110KV变电站220V直流负荷统计表 序号 负荷名称 计算计算经常事故放电时间电流随机 容量 电流电流(A) 或事 (A) (A 故末初期 1,60, 期0,60min 120min (A) 1min 1 经常负荷 3.3kw 15 15 15 15 15 2 远动装置 2kw 9.1 9.1 9.1 9.1 3 事故照明3kw 13.6 13.6 13.6 电源 4 断路器合 4.8 4.8 闸 断路器跳 5 8 8 闸 20 变 电 站 直 流 系 统 设 计 110KVGIS6 1.6 1.6 储能 7 10KV开关 3.2 3.2 柜储能 III,I,8 电流统计 15 chxch032 (A) ,37.7 37.7 , 24.1 17.6 9 容量统计 37.7 37.7 (A) CC,,10 容量累计 al`sx (Ah) 37.7 75.4 解:(1)根据式(1,4)计算蓄电池个数 1.05U1.05，220N ==102.6 取整数103 N=103+1=104个。 N,2.25Uf (2)根据式(1,7)计算蓄电池放电最低端电压 0.86U0.86，220NU,,,1.82(V) ZDN104 满足大于蓄电池终止电压1.8V的要求。 (3)蓄电池容量。由事故持续2h及放电到最低电压1.82V查图1,2 K得,0.73 所以 cc C75.4sxC,K,1.40，,144.6(Ah) crelK0.73cc 21 变 电 站 直 流 系 统 设 计 C选择蓄电池得额定容量,150Ah。 10 (4)电压校验。 1)校验事故初期(1min)承受冲击放电电流时蓄电池所能保持得电压，根据 I24.1ch0K,1.10,1.10，,1.17 ch0I1510 U查图1,3的“0”曲线得到单体电池电压值,2.1V ch U,NUU即,104×2.1,218.4(V)，为额定电压的99.2%，因此， DchN蓄电池端至直流母线的允许压降为 218.4,220，85% ，100%,14.2%220 1)校验事故放电末期(2h)承受冲击放电电流时蓄电池所能保持的电压，根据 C75.4sxK,1.10,1.10，,2.7 mtI2，1510 I17.6chxK,1.10,1.10，,1.29 chxI1510 KKIIU查图1,3中，由,2.7和,1.29查得单体电池电压值,chxm1010ch U,NU,104，1.93,200.1(V)U1.93V，即,为额定电压的91,。因此DchN蓄电池端至母线端的允许压降为 200.1,220，85% ，100%,6%220 综上:经校验所选蓄电池个数和容量符合直流系统的运行要求。 第五章 高频开关电源充电模块 22 变 电 站 直 流 系 统 设 计 5(1高频开关充电模块工作原理 高频开关充电模块原理框图如图1-4所示，模块由交流输入滤波、整流单元、高频逆变单元(DC/AC)、直流输出滤波、PWM脉宽调制单元和监控单元等组成。 如图1-4 高频开关充电模块原理框图 图1-9 高频开关充电模块原理框图 交流电输入到模块后首先进入输入滤波电路，去除交流电上的干扰，然后经过全波整流电路交换成高压直流电(500V左右)，再由DC/AC高频逆变电路变换成20KHz可调脉宽的高频脉冲电，经过主功率变压器的降压，再由高频整流电路整流成直流电，最后经过滤波处理输出稳定的直流电。 PWM脉宽调制电路根据输入交流电、输出直流电和负载的变化情 23 变 电 站 直 流 系 统 设 计 况，自动调节高频开关的脉冲宽度，使输出电压稳定在允许的范围内。同时PWM脉宽调制电路执行监控单元的控制信号。交流检测电路检测输入交流电的情况，如果交流电异常，它立即送出控制信号关闭脉宽调制电路，同时将异常信息送监控单元处理和显示。 前馈信号试试跟踪交流电的变化，并将变化信息送PWM脉宽调制电路，使它能及时根据输入交流电调整输出电压，提高模块的响应速度。 直流检测电路检测输出直流电的变化，将电压和电流信息反馈到监控单元和脉宽调制电路。如果直流电出现异常，它立即送出控制信号给脉宽调制电路，并将异常信息送监控单元处理和显示。 监控单元一方面采集充电模块工作状态和参数，将这些信息通过串口上送SCADA/DCS,同时在面板上显示输出电压和电流;另一方面接受SCADA/DCS或面板控制开关的指令，对充电模块进行控制:开、关机、均、浮充转换，限流点设置，输出电压调整。 模块面板上有控制开关、状态指示灯和数码管显示，它们是充电模块与人交流的窗口，显示充电模块的输出电压或电流值，指示均、浮充状态和各种保护告警状态。通过控制开关来设置、控制充电模块的工作方式和地址，调整其输出电压。 充电模块的外部发生短路时，充电模块能自动降低输出电压和电流，使输出电流限制在4A左右。该特性可以有限防止外部事故损坏充电模块和事故的进一步扩大。 24 变 电 站 直 流 系 统 设 计 充电模块的输出电压一旦超过充电模块内部设置的过压保护点，充电模块便自动关机，锁死输出，只有重新开机才能启动输出。因为过电压可能会损坏用电设备，所以一旦发生过电压，应该检查过压的原因并排除故障后，才能重新开机。 多个充电模块并机运行时，负载不均衡而影响充电模块的使用寿命。为了均衡它们之间的负载，充电模块内部设计了自动军刘电路。5、2充电装置高频开关电源充电模块数量选择 高频开关电源充电模块额定电流有多种规格，220V有5、10、15、20、25、30、40A。充电装置由多个模块并联组成，一般采用N+1备份冗余方式，这是因为一个模块故障不影响整组充电设备的正常工作。 充电模块数量与充电装置输出电流有关，充电装置最大输出电流I满足均衡充电和直流系统经常符合的供电要求。 c 本变电站设计配置一组蓄电池和两套充电装置，两套充电装置的容量相同。则有 I,I,K(1.0~1.25)I (1-14) C1c2rel10 I1C,,NN (1-15)12IN N,N，n (1-16) 1 I,I,式中 每组充电装置的计算电流; c1c2 N,N, 电源充电模块数量; 12 I, 电源充电模块额定电流; N 25 变 电 站 直 流 系 统 设 计 n-电源模块冗余量，一般模块少于或等于6块时，n=1;大于6块时，n=2。 据以上公式，得 I,I,K(1.0~1.25)I=1.4×1.2×15=25.2 C1c2rel10 I25.21C,,NN= 取整数3 ,2.5212I10N N,N，n=3+1=4 1 即两套充电装置中，每套充电的充电模块数为4。 第六章 UPS不停电电源的选择 6、1 变电站设交流不断电电源的必要性 交流不间断电源系统的英文缩写为UPS(Uninterrupted power supply)，以下简称为UPS系统。在现代变电所二次系统中越来越多的采用由静态电路构成的设备。如变电站的计算机监控装置、远动装置装置、微机保护、各种变送器、脉冲电度表等等。这些设备对交流工作电源的质量和供电联系性要求都很高。例如，标准计算机要求电源在下列范围内变化:电压在?2%，频率在?1%，波形失真不大于5min。目前变电站的所用电系统提供的380/220交流电源，不能满足这一要求。因此，在现代大中型变电站中应设有不间断电源系统(UPS)，供计算机及其他静态电路构成的设备之用。由UPS提供交流电源，还能使这些装置与变电站的所用电系统隔离，防止所用电系统的暂态干扰，侵入到电子回路。 26 变 电 站 直 流 系 统 设 计 6.2 对UPS系统的基本要求 (1)保证在变电所正常运行和事故停电状态下为电子计算机,自动化仪表,继电保护等设备,提供不间断的交流电源. (2)在变电所全停电的情况下,UPS满负荷,连续供电的时间不得少于半小时. (3)UPS的负荷侧与其交流电源间应设有抗干扰的隔离措施,防止所用电系统的暂态干扰进入负荷侧. ，10(4)在输入到UPS的变电所交流电压为380V%、频率为_5 ,50Hz2Hz的条件下，输出的各项技术指标满足以下要求。 ,1)电压稳定度:输出电压为单相、双线、220V，稳态时不大于2%;暂态过程中不大于10%。 2)频率稳定度:输出额定频率为50Hz，稳定度要求，稳态时不大 ,于1%;暂态过程中不大于2%。 3)波形失真度:输出电压为正弦波，总的波形失真度不大于5%。 4)过载能力:逆变器过载能力，125%，10min;150%，10s;静态开关过载能力，1000%，40ms。 5)备用电源切换时间不大于5ms。 (5)UPS装置内应配置备有效的过电流保护、过电压保护、指示仪表、就地信号和远方信号的空触点。 0OC(6)UPS装置屏应密封、防尘、防潮、通风，适应0-40室温下 27 变 电 站 直 流 系 统 设 计 连续满负荷运行。 (7)UPS装置屏应有良好的电磁屏蔽措施，防止外界电场对电子元件的干扰。整个装置的噪声不大于60dB。 6、3 变电所UPS的配置方式 变电所的UPS配置方式有分散和集中两种。(1)分散配置，就是根据需要，变电所的计算机监控装置、远东装置、自动化仪表、继电保护等分别设置小容量的UPS，各种装置的UPS之间没有联系;(2)集中配置，就是全所设一套公用的UPS，为所有设备提供不间断的交流电源。这两种配置方式，在实际工程中都有应用。 分散配置的缺点是:(1)UPS供电的可靠性不高;(2)小容量(2KW以下)的UPS往往内部自备蓄电池，事故时一般只能保证15min全负荷的供电，不能满足事故供电0.5h的要求;(3)互为备用性差。 集中配置UPS其容量较大，直流电源可由变电所的直流系统供电。UPS系统可采用可靠性高的接线方式。对UPS系统的各项技术要求容易满足，整体的可靠性较高。但集中配置的UPS系统接线复杂。投资较大。 采用哪种配置方式要视工程的具体情况而定。一般情况下，对220KV变电所UPS负荷较大，宜设置全所集中公用的大容量UPS系统，并按双重化原则配置。 6(4 UPS的接线方式及工作原理 本次设计的变电所为110KV的电压等级，直流负荷符合一般情况， 28 变 电 站 直 流 系 统 设 计 所以UPS采用分散的配置方式。接线图如下所示 图1-5 UPS的接线图采用单一交流输入方式 交流输入 整流器 逆变器 图1-5单机电源系统接线结构图 (1)UPS工作于交流电的正常工作状态。 交流电经输入隔离变压器进行隔离变换后，送到EMI滤波器输入端滤除交流电送来的杂讯干扰。滤波器的输出送到整流器的输入端上，经整流滤波以后将交流电变成平整的直流电作为逆变器的能量输入源，逆变器在控制驱动下将整流器送来的直流电变成电压、频率稳定的纯正正弦波输出到静态开关，由静态开关将优质电源送到输出点EMI滤波器，由EMI率比起滤除干扰后送到负载端，为负载提供高品质的交流电源。同时，直流屏的直流能量送到隔离二极管正极，由于整流滤波电路输出的电压高于此电压，所以隔离二极管处于截止状态，直流送来的能量处于备用状态。 j(2)交流电故障时，UPS工作于直流供电状态。 29 变 电 站 直 流 系 统 设 计 当交流电出现故障时，整流器输出直流电压低于直流输入端送来的直流电压，逆止二极管导通，直流能量送到逆变器输入端，在控制驱动下将直流端送来的直流电变成电压、频率稳定的纯正正弦波输出到静态开关，由静态开关将优质电源送到输出点EMI滤波器，由EMI率比起滤除干扰后送到负载端，为负载提供高品质的交流电源。 (3)机器过载、过温、或逆变器故障时，UPS工作于旁路状态。 此时交流电直接送到静态开关上，由静态开关送出后经输出EMI滤波器滤除干扰后送到负载端，为负载供电。当机器过载、过温或逆变器故障时都将工作于旁路状态，机器此时输出的只是经滤波器滤波后的无稳压、稳频处理的普通交流电。 综上所述:电力专用UPS的电源取自站内交流母线和蓄电池直流电。平时用交流电供电，当交流电出现故障时由直流提供能量。因此，只要电力专用UPS电源的交流输入和直流输入有一路供电正常，电力专用UPS就可输出高品质交流电源为负载提供可靠的供电。 6、5 UPS的容量选择计算 UPS的额定容量通常是指逆变器交流输出地视在功率(KVA)，而在负荷统计时，对电器负荷提出的是电流或消耗功率，一般不分静态或动态负荷，这些负荷要求UPS在静态或动态的状态下，都能提供满足稳压和稳频精度以及波形失真度要求的电流和电压。 所以，在选择UPS额定容量时，除要按负荷的视在功率计算外，还要计及动态(按负荷从0-100%突变)稳压和稳频精度的要求，以及 30 变 电 站 直 流 系 统 设 计 温度的变化，蓄电池端电压下降和设计冗余要求等因素的影响。 P,S,K (1-17) crelcos, K,KKKK式中 = 1.33~1.530relidta K-动态稳定系数，取1.1-1.15; i K-直流电压下降系数，取1.1; d K-温度补偿系数，取1.05-1.1; t K-设备老化系数及设计裕度系数，取1.05-1.1; a P-全部负载的功率(计算)(KW); , cos,-负载功率因素，0.7-0.8(滞后)。 据以上公式和分析计算所设计变电站的UPS容量 据式1-17得 P2, S,K,1.33，,3.3KVAcrelcos,0.8 6、6 UPS的型号选择 据分析和计算情况，结合《电力专用不间断电源》 本变电站设计所选用的UPS型号为: SWA-4000R/DC220 型号说明: 容量:4KVA; 直流输入电压220V; 架构:机架式; 尺寸:483*420*352。 第七章 通信直流变换器的选择 31 变 电 站 直 流 系 统 设 计 7、1 变电站通信电源 变电所必须装设可靠地通信直流电源系统，以确保通信设备的不间断供电，尤其要保证变电所发生事故时的不间断通信供电。设置通信专用的蓄电池组或由交流不停电电源供电。相同直流供电电压的通信设备宜由同一组蓄电池供电。 通信直流电源，宜采用整流器向蓄电池组浮充电方式供电。 7、2 通信直流变换器的作用 通信直流变换器可将直流(220VDC、110VDC、48VDC、24VDC)转换为所需的直流电力，主要应用于邮电通信、电力通信、铁路通信等场合。 7、3 对通信电源的特殊要求 (1)由于通信电源是正极接地系统，因此要求专用DC-DC变换器与电力专用的UPS和逆变器一样，其直流输入与输出电气绝缘隔离，负载侧的任何故障均不能影响到直流母线，更不能造成直流控制母线接地。 (2)通信专用DC-DC变换器不但要实现直流输入与输出的电气绝缘隔离，而且要有足够的输出短路容量，保证在负载短路时能可靠地分断回路的断路器，避免造成通信电源输出电压跌落的事故。 (3)要求通信专用的DC-DC变换器具备通信接口，并通过RS485总线与集中监控器连接，实现对通信电源的全参数在线监控。 (4)为提高供电的可靠性，通信专用DC-DC直流变换器要求N+1 32 变 电 站 直 流 系 统 设 计 并联的冗余模式，并且与高频开关整流模块一样，采用硬件自主均流技术，在可靠性要求高的变电站，可配置两组全容量的直流变换器的模块热备份运行。 7、4 电力工程通信用蓄电池容量计算 K(It，C),,relmpad (1-18) C,Kcc KK式中 -蓄电池容量系数补偿(可靠系数)取1.25; relrel K -蓄电池容量系数; cc -通信设备忙时最大平均放电电流(A); Imp t-蓄电池放电时间(1-3A); C -附加容量(Ah)(通信室事故照明，事故检修用电均由通ad 信电源供电时)。 7、5 电力工程通信专用蓄电池个数计算 按单个电池的允许最低电压计算 U，,umin (1-19) n,Udf U式中 -直流母线最低允许电压min U,U,10%U，,U,0.9U，,U(V); ; minNNN -馈线允许电压降(V);根据规定要求:60V直流电源，,U,U不大于1.6V;48V直流电源，不大于2-3V;24V直流电源，不大于,U,U1.8V; U-单电池放电末期电压(V); df 33 变 电 站 直 流 系 统 设 计 U-直流系统额定电压(V); N 第八章 直流系统中各自动开关额定容量的选择 8、1 直流断路器 直流断路器应具有速断保护和过电流保护功能。可带有辅助触点和报警触点。 直流断路器的选择 原则一:额定电压大于或等于回路的最高工作电压。 原则二:额定电流应大于贿赂的最大工作电流。 A:蓄电池出口回路应按蓄电池1h放电电流选择，并应按事故放电初期(1min)放电电流校验保护动作的安全性，且应与直流馈线回路保护电器相配合。 B:断路器电磁操动机构的合闸回路，可按0.3倍额定合闸电流选择，但直流断路器过载脱扣时间应大于断路器固有合闸时间。 C:断流能力应满足直流系统短路电流的要求。 D:各级断路器的保护动作电流和动作时间应满足选择性要求，考虑上下级差的配合，且应有足够的灵敏系数。 8、2 刀开关 1、额定电压应大于或等于回路的最高工作电压。 2、额定电流应大于回路的最大工作电流。 A:蓄电池出口回路应按蓄电池1h放电率电流选择。 B:断路器操动机构的合闸回路，可按0.2-0.3倍的额定合闸电流选 34 变 电 站 直 流 系 统 设 计 择。 3、母线分断开关和联络回路，可按全部符合的10%选择。 4、必要时刀开关可带有辅助触点。 8、3 断路器的额定电流 1、充电装置输出回路 断路器额定，应按充电装置额定输出电流选择，即 I,KI (1-20) nkm 式中: I-直流断路器额定电流，A; n I-充电装置额定输出电流，A; m K-可靠系数，取1.2。 k I,KI 得 ,1.2，25.2,30.4Ankm 2、断路器电磁操动机构的合闸回路 I,KI (1-21) nC2C1 I式中: -直流断路器额定电流，A; n K -配合系数，取0.3; C2 I -断路器电磁操动机构合闸电流，A。 C1 I,KI ,0.3，4.8,1.44AnC2C1 3、蓄电池组出口回路 (1)断路器额定电流按蓄电池的1h放电率电流选择，即 I,I (1-22) n1h II式中:-蓄电池1h放电率电流，A;铅酸蓄电池可取5.5。 101h 35 变 电 站 直 流 系 统 设 计 (2)按保护动作选择性条件，即额定电流应大于直流馈线中断路器额定电流最大的一台来选择，即 I,KI (1-23) nC4max 式中: -直流馈线中直流断路器最大的额定电流，A; Imax K -配合系数，一般可取2.0，必要时取3.0。 C4 取以上两种情况中电流最大者为断路器额定电流，并应满足蓄电池出口回路短路时灵敏系数的要求。同时还应按事故初期(1min)冲击放电电流检验保护动作时间。 据以上综合分析，由(1)得 I,I,5.5I =5.5×15=82.5 A n1h10 由(2)得 I,KI,2，15,30A nC4max II所以 取(1)所得，=82.5A nn 8、4 直流母线联络电器(隔离开关) 直流隔离开关，额定电流按以下原则计算 按较大电流的母线上供电的负载工作电流选择，即 I,K,I (1-24) nsinBuse ,I式中:-较大电流的母线段上全部负载的工作电流之和; Buse K -同时系数，取0.5-0.6。 sin I,K,I得 =0.5×37.7A nsinBuse 8、5 断路器选择(经常负荷、UPS等均分两段母线) 36 变 电 站 直 流 系 统 设 计 1)蓄电池出口:GMB225 短延时时间60ms 短路延时I,100An 脱扣器整定电流:10-8KA In I,50A2)充电装置输出回路:GMB100 短延时时间60ms 短路延n 时脱扣器整定电流:10-6KA In 3)经常负荷:GM5 I=10A 无延时 n 4)UPS: GM5 I=6A 无延时 n 5)事故照明:GM5 I=10A 无延时 n 6)GIS开关柜:GM5 I=3A 无延时 n 8、6 隔离开关选择 母线联络隔离开关GMG I=20A n 8、7 直流断路器选择性校验 断路器上下级之间的动作电流和时间应保证选择性要求。在确定直流短路器的额定电流之后，其保护特性也已经确定，故应对所确定的方案按照下述原则对上下级断路器的选择性配合进行校验。 1)过负荷延时保护(脱扣器) (1)按断路器的额定电流整定 I,KI (1-25) DZKn I式中:-保护(脱扣器)动作电流，A; DZ K -可靠系数，取1.O5; K IGMB225:10=1000?1.O5×100=105 n GMB100、GM5均符合要求 37 变 电 站 直 流 系 统 设 计 (2)根据下一级断路器的额定电流进行整定 I,KI n1C1n2 > (1-26) tt21 KK-上下级断路器保护(脱扣器)配合系数，取?1.6; C1C1 t,t -上下级断路器在相同电流作用下的保护动作时间。 12 所以 50(GMB100)?1.6×10=16(GM5) 60ms>0ms 全部符合要求 2)短路瞬时保护(脱扣器) (1)按断路器额定电流倍数整定 I,KI (1-27) DZnn I式中:-保护(脱扣器)动作电流，A; DZ K -额定电流倍数，一般取10。 n GMB225: 8KA?10×100=1KA 符合要求 GMB100、GM5均符合要求。 (2)按下一级断路器瞬时保护(脱扣器)电流配合整定 I,KI (1-28) DZ1C2DZ2 KK,4.0式中:-上下级断路器瞬时保护(脱扣器)配合系数，取。 C2C2 I,I -上下级断路器瞬时保护(脱扣器)动作电流，A。DZ1DZ2 8KA(GMB225)?4×100=400A(GM5)可得GMB225、GMB100、GM5符合要求。 38 变 电 站 直 流 系 统 设 计 第九章 总结 设计方案为，采用单母分段的接线方式，提高供电可靠性;系统电压采用220V;蓄电池采用阀控型密封式铅酸蓄电池，浮充电方式运行，浮充电电压为2.35V。蓄电池容量选择150Ah，N=104个。 蓄电池充电装置选取两组，每组充电模块为4，共8个，额定工作电流10A，每组充电装置出口电流为25.2A。 UPS为二次系统中的交流负荷提供电源，由站用变和蓄电池为其供电。本设计采用一台UPS单机运行方式运行。UPS型号:SWA-4000R/DC220。 通信直流变换器由专用蓄电池组对其供电，蓄电池组容量按通信设备忙时最大负荷计算。 蓄电池出口断路器型号器为:GMB225 ;充电装置出口断路器型号为:GMB100;UPS、经常负荷、事故照明、GIS开关柜型号:GM5。 39 变 电 站 直 流 系 统 设 计 结束语 这次毕业设计为期将近两个月。这次毕业设计是我校外实习后做的最系统、完整的专题设计，对我有很大的启发。 我的工作单位是电器设备制造公司，公司对员工的专业知识、理论水平、个人素质都有较高的要求。此次毕业设计比较系统地完善了二次系统知识，对变电站二次系统有了全面的认识，培养了、锻炼了收集资料，交流，绘图，组织语言等能力。 变电站直流系统是一个重要、复杂的系统，尤其是设备选型牵涉的问题较多。由于时间原因，其中有很多地方做得不够完善。 经过这次设计，我深刻认识到:作为一名设计和工程人员，一定要具备扎实的专业知识、熟练的计算机操作水平、严谨负责的态度、缜密细致的思维等优秀素质。 最后感谢导师皮老师的精心指导和支持，感谢同学们的帮助和启示。 40 变 电 站 直 流 系 统 设 计 参考资料: 《变电站直流系统设计技术规程》 国电华北电力设计有限公司与河南省电力勘测设计院联合编制 2006年6月1号实施 《发电厂、变电站二次系统及继电保护测试技术》 王显平 出版社 中国电力出版社 2006年 《电力工程直流系统设计手册》白忠敏 出版社 中国电力出版社 1998年 《电力专用不间断电源手册》 (产品资料) 《变电站交直流控制电源一体化方案》 (产品资料) 41