变电站直流电源可靠性研究_智能变电站可靠性分析

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变电站直流电源可靠性研究

264200 威海供电公司

摘要：变电站直流系统中蓄电池的选择、充放电设备的选择、监控装置设置、系统接线和操作保护设备的选择会影响整个直流电源系统的可靠性，本文通过对这些问题的分析，对变电站直流电源系统的可靠性提出了一些问题和解决办法。

关键词：直流系统可靠性 直流系统接线 直流系统设备选择 0 概述

多年以来，人们在直流电源可靠性方面做了大量的理论研究和实践工作，废除了一些落后设备和元器件，改善了直流电源系统接线，提高了自动化水平，拥有了先进的技术指标，以及长寿命和少维护的原则，可靠性已大大提高。目前，电力系统各变电站广泛采用了阀控式密封铅酸蓄电池、高频开关整流器或微机型晶闸管整流器、直流微型断路器、直流电源监控装置等。蓄电池

90年代发展起来的阀控式密封铅酸蓄电池由于具有密封良好、无酸无腐蚀、体积小、结构紧凑的特点在国内220kV及以下变电站已普遍采用。近期500kV变电站也在大范围推广使用。它还具有安装方便、维护工作量小、不污染环境、可靠性高、寿命长等一系列优点，因此，阀控式铅酸蓄电池是旧站直流系统改造中蓄电池的最好选择。但是它对温度反应灵敏，因而对充电电源要求较严格，不允许严重的过充或欠充。

因此，在实际选型方面应注意以下问题。

1.1 蓄电池组数的选择

按照《直流系统设计规范》规定，蓄电池组的选择原则上从变电站直流负荷供电可靠性方面考虑，220kV—500kV变电站应装设不少于2组蓄电池，110kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110kV变电站也可装设2组。因此，蓄电池组数应从供电负荷的需要和可靠性出发，尽可能的减少供电范围和从工作的重要性考虑配置情况。

1.2蓄电池个数的选择

阀控式蓄电池取消了端电压和降压装置，它简化了直流系统的接线，避免了端电池的硫化和硅降压设备的麻烦问题，因而提高了可靠性。但是要求蓄电池组的运行必须满足其正常运行时母线电压为标称电压的105%，在线均衡充电电压时母线电压不应超过标称电压的110%，事故放电末期的母线电压为其标称电压的85%。依《直流设计规程》规定，控制负荷和动力负荷的直流母线在直流系统额定电压的85%-110%和87.5%-112.5%范围内。阀控式蓄电池组正常浮充电压运行在Uf=2.23-2.27V,约3-6个月均衡充电一次U=2.30-2.40V。这样浮充电压为2.23V，均充电压可以选在2.28～2.33V之间，事故放电末期电压选择在1.8V以上，完全满足了直流母线电压在允许范围内波动。根据计算，220V蓄电池组的个数对于单体2V的蓄电池只能选择在103或104个。但是大多数小型变电站的220V直流系统的蓄电池均选用200Ah以下蓄电池，大多选用12V或6V组合体蓄电池，对于12V组合体经常选用18只，这相当于单体2V蓄电池108个，这样正常运行时直流母线电压偏高，降低浮充电压则对蓄电池寿命有影响，由于运行中均衡充电时直流母线电压更高，因而更习惯采用硅降压装置调压，增加了复杂性，降低了可靠性。在直流负荷较小、蓄电池容量有保证的情况下，可以提高事故放电末期电压大于1.83V，选择单体2V 102个蓄电池或17只12V组合体，34只6V组合体的蓄电池。目前一些蓄电池厂可以生产带一假体的组合体电池，即生产10V组合体或4V组合体的蓄电池，若选择14×12V+4×10V或34×6V+1×4V也相当于单体2V的104个蓄电池组。总之应严格控制蓄电池组的个数，实现简化直流系统接线的目的。引自王连挥 《老站直流系统改造问题的探讨》

1.3 蓄电池容量选择

选择蓄电池容量首先要进行直流系统负荷的统计，直流负荷按性质可分为：正常运行负荷、事故负荷、冲击负荷。在以往的变电站中，断路器多采用电磁操作机构、其额定合闸电流较大，所以事故放电末期承受冲击负荷时，确保直流母线电压在允许值范围内，是选择蓄电池容量决定性的因素。近来由于断路器都采用弹簧或液压操动机构，其合闸电流很小，这样蓄电池的容量就主要由全站正常运行负荷和事故负荷决定。按照《直流系统设计规范》要求，有人值班变电站，全站交流电源事故停电时间按1h计算；无人值班变电站，全站交流电源事故停电时间按2h计算。

以一个具有2台120MVA主变压器、4回220kV线路、10回35kV线路、20回10kV线路和6组电容器的220kV变电站为例，当变电站断路器采用弹簧操动机构，允许的最低工作电压为85%额定电压时，选择220V额定电压、104只300AH容量的蓄电池即可满足要求。

1.4 试验放电设备的选择

长年运行在浮充电方式下的蓄电池的事故放电容量究竟是多少，若仅依靠一般的容量检测方法其可信度不高。近来，有些直流设备生产厂家虽然积极鼓吹用蓄电池电压、内阻来衡量容量的做法，尽管我们也相信蓄电池容量的降低在一定程度上会反应在电池电压、内阻的变化上，但蓄电池端电压和内阻的的高低绝不是衡量容量的指标。惟一的方法是定期进行核对性充放电对蓄电池活化和对容量进行核对，确保蓄电池始终能运行在90%以上的容量。满足当交流事故停电时，变电站的事故处理时直流负荷的需要。这也是直流电源可靠性的重要环节。

DL/T 5044—2004《电力工程直流系统设计技术规程》规定“试验放电装置宜采用电热器件或有源逆变放电装置。”DL/T 724—2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》也规定了蓄电池的核对性放电方法和放电周期。充电装置

充电装置是保证蓄电池可靠运行的主要设备，特别是阀控式铅酸蓄电池对充电装置的要求更高。由于高频开关电源具有稳压稳流、精度高、体积小、重量轻、效率高，输出纹波小的优点，现在已经被广泛应用。

目前的高频开关电源充电装置采用模块化结构优化设计，充电模块采用N+1冗余方式供电，即在N个模块满足电池组的充电电流（0.1C10）加上经常性负荷电流的基础上，增加一个备用模块。例如：200AH电池组，经常性负荷（Ij）为10A的直流系统，可算出充电机的最大输出电流为：

最大输出电流=0.1C10+Ij=0.1×200+10=30A 如采用容量为10A的充电模块，取N=3，N+1=4，备用模块采用热备份方式，直接参与正常的共作,若充电机任意模块故障,系统只发故障信号并可实施带电更换,而不影响正常的运行方式,可靠性较高。采用高频开关电源无疑成为站用直流系统改造方案的首选。

一般来说，35kV～110kV变电站的直流系统一般选用1组蓄电池配套1套（N+1个模块）或2套（N+1个模块）高频开关电源充电装置。

220kV变电站的直流系统一般采用2组蓄电池配套（N+1个模块）或3套（N个模块）的高频开关电源充电装置。直流电源监控装置

由于变电站及各级调度部门均采用了计算机监测、监控技术。直流电源系统作为变电站自动装置的一个重要组成部分。它对保证变电站各自动装置的安全稳定运行将起到非常重要的作用。它的技术条件、基本参数、基本功能、安全性能、结构工艺等均应满足DL/T 856—2003《电力用直流电源监控装置》电力行业标准的要求，行业标准规定监控的主要内容有充电电压、电流稳定运行的自动调整，浮充转均充或均充转浮充的按运行方式自动转换，主要直流断路器的运行状态和事故报警，直流母线电压的正常显示和异常报警，直流系统绝缘状态监测，蓄电池在线检测等。目前在充电电压、电流随温度变化的自动调整，运行中自动转换充电方式，逆变放电，严重接地自动跳闸，蓄电池在线检测的可靠性和智能化方面仍需努力。直流配电系统

直流系统接线应力求简单、安全可靠、维护操作方便，宜采用辐射形供电方式。根据负荷的功能不同馈线回路可分为：控制回路和合闸回路，各回路所用负荷开关均选用专用直流断路器，分断能力应能保证在直流负荷侧故障时相应支路能可靠分断，其容量与本系统上下级开关相匹配，以保证开关动作的选择性。

4.1 直流系统接线

1组蓄电池接线可为单母线分段或单母线，2组蓄电池设两段母线，两段母线之间设联络电器，一般为隔离开关，必要时可装设保护电器。总之直流母线接1组蓄电池和相应的充电设备，同时由母线馈出线路给支路负荷供电，只有在由双重化直流负荷或1组蓄电池配2套充电设备时，其母线才进行分段。

4.3 操作保护电器选择

直流馈线微型断路器集操作与保护功能为一体，安装方便，操作灵活，稳定性高，保护功能完善。一般两段式保护的直流断路器，具有过载长延时的热脱扣功能，又有短路时电磁脱扣瞬动脱扣功能，应该说是理想的选择。当断路器的额定电流已经确定后，除了过载长延时热脱扣的保护特性已经形成，同时短路瞬时电磁脱扣特性也已形成，一般是10IN±20%动作，可是断路器安装处的短路电流决定短路瞬时脱扣的灵敏度，必须进行计算验证，同时要注意上下级直流微型断路器的配合问题。

直流断路器安装处的短路电流及灵敏度计算公式如下

Idk=nU0/n(r0+rl)+Σrj+Σrk

Kl=Idk/Idz

式中，Idk为断路器安装处短路电流，A；U0为蓄电池开路电压，V；rb为蓄电池内阻，Ω；rl为电池间连接条或导体电阻，Ω；Σrj为蓄电池组至断路器安装处连接电缆或导体电阻之和，Ω；Σrk为相关断路器触头电阻之和，Ω；Kl为灵敏系数，应不低于1.25；Idz为断路器瞬时保护(脱扣器)动作电流，A。引自《电力工程直流系统研究》（佚名）。由于参数复杂，各设计院、生产厂家或运行单位均不可能精确计算短路电流，因此灵敏度也无法校验。

由于短路电流的不确定性，本来按照负荷电流选择额定电流并考虑了上下级的级差配合，但是短路瞬动保护不能保证其级差配合，短路电流大，肯定会出现越级现象而扩大事故。建议在智能型直流断路器没有出现之前，采用三段(过载长延时+短路瞬时+短路短延时)的直流断路器，从负荷侧向电源侧逐级加大时限的方法，不必精确的计算短路电流，可以达到尽快的切除故障，又实现级差配合的要求，使直流系统微型断路器不拒、误动和越级跳闸。结论

变电站直流电源可靠性的基本点是选择阀控式密封铅酸蓄电池，每组蓄电池应有独立的供电范围，蓄电池组个数的选择应满足各种运行方式对直流母线电压的要求，蓄电池应考虑放电设备。整流器选择高频开关型或晶闸管型，应有冗余或备用。直流电源监控装置首先要保证充电整流器的需要，完善的监控装置仍需开发研制。直流配电系统应简化接线，辐射供电，保护设备应选择直流断路器，在满足过载保护可靠性的条件下，还能保证短路保护时的快速断开功能，必须具备可靠的级差配合。参考文献

王连挥 《老站直流系统改造问题的探讨》 《直流电源》2006 佚名 《电力工程直流系统研究》

作者

徐有琳 威海供电公司 工程师 从事变电站直流系统检修维护工作6年