变电站直流电源系统设计.docx
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变电站直流电源系统设计
变电站直流电源系统设计
1.概述
66-110kV变电站大多按照无人值班模式设计，蓄电池的选择及容量计算，大多参照传统方式统计和计算，由于现场断路器合分闸普遍采用蓄能方式，各类高新技术设备的投入使用，取消常规接线模拟屏等功耗较大控制设备，直流负荷明显比常规站减少，因此，确定蓄电池组的容量时，应该对站内设备直流功耗进行详尽分析和统计，通过实例计算，针对66-110kV无人值班变电站直流负荷分析、统计及蓄电池容量计算方式进行说明。
2.基本概念
2.1.电力工程用直流蓄电池：
a）镉镍蓄电池；
b）铅酸蓄电池；
防酸隔爆、防酸消氢
阀控式密封铅酸蓄电池；
2.2.标称电压
系统被指定的电压110伏或220伏。
2.3.终止电压
在指定的放电时间内要求蓄电池必须保持的最低放电电压；
2.4.恒流充电
充电电流在充电电压范围内，维持在恒定值的充电。
2.5.均衡充电
为补偿蓄电池在使用过程中产生的电压不均现象，使其恢复到规定的范围内而进行的充电。
考虑到蓄电池组在长期浮充电运行中，个别蓄电池落后，电解液密度下降，电压偏低，采用均衡充电方法，可使蓄电池消除硫化恢复到良好的运行状态。
均衡充电的程序：
先用I10电流对蓄电池组进行恒流充电，当蓄电池端电压上升到（2.30~2.33）V×N，将自动或手动转为恒压充电，当充电电流减小到0.1I10时，可认为蓄电池组已被充满容量，并自动或手动转为浮充电方式运行，浮充电压值宜控制为（2.23－2.28）V×N。
2.6.恒流限压充电
先以恒流方式进行充电，当蓄电池组电压上升到限压值时，充电装置自动转换为限压充电，至到充电完毕。
2.7.浮充电
在充电装置的直流输出端始终并接着蓄电池和负载，以恒压充电方式工作。
正常运行时充电装置在承担经常性负荷的同时向蓄电池补充充电，以补偿蓄电池的自放电，使蓄电池组以满容量的状态处于备用。
2.8.恒流放电
蓄电池在放电过程中，放电电流值始终保持恒定不变，直放到规定的终止电压为止。
2.9.补充充电
为了弥补运行中因浮充电流调整不当造成了欠充，补偿阀控蓄电池因自放电和爬电漏电所造成蓄电池容量的亏损，根据需要设定时间（一般为3个月）充电装置将自动地或手动进行一次恒流限压充电→恒压充电→浮充电过程，使蓄电池组随时具有满容量，确保运行安全可靠。
2.10.核对性放电
长期使用限压限流的浮充电运行方式，无法判断阀控蓄电池的现有容量。
只有通过核对性放电，才能找出蓄电池存在的问题。
为了检验在正常运行中的蓄电池组的实际容量，将蓄电池组脱离运行，以规定的放电电流进行恒流放电，只要其中的一个单体蓄电池放到了规定的终止电压，应停止放电。
按以下公式进行容量计算：
C=Ift（Ah）
式中C-蓄电池组容量，Ah；
If_-恒定放电电流，A；
t-放电时间，h。
2.11.纹波系数
充电装置输出的直流电压中，脉动量峰值与谷值之差的一半，与直流输出电压平均值之比。
按以下公式计算：
δ=
式中δ-纹波系数；
Uf-直流电压中脉动峰值；
Ug-直流电压中脉动谷值；
Up-直流电压平均值。
2.12.稳流精度
交流输入电压在额定电压±10%范围内变化、输出电流在20%～100%额定值的任一数值，充电电压在规定的调整范围内变化时，其稳流精度按以下公式计算:
δI=
δI式稳流精度；
IM-输出电流波动极限值；
IZ-输出电流整定值
2.13.稳压精度
交流输入电压在额定电压±10%范围内变化，负荷电流在0～100%额定值变化时，直流输出电压在调整范围内的任一数值时其稳压精度按以下公式计算：
δU=
式中δU-稳压精度；
UM-输出电压波动极限值；
UZ-输出电压整定值
2.14.效率
充电装置的交流额定输入功率与直流输出功率之比。
按以下公式计算：
η=
式中η-效率；
WD-直流输出功率；
WA-交流输入功率。
3.直流系统接线
3.1.直流系统电压
a）系统标称电压110伏或220伏，在均衡充电运行工况下，直流控制母线电压应不高于标称电压的110%；如有合闸母线，则其母线电压不高于标称电压的112.5%；
b）在事故放电情况下，蓄电池出口端电压应不低于标称电压的85%-87.5%；
3.2.蓄电池组
a）66-110kV变电站宜采用阀控式密封铅酸蓄电池；
b）66-110kV变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110kV变电站也可装设2组蓄电池；
3.3.充电装置
a）1组蓄电池采用高频开关充电装置时，宜配置1套充电装置，也可配置2套充电装置；
b）,2组蓄电池采用高频开关充电装置时，宜配置2套充电装置；也可配置3套充电装置；
3.4.直流母线接线方式
a）1组蓄电池的直流系统，采用单母线接线或单母线分段接线；
b）2组蓄电池的直流系统，应采用两段单母线接线
c）蓄电池、充电装置与直流母线的接线方式可参考下图：
高频开关直流操作电源系统典型接线方案说明
方案一：
方案一说明：
直流系统由1组蓄电池、1组整流器组成，直流母线为单母线接线。
正常运行时，充电装置经直流母线对蓄电池充电，同时提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为直流母线正常的输出电压。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择102、103或104只。
方案二：
方案二说明：
直流系统由1组蓄电池、1组整流器组成，直流母线为单母线接线。
正常运行时，充电装置经动力直流母线对蓄电池充电，同时经硅降压装置向控制直流母线提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为动力直流母线正常的输出电压，从动力直流母线经硅降压装置取得控制直流母线正常的输出电压。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择108只。
方案三：
方案三说明：
直流系统由1组蓄电池、1组整流器组成，直流母线为单母线分段接线。
正常运行时，充电装置经充电直流母线对蓄电池充电，同时经硅降压装置向两段控制直流母线提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为动力直流母线正常的输出电压，从充电直流母线经硅降压装置取得控制直流母线正常的输出电压。
该系统方案的任一段直流母线故障时，均可将环形供电的负载倒至正常母线段。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择108只
方案四：
方案四说明直流系统由1组蓄电池、2组整流器组成，直流母线为单母线分段接线。
正常运行时，两组充电装置互为备用，分别或同时工作经直流母线对蓄电池充电，同时提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为直流母线正常的输出电压。
该系统方案的任一段直流母线故障时，均可将环形供电的负载倒至正常母线段。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择102、103或104只
方案五：
方案五说明直流系统由1组蓄电池、2组整流器组成，直流母线为单母线分段接线。
正常运行时，两组充电装置互为备用，分别或同时工作经动力直流母线对蓄电池充电，同时经硅降压装置向控制直流母线提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为动力直流母线正常的输出电压，从动力直流母线经硅降压装置取得控制直流母线正常的输出电压。
该系统方案的任一段直流母线故障时，均可将环形供电的负载倒至正常母线段。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择108只
方案六：
方案六说明直流系统由2组蓄电池、2组整流器组成，直流母线为两段单母线接线。
正常运行时，母联开关断开，各母线段的充电装置经直流母线对蓄电池充电，同时提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为直流母线正常的输出电压。
该系统方案任一母线段的充电装置故障或蓄电池组需要核对性充放电试验时，均可将母联开关合上，由另一母线段的充电装置和蓄电池组给整个系统供电。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择102、103或104只。
方案七：
方案七说明：
直流系统由2组蓄电池、3组整流器组成，直流母线为两段单母线接线。
正常运行时，母联开关断开，各母线段的充电装置经直流母线对蓄电池充电，同时提供经常负荷电流，蓄电池的浮充或均充电压即为直流母线正常的输出电压。
该系统方案任一母线段的充电装置故障时，均可投入第三组备用充电装置继续正常运行；当任一母线段的蓄电池组需要核对性充放电试验时，均可将母联开关合上，由另一母线段的充电装置和蓄电池组给整个系统供电；第一、二组充电装置经双投开关可投到充电母线或输出母线上，运行方式灵活。
该系统方案的阀控式铅酸蓄电池组宜选择102、103或104只。
附表1：
铅酸蓄电池个数选择
系统
标称电压
（V）
单只
电池电压
（V）
电池个数
浮充电压
（V）
浮充时
母线电压
（V）
均充电压
（V）
均充时
母线电压
（％）
放电
终止电压
（V）
母线
最低电压
（％）
220
2
106
2.15
227.90
2.30
110.82
1.80
86.73
107
230.05
111.86
1.80
87.54
103
2.23
229.69
2.33
109.1
1.87
87.55
104
231.92
110.14
1.85
87.45
102
2.25
229.50
2.35
108.95
1.87
86.70
103
231.75
110.02
1.87
87.55
108（*）
243.00
115.36
1.80
88.36
6
34
6.75
229.50
7.05
108.95
5.61
86.70
36（*）
243.00
115.36
5.40
88.36
12
17
13.50
229.50
14.10
108.95
11.22
86.70
18（*）
243.00
115.36
10.80
88.36
110
2
52
2.15
111.80
2.30
108.73
1.83
86.51
53
113.95
110.82
1.80
86.73
51
2.23
113.73
2.33
108.03
1.87
86.70
52
115.96
110.15
1.85
87.45
51
2.25
114.75
2.35
108.95
1.87
86.70
53（*）
119.25
113.23
1.80
86.73
54（*）
121.50
115.36
1.80
88.36
6
17
6.75
114.75
7.05
108.95
5.61
86.70
18（*）
121.50
115.36
5.40
88.36
12
9（*）
13.50
121.50
14.10
115.36
10.80
88.36
48
2
23
2.15
49.45
2.30
110.21
1.87
89.60
24
51.60
115.00
1.80
90.00
23
2.23
51.29
2.33
111.65
1.87
89.60
23
2.25
51.75
2.35
112.60
1.87
89.60
6
8
6.75
54.00
7.05
117.50
5.40
90.00
12
4
13.50
54.00
14.10
117.50
10.80
90.00
24
2
12
2.15
26.76
2.30
115.00
1.80
90.00
12
2.23
27.00
2.33
116.50
1.80
90.00
12
2.25
27.00
2.35
117.50
1.80
90.00
6
4
6.75
27.00
7.05
117.50
5.40
90.00
12
8
13.50
27.00
14.10
117.50
10.80
90.00
4.直流系统主要技术参数
4.1.交流输入额定电压：
三相380V
4.2.交流电源频率：
50Hz
4.3.输出额定电压：
110VDC（110V直流电源系统）/220VDC（220V直流电源系统）
4.4.稳流精度：
≤±1%
4.5.稳压精度：
≤±0.5%
4.6.纹波系数：
≤±0.5%
4.7.效率：
≥90%
4.8.噪声：
＜55dB（距离装置1m处）。
5.直流母线接线方式（66-110KV无人值班变电所）
5.1.宜采用单母线或分段单母线的接线。
采用分段单母线时，蓄电池应能切换至任一母线段。
5.2.操作电源宜采用一组１１０Ｖ或２２０Ｖ蓄电池。
蓄电池组宜采用性能可靠、维护量少的蓄电池，如阀控式密封铅酸蓄电池等。
作为充电、浮充电用的整流装置宜合用一套，６６ｋＶ及以上的变电所可采用两套充电装置或单套具有热备用部件的充电装置。
变电所直流系统宜具有自动调节功能，充电装置宜采用智能化整流电源装置。
5.3.采用高频开关充电装置，能自动均衡充电、浮充电及其运行工况的转换，有符合要求的稳压、稳流精度。
有自动调压及过流、过压保护措施。
有绝缘监测功能。
6.直流负荷
直流负荷按功能分类，可分为控制负荷和动力负荷；
按负荷性质分类，可分为经常负荷、事故负荷和冲击负荷。
冲击负荷可分为初期冲击负荷（1min）和随机冲击负荷（5s）
6.1.经常负荷
要求直流电源在正常和事故工况下，可靠供电的负荷称为经常负荷。
110kV无人值班变电站主要的直流负荷有微机保护装置、微机测控装置、安全自动装置、简易的信号报警器等。
6.2.事故负荷
在变电站交流电源系统事故停电时间内由直流电源可靠供电的负荷称为事故负荷。
110kV无人值班变电站事故负荷，主要为照明和各类装置负荷。
装置负荷按最严重事故引起一系列保护动作，引起自动装置动作、断路器解列跳闸。
例如110kV母线保护动作，引起110kV侧失压，低周低压减载装置动作，35kV、10kV有源线路动作跳闸统计。
6.3.冲击负荷
冲击负荷主要有事故初期和过程冲击负荷，110kV、35kV、10kV断路器采用弹簧操作机构，其跳、合闸电流大多在1～2.5A之间（计算时取2A），因此不再考虑事故过程中的随机冲击负荷。
主要统计事故初期冲击负荷。
站内无直流油泵电动机，事故初期冲击负荷主要由备用自投装置动作，投入断路器合闸的合闸电流，以及在备用自投装置动作投入断路器合闸的同时，可能会有一些负荷支路的断路器跳闸，事故初期负荷按这些断路器的跳闸电流之和计算。
，负荷系数Ku，取Ku=0.85
7.负荷统计
7.1.计算依据
根据《35kV～110kV无人值班变电站设计规程》规定，蓄电池组的容量，应满足下列要求：
a）全所事故停电2h的放电容量；
b）事故放电末期最大冲击负荷的容量。
c）事故照明灯在维修人员到达现场后开启，按1h计算。
7.2.负荷统计
根据国网微机保护装置通用技术条件对装置直流电源回路功率消耗的要求：
当正常工作时，不大于50W；当保护动作时，不大于80W。
现在各大厂生产的微机保护、测控装置等直流功耗都低于这个要求。
一般为：
当正常工作时，不大于20-40W；当保护动作时，不大于40-60W。
由于各厂的保护、测控装置的直流功耗大小不一，以及断路器三相操作箱无确切负荷资料，可以粗略估计如下：
单个的功耗按45W统计，负荷系数1.0。
继电保护装置，负荷系数1.0。
主变压器：
50Wx4x2台=400W
10kV系统保护：
45Wx20套=900W
66kV系统保护：
100Wx6条=600W
测控装置:
45x12=540W
安全自动装置和其它设备等计400W
a）经常负荷统计
根据以上统计，变电站经常负荷为2840W
《电力工程直流系统设计手册》中表3-10列出了列出了变电站经常负荷数据统计表，其中最大规模110kV变电站，经常直流负荷为1600W。
参照其他工程的计算经验，也可按照每面屏80W统计；
b）事故负荷统计
事故照明负荷按1h统计;容量2000W
安全自动装置和其它设备等计3.0kW，负荷系数0.6
3.0kWx0.6=1800W
冲击负荷：
冲击负荷为断路器跳合闸时的短时冲击电流。
本站最大的断路器合闸电流按照合跳6台开关计算：
12A。
8.蓄电池容量选择计算（以翁牛特旗66kV那什罕变电站例）
8.1.计算依据
GFM型固定阀控式密封铅酸蓄电池充放电特性及相应技术参数。
蓄电池容量选择计算方法按《电力工程直流系统设计技术规程》（DL/T5044-2004）附录B.2中的电压控制法进行计算。
8.2.计算原则
a）直流系统主接线采用单母线接线，母线电压为220V。
b）本计算书按本工程远景规模对直流负荷进行统计，选择蓄电池。
c）蓄电池选用阀控式密封铅酸蓄电池。
计算时按单个电池浮充电电压为2.25V/个（25°C时）,均衡充电电压最高为2.35V/个考虑,事故放电时间2小时，蓄电池放电末期终止电压为1.87V。
d）直流屏集中布置，均布置在主控制室。
8.3.蓄电池个数及终止电压计算
8.3.1.蓄电池个数选择：
a）按浮充电运行时选择：
n=1.05Ue/Uf=1.05220/2.25=102.67（个）
取103（个）
b）校核均衡充电时直流母线电压：
Uc=（2.35×103）/220=1.10Ue
直流控制母线电压不高于标称电压的110%，电压保持在允许范围内。
c）校核放电终止时直流母线电压：
=（1.87×103）/220=0.876＞0.85Ue
放电终止时直流母线电压保持在允许范围内。
d）蓄电池浮充电运行时，蓄电池组端电压为：
Uc=nxUf=103x2.25=231.75V=1.053Ue
上述规格蓄电池选103只是可行的。
8.3.2.蓄电池容量计算
目前国内常用的蓄电池计算方法有两种；一种为电压控制法（容量换算法）；另一种为阶梯计算法（亦称电流换算法）。
a）220V直流负荷统计表
翁牛特旗66kV那什罕变电站220V直流负荷统计表
序号
负荷名称
装置容量（W）
负荷系数
计算容量（W）
负荷电流（A）
经常电流（A）
事故放电时间及电流（A）
备注
初期1min
持续
0-60m
持续
60-120m
末期
5s
1
经常负荷
2840
1
2840
12.9
12.9
12.9
12.9
12.9
12.9
2
直流常明灯
200
1
200
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
0.9
3
UPS电源
3000
0.6
1800
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
4
事故照明
2000
1
2000
9.1
9.1
9.1
5
其它事故负荷
500
1
500
2.3
2.3
2.3
2.3
2.3
6
跳闸冲击
2600
0.85
2210
10
10
7
合闸冲击
2600
0.85
2210
10
10
8
电流统计（A）
22.0
34.3
24.3
33.4
34.3
9
容量统计（Ah）
24.3
33.4
10
容量累加（Ah）
57.7
b）满足事故全停电状态下的持续放电容量
Cc=Kk（Ah）=1.4×57.7/0.58=139.3Ah
其中：
Cc蓄电池10h放电率计算容量
Csx事故全停电状态下相对应的持续放电时间的放电容量
Kk可靠系数取1.4
Kcc容量系数表示在指定的放电终止电压下，对应的放电时间xh，从附表B.10中查出。
在相同事故放电容量下，放电终止电压越低，蓄电池10h放电率计算容量越小；放电终止电压越高，蓄电池10h放电率计算容量越大。
根据蓄电池10h放电率计算容量Cc值，选择接进该值的蓄电池标称容量C10。
取150Ah
电压水平计算
根据直流母线允许的最低电压，并计及蓄电池至直流母线间的电压降，来校验蓄电池的放电终止电压Ud，应满足Ud≥0.87.5标称电压。
●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
Kcho===2.28≌3
查图B.60曲线，Ud=2.15
UD=103×2.15/220=221.45/220=100.6%满足要求。
放电末期承受随机5s冲击电流时，蓄电池能保持的电压
Kmx=Kk=1.1×57.7/2×15=2.1
Kchm.x=Kk==2.28≌3
查图B.52.0I10曲线，Ud=1.95
UD=103×1.95/220=200.85/220=91.3%
9.充电设备的选择：
9.1.阀控式铅酸蓄电池对充电装置的要求和选择计算
a）充电设备额定输出电流（Ir）=1.25I10+Ijc=1.25×15+13.8=32.55A
b）充电装置最大输出电压（Ur）=nUcm=103×2.35=242.05V
选择额定电流为50A的充电机能够满足要求。
选择最大输出电压为315V的充电设备能够满足要求。
Ijc
c）开关电源电源模块的选择：
●一组蓄电池、一组充电装置的接线
模块数量n-n1+n2n1==（1.25×15+22）/10（单个模块电流）=4
n2=1（当n1≤6）
n2=2（当n1≥7）
d）结论：
根据计算，翁牛特旗66kV那什罕变电站直流设备按如下参数选择能够满足运行要求:
蓄电池组：
，150Ah，103只。
选用一组阀控式密封铅酸蓄电池。
单个电池浮充电电压2.25V/个（25°C时）,均衡充电电压最高为2.35V/个,事故放电末期终止电压为1.87V。
充电机：
一台，额定电流50A，输出电压范围170-315V。
；
10.直流电缆截面的选择：
计算公式
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