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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 66-110 kV 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 66-110 kV 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
1

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;
2

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=
3

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

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方案一:

控制
R V U

动力

L

A

V

A

V

试验

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。

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方案二:
控制
R V U

动力

CL PL

A

V

A

V

试验

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。

6

方案三:

控制

动力
R V U V

动力

控制

1CL 1PL

2CL 2PL

L

A

V

A

V

试验

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

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方案四:

控制

动力
R V U V

动力

控制

1L

2L

L
A V A V A V

试验

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

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方案五:

控制

动力
R V U V

动力

控制

1CL 1PL

2CL 2PL

L
A V A V A V

方案五说明

试验 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

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方案六:
控制 动力
R V U R U V

动力

控制

1CL

2CL

1L
A V A V

2L
A V A V

试验

试验

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。

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方案七:

控制

动力
R V U R U V

动力

控制

1CL

2CL

1L
A V A V

2L
A V A V

试验

A

V

试验

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。

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附表 1:铅酸蓄电池个数选择
系统 单只 浮充电压 标称电压 电池电压 电池个数 (V) (V) (V) 106 2.15 107 103 2.23 2 104 102 220 103 108(*) 34 6 36(*) 17 12 18(*) 52 2.15 53 51 2.23 2 110 53(*) 54(*) 17 6 18(*) 12 48 2 24
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浮充时 均充电压 母线电压 (V) (V) 227.90 2.30 230.05 229.69 2.33 231.92 229.50 2.25 231.75 243.00 229.50 6.75 243.00 229.50 13.50 243.00 111.80 2.30 113.95 113.73 2.33 115.96 114.75 2.25 119.25 121.50 114.75 6.75 121.50 13.50 2.15 51.60 121.50 49.45 2.30 14.10 9(*) 23 7.05 2.35 14.10 7.05 2.35

均充时

放电

母线

母线电压 终止电压 最低电压 (%) 110.82 111.86 109.1 110.14 108.95 110.02 115.36 108.95 115.36 108.95 115.36 108.73 110.82 108.03 110.15 108.95 113.23 115.36 108.95 115.36 115.36 110.21 115.00 (V) 1.80 1.80 1.87 1.85 1.87 1.87 1.80 5.61 5.40 11.22 10.80 1.83 1.80 1.87 1.85 1.87 1.80 1.80 5.61 5.40 10.80 1.87 1.80 (%) 86.73 87.54 87.55 87.45 86.70 87.55 88.36 86.70 88.36 86.70 88.36 86.51 86.73 86.70 87.45 86.70 86.73 88.36 86.70 88.36 88.36 89.60 90.00

52 51

23 23 6 12 8 4 12 2 24 6 12 12 12 4 8

2.23 2.25 6.75 13.50 2.15 2.23 2.25 6.75 13.50

51.29 51.75 54.00 54.00 26.76 27.00 27.00 27.00 27.00

2.33 2.35 7.05 14.10 2.30 2.33 2.35 7.05 14.10

111.65 112.60 117.50 117.50 115.00 116.50 117.50 117.50 117.50

1.87 1.87 5.40 10.80 1.80 1.80 1.80 5.40 10.80

89.60 89.60 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 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,
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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。110 kV 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。110 kV 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 110 kV 母线保护动作,引起 110 kV 侧失压,低周低压减载装置动作, 35 kV、10 kV 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, 1 1 0kV、35 kV、10 kV 断路器采用弹簧操作机构, 其跳、 合闸电流大多在 1~2.5 A 之间 (计算时取 2 A) , 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《35 kV~110 kV 无人值班变电站设计规程》规定,蓄电池组的容量,
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应满足下列要求: a) 全所事故停电 2 h 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 1 h 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 50 W;当保护动作时,不大于 80 W。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 20-40 W;当保护动作时,不大于 40-60 W。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: 45 x12=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 3.0kW x0.6=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。
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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/T 5044-2004) 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 = 1.05 Ue / Uf = 1.05 220 / 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=1.10 Ue 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>0.85 Ue 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 = n x Uf =103x2.25 =231.75V=1.053Ue
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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 负荷系 计算容 负荷电 经常电 量(W) 数 量(W) 流(A) 流(A) 事故放电时间及电流(A) 初期 持续 1min 1 2 3 4 经常负荷 直流常明灯 UPS 电源 事故照明 持续 末期 5s 12.9 0.9 8.2 9.1 2.3 备注

0-60m 60-120 m 12.9 0.9 8.2 12.9 0.9 8.2 9.1

2840
200 3000 2000 500 2600 2600

1 1 0.6 1 1 0.85 0.85

2840
200 1800 2000 500 2210 2210

12.9 0.9 8.2 9.1 2.3 10 10

12.9 0.9 8.2

12.9 0.9 8.2

5 其它事故负荷 6 7 8 跳闸冲击 合闸冲击 电流统计(A)

2.3 10

2.3

2.3

10 22.0 34.3 24.3 24.3 33.4 33.4 57.7 34.3

9 容量统计(Ah) 10 容量累加(Ah)

b) 满足事故全停电状态下的持续放电容量
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Cc=Kk(Ah)=1.4×57.7/0.58=139.3 Ah 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

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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.6 0 曲线,Ud=2.15 UD=103×2.15/220=221.45/220=100.6%

满足要求。

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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.5 2.0I10 曲线,Ud=1.95

UD=103×1.95/220=200.85/220=91.3%
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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=32.55 A b) 充电装置最大输出电压(Ur)=nUcm=103×2.35=242.05 V 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+ n2 n1 ==(1.25×15+22)/ 10(单个模块电流)=4

n2=1 (当 n1≤6) n2=2 (当 n1≥7)
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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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变电站直流系统简介
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220kV变电站直流系统设计(李斌)定稿
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