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12变配电所操作电源

12.1直流操作电源的设计要求

12.1.1直流系统的负荷[66]

110kV及以下变电所的直流负荷可分为经常负荷、事故负荷及冲击负荷三大类。

经常负荷主要包括经常带电的继电器、信号灯、位置指示器及直流常明灯或其他常接入直流系统中的用电设备，一般可取1~2kW。

事故负荷是变电所失去交流电源全所停电时，必须由直流系统供电的负荷，主要为事故照明负荷。

事故照明负荷统计见表12−1−1。

变电所的冲击负荷主要是断路器的合闸机构在断路器合闸时的短时（0.1~0.5s）冲击电流。

12.1.210kV及以下变配电所直流操作电源设计原则[5]

12.1.2.1供一级负荷的配电所或大型配电所，当装有电磁操动机构的断路器时，应采用220V或110V蓄电池组作为合、分闸直流操作电源；当装有弹簧储能操动机构的断路器时，宜采用小容量镉镍电池装置作为合、分闸操作电源。

12.1.2.2中型配电所当装有电磁操动机构的断路器时，合闸电源宜采用硅整流，分闸电源可采用小容量镉镍电池装置或电容储能。

对重要负荷供电时，合、分闸电源宜采用镉镍电池装置。

当装有弹簧储能操动机构的断路器时，宜采用小容量镉镍电池装置或电容储能式硅整流装置作为合、分闸操作电源。

采用硅整流作为电磁操动机构合闸电源时，应校核该整流合闸电源能保证断路器在事故情况下可靠合闸。

12.1.3直流系统接线

12.1.3.1铅酸蓄电池直流系统[66]

110kV及以下变电所直流系统及直流屏典型设计原则：

（1）直流系统一般采用220V或110V电压。

（2）接线方式采用单母线分段接线。

变电所蓄电池组一般不设端电池。

（3）蓄电池组按GF型固定防酸隔爆式铅酸蓄电池进行编制。

蓄电池容量规格为200，300，400，500，600，800，1000Ah。

蓄电池个数根据直流系统电压等级而定，对220V取104~107个，对110V取52~53个。

（4）直流配电屏的操作和保护设备采用空气开关或刀开关（组合开关）和熔断器。

屏内母线为绝缘铜母线。

直流系统应能承受5~10kA的短路电流。

（5）每段直流母线上均应设绝缘监察和电压监察装置。

（6）直流信号馈线有中间继电器（DZ−810/A型）监视及信号灯监视两种接线。

采用自动空气开关时，馈线失电监视是利用自动空气开关的辅助触点和钮扣开关组成的信号系统来实现。

（7）事故照明采用由直流母线直接供电，变电所一般无需装设事故切换装置。

（8）直流配电屏和充电整流屏的结构采用封闭定型屏（高2260mm，宽800mm，深600mm）。

12.1.3.3带电容储能装置的整流直流系统[65]

带电容储能装置的整流直流系统在正常运行时，直流电源由硅整流器供给；当系统故障，即交流电源电压降低或消失时，由电容储能装置放电使保护跳闸。

优点是投资者，运行维护方便。

缺点是可靠性不如蓄电池。

12.1.3.4带镍镍蓄电池组的整流直流系统[65]

（1）电池组本身是独立的化学能源，较电容储能可靠。

（2）采用电池组时不必增设+DM灯母线，信号灯直接接在控制母线回路上，能全面监视控制回路完好情况。

（3）当电动机回路较多时，其低电压保护可采用不同时限的分批跳闸方式，蓄电池容量也不需加大。

12.1.4.2镉镍蓄电池[66]

（1）镉镍蓄电池型式。

碱性镉镍蓄电池目前有高倍率GNG（GNC）和中倍率GNZ两种（低倍率国内较少使用）。

当冲击合闸电流是决定因素时，选用高倍率GNG（或GNC）电池是合理的。

当事故持续电流大于30A，或者计算选用高倍率蓄电池大于等于60Ah时，选用高倍率蓄电池应作经济技术比较，以选用更大容量的中倍电池为宜。

60Ah以上的高倍率蓄电池只有在特殊场合下选用。

高倍率碱性镉镍蓄电池又分为全烧结和半烧结两种。

有试验证明，在各种恒流放电倍率下，半烧结电池的放电容量及放电电压均优于全烧结电池。

所以采用半烧结电池是经济合理的。

GNG系列烧结（半烧结）式镉镍蓄电池具有充放电电压平稳、高倍率放电能维持高的端电压、承受过放电能力强、自放电小及使用寿命长等特点。

（2）镉镍蓄电池容量的选择：

1）阶梯负荷计算法：

阶梯负荷计算法计算公式为

（12−1−15）

式中——温度为25℃时的额定放电率换算容量，Ah；

——可靠系数，取1.2，包括以下三项；

——使用系数，指蓄电池使用、维护、温度等补偿系数，推荐用1.04；

——设计裕度系数，取1.15；

——蓄电池老化系数，取1.0（镉镍电池浮充运行20年，容量100%）；故；

——容量换算系数，是由放电时间、蓄电池工作温度（标准定为25℃）和蓄电池允许最低电压在不同倍率放电时实测绘制的关系曲线，1/h。

阶梯负荷计算法是将放电时所需的容量分成若干阶梯来进行计算，如图

图12−1−6先小后大阶梯放电电流图

这种方法假想的物理意义是先以容量的蓄电池用开始放电，在第小时时将具有容量的蓄电池并联接入，使其分担的电流，然后，在小时时将具有容量的蓄电池并联接入，使其分担的电流。

总的承担上述三个阶段的蓄电池容量为。

当负荷电流先大后小时，负荷曲线如图12−1−7所示。

图12−1−7先大后小阶梯放电电流图

仍用上式计算，只不过为负值。

但是这样算出的蓄电池容量总和有时比单独按初期最大电流放电要小，这是不合理的。

因此应分别计算最大电流放电容量和阶梯放电容量，选取其中的最大值，就是所求的蓄电池容量。

阶梯负荷计算法的计算基础是放电特性曲线。

其计算准确性有赖于此曲线，使用时注意收集及检验。

此处仅说明其计算方法。

2）电压控制计算法。

电压控制计算法是先根据事故放电容量进行初步容量选择，再根据初选的蓄电池容量，查相应的蓄电池一小时事故放电后冲击放电（合闸电流）曲线，得蓄电池冲击放电电压。

a）计算事故容量

（12−1−19）

式中——事故放电容量，Ah；

——事故放电电流，A；

——事故放电时间，h，一般取1h。

b）计算蓄电池容量

（12−1−20）

式中——蓄电池容量，Ah；

——可靠系数，取0.8；

——浮充容量保持值0.9；

——容量利用系数，中倍率取0.5~0.6，高倍率取0.7~0.9。

取值考虑一小时事故放电末期，母线电压维持在200V以上才能保证可靠合闸。

终止电压要求高时取小值，低时取大值。

根据计算的蓄电池容量，初选出与计算容量相近但较大的蓄电池规格容量。

c）电压校验。

根据蓄电池的冲击放电曲线（参见图12−1−8）选取相应容量蓄电池的冲击放电曲线。

然后根据和从上述冲击放电曲线查得单只蓄电池电压，从而可以计算出直流母线的电压

（12−1−21）

式中——直流母线电压，V；

——蓄电池个数；

——冲击放电末期，单只蓄电池的电压，V，查蓄电池1h事故放电后冲击放电曲线。

根据公式计算出直流母线电压，若大于0.85则认为所选蓄电池容量是正确的。

图12−1−8GNG−20蓄电池1h事故放电后冲击放电曲线（0.3s）

3）简化计算法。

110kV及以下的变电所通常选用高倍率镉镍电池，可以用如下简化计算法确定其容量：

a）1h放电容量≤；

b）最大合闸冲击电流≤。

（3）镉镍蓄电池个数的选择。

镉镍电池均充及浮充电压较高，起始放电阶段特性较软，电压下降相对较快。

蓄电池个数选多了，把浮充、均充电压抬的很高，加大了调压范围。

个数选少了，事故放电末期的电压又可能不足。

减少蓄电池个数，提高蓄电池容量（相当于放电倍率减少），也可以保持一定的电压水平。

增加个数，可减少蓄电池容量。

当前许多厂家对高倍率电池选用180个，浮充电压250V，直接供给合闸母线，降压至230V供给控制母线。

放电终止电压198V（每个1.1V）。

中倍率电池目前产品数量及运行经验都不很多，由于均充及浮充电压都比高倍率电池高，选用电池个数有180个和172个两种。

选用172个电池的供电方式与180个高倍率电池供电方式基本相同。

选用180个中倍率电池的系统，在合闸母线及控制母线都分别设有降压硅链。

12.1.5充电器的选择及容量计算方法

12.1.5.1铅酸蓄电池的充电及浮充电装置[66]

蓄电池的正常充电和浮充电运行可共用一套硅整流装置，它除在正常情况下向直流网络的经常负荷供电外，同时还对蓄电池进行浮充电，并作为均衡充电和事故放电后的充电之用。

（1）充电设备的额定电流。

充电设备的电流包括蓄电池组的最大充电电流和直流系统的经常负荷电流，在变电所中蓄电池组的最大充电电流可采用10h放电率的放电电流。

充电设备的电流为

（12−1−22）

式中——充电设备的额定电流，A；

——蓄电池的10h放电率容量，Ah；

——直流系统的经常负荷，A。

（2）充电设备输出电压的范围。

蓄电池在充电末期，其电压可能达2.7V，故充电设备的最高电压应为

（12−1−23）

式中——蓄电池总数。

实际上，对220V蓄电池组V；110V蓄电池组V。

因此，充电设备的容量按下式计算

（12−1−24）

式中——充电设备的容量，kW；

——充电设备的电压，V；

——充电设备的电流，A。

充电设备输出电压的调节范围对变电所有端电池直流电压为110V时，一般选用90~150V；220C时，一般选用180~310V。

对变电所无端电池直流系统电压为110V时选用55~165V；220V时选用110~330V。

（3）浮充电设备。

浮充电设备的容量按蓄电池组的经常负荷电流及自放电电流来选择。

其工作电压应与充电设备相同，以便均衡充电。

浮充电设备的工作电流为

（12−1−25）

式中——浮充电流，A；

——事故负荷电流，A；

——经常负荷电流，A。

浮充电设备的容量按下式计算

（12−1−26）

式中——浮充电设备的容量，kW；

——浮充电电压，V，对变电所110V直流系统取115V，对220直流系统取230V。

当充电设备和浮充电设备共用一套硅整流装置时，可不必进行浮充电设备容量的计算。

12.1.5.2镉镍蓄电池的充电及浮充电装置[66]

（1）装置的型式。

当前我国充电、浮充电装置主要有两大类型。

1）磁饱和电抗器型。

磁饱和电抗器与整流变压器串联，通过改变电抗器的电感量，使电抗器两端的压降变化，整流输出的电压也就随之变化，实现稳压稳流的目的。

此方案系统简单，使用可靠，用户容易掌握。

2）晶闸管整流型。

通过改变晶闸管的导通角来实现直流调压，达到稳压、稳流的目的。

此方案控制触发电路较复杂，电子元件多，在元件质量不能保证的条件下，故障几率较多。

它的主要特点是容量大、速度快。

随着晶闸管技术的不断完善，其技术性能也日趋完善。

（2）装置的配置。

充电和浮充电（包括均衡充电）装置，有两种配置方式。

一种为充电装置和浮充电装置分别设置，各起各的作用，不能互相备用；一种是充电和浮充电装置共用一套设置，同时具有充电和浮充电的功能，装有两套时，可以互相备用。

一般高倍率镉镍电池，容量在40Ah以下，其充电电流在10A及以下。

而控制母线要求供电电流为15~20A，且充电整流器与浮充电整流器的性能要求也不一样，故可分别设置。

当蓄电池容量在20Ah及以下，且控制母线与蓄电池之间带有电子开关时，一般再加有合闸硅整流器，供正常情况下合闸之用。

对于中倍率镉镍电池，一般选用容量均在100Ah以上，其允许充电电流较大，充电整流器可以与浮充电整流器共用。

但为了提高供电可靠性，也呆以分别设置整流器，这样可以互为备用。

（3）装置的参数要求。

充电及浮充电（包括均衡充电）设备输入交流一般为三相三线制，对重要的变电所，一般均为两回路（一工作，一备用），额定电压380V±10%。

充电设备的容量及其调压范围应满足蓄电池的要求，一般充电电流为0.2A，电压为180~330V（或340V），充电的稳流精度小于等于±5%。

浮充电稳压精度小于等于±2%，其纹波系数不应大于2%。

浮充电设备应有良好的限流特性，使出现冲击电流时，保证装置的安全可靠。

12.1.6直流设备的选择方法和布置要求

12.1.6.1直流设备及元件的选择

（1）蓄电池选择见12.1.4节。

（2）充电及浮充电设备选择见12.1.5节。

（3）硅整流直流系统设备元件选择[65]。

1）硅整流装置：

设计中多选用成套产品。

合闸用硅整流器一般采用三相桥式整流，其容量按合闸电流最大的一台断路器确定。

只作控制、保护及信号电源用的整流器，采用单相桥式整流，其容量可按负荷电流确定，一般选用10~20A的成套硅整流装置，或采用与合闸用硅整流器一样的成套硅整流装置。

整流装置直流电压一般为220V，在承受瞬间最大负荷时，整流器本身电压降不大于额定值的10%。

2）储能电容器：

a）电容器的容量。

电容器容量估算方法较多，计算结果各有差异，同时在运行中电容器容量还受到许多因素的影响，在此不作详细介绍。

目前许多使用单位的运行经验证明，当整流器采用三相桥式接线时，电容器容量选用9000μF；当整流器采用单相桥式接线时，电容器容量选用6000μF。

这对没有复杂保护（如距离保护的变、配电所，同时跳开两台断路器是可靠的。

但应在投入运行前做实际的设备传动实验，并留有适当的裕度。

）

b）电容器型式的选择。

因储能电容器经常处在充电装态，运行条件较好，同时所需的电容量较大，故一般采用电解电容器。

专用的储能电解电容器比普通电解电容器性能好，但其单个容量较小。

CD−1B型电解电容器的规格见表12−1−3。

表12−1−3CD−1B型电解电容器技术数据

电压（V）容量（μF）寿命（2~3s充放1次）外形尺寸（mm）

350450450800500200<5万次<5万次5~10万次Φ65×120Φ65×120Φ50×120

电解电容器额定电压应比最大充电电压高20%。

当直流系统电压为220V时，三相桥式整流线路可选用300V或350V，单相桥式整流线路可选用400V或40V。

c）镉镍蓄电池。

GNY系列镉镍蓄电池为密封圆柱形结构，用作跳闸电源的常用容量有3Ah和5Ah两种。

3Ah电池瞬时放电电流可达12.5A，即跳闸电流2.5A的断路器可同时跳5台；5Ah电池瞬时放电电流可达17.5A，即跳闸电流2.5A的断路器可同时跳7台。

生个电池电压为1.25V，20个组成一组（制造厂组装成组供应），电压为25V，蓄电池组为8组串联，其电压为200V。

根据运行经验，蓄电池采用浮充方式时，3Ah的电池浮充电电流可取30mA，5Ah的电池浮充电电流可取40mA。

蓄电池充电后每个电流电压最高不得超过1.4V，放电后每个电池电压最低不得低于1.1V。

（4）熔断器的选择[66]。

熔断器的额定电压应大于或等于回路的额定电压。

熔断器熔体的额定电流对于控制、信号回路，则

（12−1−27）

式中——熔体额定电流，A；

——短时最大工作电流，A；

——配合系数，取。

对于熔断器的合闸回路，其熔体的额定电流按0.25~0.3倍额定合闸电流来选择。

对于蓄电池组出口回路的熔断器，其熔体一般按蓄电池1h放电电流值再加大一级来选择。

各级熔断器间应相互配合，具有选择性，每级熔断器熔体的额定电流值一般相差2~3级。

12.1.6.2蓄电池布置与安装要求[66]

（1）布置蓄电池时应考虑到蓄电池和直流屏的相对位置，做到既使端电池与引出线板接线方便，又使引出线板至直流屏的电缆最短。

（2）蓄电池室的引出线通常采用裸铜母线。

母线敷设在固定于墙上支架上或顶板吊架上的瓷瓶上。

为了便于引出线布置，蓄电池室净空高度一般不低于3m。

蓄电池引出线一般采用塑料绝缘铜芯电缆，穿硬塑料管埋地敷设。

管口用防酸材料封堵。

（3）为便于维护，蓄电池旁应设走道。

当走道两侧均有蓄电池时，走道宽度不小于1m；当只有一侧装有蓄电池时，走道宽度不小于0.8m。

（4）蓄电池导电部分间的距离，当其两部分间的正常电压（非充电时）超过65V但不大于250V时，不应小于0.8m；电压超过250V时，则不应小于1m。

相邻裸导体间（指由蓄电池组引出的母线）以及导体与建筑物或与其他接地体之间的距离，不应小于50mm。

母线支持点间的距离不应小于2m。

蓄是池缸与墙间不应小于150mm。

蓄电池缸与缸的间距单列时50mm；双列时，两列缸的间距150mm；缸边至蓄电池平台边的距离为60~80mm，端头的缸为250mm左右。

12.1.6.3蓄电池室对有关专业的要求

固定式铅酸蓄电池组应安装在专用的房间——蓄电池室内。

蓄电池室对有关专业的要求如下：

（1）蓄电池室的入口一般设专用套间，蓄电池室与套间的门应向外开，地面荷重5~10kPa。

（2）蓄电池室附近一般设有供存放硫酸及调制电解液用的专用房间——调酸室（或利用套间）。

（3）蓄电池室的顶棚宜做成平顶：

墙、顶棚、门窗框、通风管道（内外侧）和其他金属及非金属结构应涂以耐酸漆。

地坪应耐酸，用瓷砖、沥青混凝土或其他耐酸材料，可按具体情况确定。

一般大容量220V蓄电池室一般采用缸砖或瓷砖，48V小容量蓄电池可采用沥青混凝土地坪。

（4）为了减小各个蓄电池电解液温度的差异，从而减小自放电现象，应避免阳光照射在电池上。

为此，蓄电池室的窗户应镶毛玻璃或在玻璃上涂漆。

为了避免风沙侵入或保温的需要，可采用双层玻璃窗。

（5）蓄电池室应有良好的通风，以便排出室内的酸气和氢气。

蓄电池室的换气量应保证每小时不小于15次，调酸室每小时不小于5次。

要同时从室内上部和下部抽气。

进入蓄电池室的空气应洁净，必要时进风口应装设空气过滤器。

金属通风管道不应装设在电池上部。

蓄电池室通风用的电动机应为防爆式，并庆与通风机直接连接。

（6）蓄电池温度一般不应低于+15℃，不高于40℃。

在不采暖地区，如果在设计蓄电池容量时，已考虑了允许的容量降低，则最低室温允许降低，但不得低于+5℃。

（7）蓄电池室内不应采用明火取暖，在室内只允许装设无接缝的或焊接的并且无所水门的暖气设备。

蓄电池室地面下不应设采暖通风的沟道。

取暖设备与蓄电池的距离不应小于750mm。

（8）蓄电池室应考虑排水措施，以便在检修以及正常运行中冲洗地坪及电池缸外部时排除室内污水。

污水应直接从室内排至室外下水道中。

调酸室内最好设上下水道及水池。

（9）蓄电池室内照明应按1区防爆等级选用防爆灯。

开关、插座及熔断器庆装在蓄电池室外。

（10）装有防酸隔爆式蓄电池（GFD或GF型）的蓄电池室在防酸和通风方面可以简化：

地坪可以采用简易的防酸措施，墙壁在1.2m以下仍涂以耐酸漆。

（双层安装蓄电池时为2m）

12.2交流操作电源的设计要求

12.2.1交流操作电源的选用原则[5]

小型配电所宜采用弹簧储能操动机构合闸和去分流分闸的全交流操作。

交流操作投资省，建设快，二次接线简单，运行维护方便。

但采用交流操作保护装置时，电流互感器二次负荷增加，有时不能满足要求。

此外，交流继电器不配套，使交流操作的采用受到限制，同时弹簧机构比电磁机构贵，因此推荐用于能满足继电保护要求、出线回路少的一般小型配电所。

12.2.2二次接线[62,63]

（1）去分流方式分闸。

去分流方式是由电流互感器向跳闸线圈供电的。

正常运行时，跳闸线圈被继电器常闭触点短路。

发生故障时，保护动作，继电器触点切换，常闭触点断开，常开触点闭合，将跳闸线圈接入电流互感器二次侧，使用短路电流能量跳开断路器。

GL−15、16型继电器的切换触点能在电流互感器二次阻抗不大于4.5Ω，电流不大于150A时断开分流，接入跳闸线圈。

去分流方式可以构成比较复杂的保护，灵敏系数比直动式继电器高，是交流操作保护装置中比较优越，应用较广泛的方式之一。

（2）断路器的控制、信号回路。

交流操作的断路器控制、信号回路设计原则和直流回路相似，仅是将电源变为交流220V，设备选用交流继电器。

（3）中央信号。

中央信号回路也用交流电源供电。

事故信号多用不重复动作的回路。

预告信号采用ZC−12型交流冲击继电器构成的能重复动作的信号系统，1YBM和2YBM与直流回路的预告信号小母线相同，当异常运行信号脉冲发生时，点燃光字牌的同时，1、2YBM接通电源在电阻Rf上产生与信号脉冲成比例的电压降经整流后送入微分电路，将持续的短形电压脉冲变成尖顶短暂脉冲去起动灵敏元件GHJ、GHJ触点闭合起动出口中间继电器ZJ，经其触点自保持，ZJ触点起动音响装置。

当按下复归按钮YJA后，JZ返回，音响停止，此时虽然信号回路脉冲未消失，但微分回路过渡过程已完结，Rf上的电压加在电容C1的两端，GHJ不能动作，继电器所有元件全已复归，准备下次动作。

（4）自动复合闸回路。

自动重合闸装置选用ZGH−1型交流重合闸继电器，可实现自动重合闸。

重合闸起动回路为断路器的跳闸位置继电器TWJ触点起动ZCH的时间继电器驱动电动机TD，经一次重合闸整定时间SJ3触点接通断路器的合闸回路，如合闸成功，重合闸继电器返回。

如一次重合不成功，断路器再跳闸，达到二次重合闸整定时间，装置再次接通合闸回路，如合闸成功，继电器返回；若又不成功，继电器将动作到闭锁状态，并由SJ2触点发出闭锁信号。

“防跳”继电器ZJJ用来防止重合闸不成功而SJ3触点尚在闭合位置时可能产生断路器“跳跃”现象。

触点ZJJ3与中间继电器JSJ配合，可以构成保护的后加速动作回路。

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