110kV无人值班变电站直流电源设计方案选择 110kV无人值班变电站直流电源设计方案选择 110kV无人值班变电站 直流电源设计方案选择 110kV无人值班变电站直流电源设计方案选择 THE DESIGN’S PROJECT SELECTION OF 110kV UNMANNED SUBSTATION’S THE DC POWER Duane Jailing Weaning Electric Power Bureau Weaning ，Shane ，714000 China ［ ABSTRACT ］ This paper discusses about the DC power’s commutating system 、 storage battery’s system etc. ， puts forward design’s project selection principle of 110kV unmanned substation’s the DC power。 ［ KEY WORDS ］110kV unmanned substation ； DC power ； design’s project selection ［摘要］本文讨论了直流电源的整流系统、蓄电池系统等诸多方面，提出了110kV无人值班变电站直流电源设计方案的选择原则。 ［关键词］110kV无人值班变电站 直流电源 设计方案 1、前 言 1.1变电站直流电源是变电站非常重要的一种二次设备，它的主要任务就是给继电保护、开关合分及控制提供可靠的直流操作电源，其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。 1.2近几年来，无人值班变电站的建设在全国迅速发展和普及，与之相配套的设计规范和设备选择原则也逐渐成熟。但作为变电站监控和保护重要环节的直流电源却鲜有论及，没有引起人们应有的重视。在变电站实行无人值班后，要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。 1.3随着电力电子技术的迅速发展，直流电源制造技术也取得了飞跃发展，整流系统由过去的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，使直流电源具有智能化，能够和变电站综合自动化网络连接，具有三谣功能。近年来，开关电源在变电站也获得了广泛应用。 1.4电池技术近年来也有了很大发展，前几年变电站主要应用固定式防爆铅酸蓄电池，自八十年代以来推广使用了镉镍碱性蓄电池，现在，阀控式密封铅酸蓄电池得到了广泛应用。 1.5本文从直流电源的整流系统、蓄电池系统和直流绝缘监测等几个方面讨论110kV无人值班变电站直流电源设计方案的选择原则。 2、 整流系统∶ 2.1 过去，110kV变电站应用较多的整流器为磁放大型整流器和由分立元件或集成电路控制的可控硅型整流器。目前，在110kV无人值班变电站中，普遍采用的整流器为由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器，直流电源具有智能化，能够和变电站综合自动化网络连接，具有三遥功能。微机型整流器的电气框图如图一∶ 2.2 微机型整流器的基本要求∶ 2.2.1全自动兼容手动功能，从开机到主充、均充、浮充，全自动化切换。 2.2.2整机按编制好的主充电、均充电、浮充电、正常运行、电网解列、恢复送电等程序，实行自控制、自诊断、自报警、自存贮和自打印，无需人员干预。 2.2.3带有谣信、遥测、遥控接口，与调度中心联网，受调度中心控制和操作，全面实现了直流电源的无人值班。 2.2.4按键和显示面板直观显示，可设定电压、电流值，可随时修改充电装置工作参数。 2.3 相控整流系统的基本原理： 三相交流电源经整流变压器隔离和变压，可控硅调压后全桥整流，滤波整形后输出直流电压。通过取样比较放大及触发器电路，控制可控硅的导通角，使能得到稳定的输出电压。其结构框图如图二∶ 2.4 相控整流系统的特点∶ 2.4.1 充电装置一般采用两台相同的充电浮充电装置，一台工作，另一台备用，每台均能进行充电、浮充电和均衡充电，做到一机多功能，两台充电浮充电装置互为备用。 2.4.2充电过程既恒流充电—均衡充电—浮充电，全由自动装置或微机控制来处理。 2.4.3在任何情况下，当电网解列或交流电源失电时，蓄电池组都能无间断地向控制母线供电，确保继电保护、自动装置、高压开关均有控制和操作电源。 2.5开关电源的基本原理∶ 单相(或三相)交流电源经滤波整流后，将滤波后的直流电源变换为数十或数kHz的高频方波或准方波交流电，通过高频变压器隔离后，再高频整流滤波，最后输出直流电压。通过取样比较放大及控制驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。其结构框图如图三∶ 2.6 高频开关电源的基本要求： 1、 充电方式采用高频开关电源模块 2、 体积小,重量轻,容量大 3、 采用N+1备份,经济性好,可靠性高 4、 模块本体能自动均流,充电电流连续可调,充电方式全部按程序进行 5、 模块可任意并联,并可在线操作 6、 隔离性好,设有完善的自我保护系统 7、 功率因数高,效率高 2.7 整流系统的监控： 在无人值班的条件下，充电系统根据蓄电池运行状态具有自动强充、均充、浮充功能，并具有较高的稳压、稳流精度，且稳压、稳流能自动转换。对交流输入电压的过高〔超过380V+10%〕、过低〔低于 380V-10%〕，设有软保护，既一旦故障排除，直流电源具有自动恢复到正常运行状态的功能。微机监控接口能和变电站综合自动化连接，使直流电源的运行状况及时方便的传输到集控中心，一般应具有“三遥”功能，既遥测、遥信和遥调功能。 2.7.1遥测 2.7.1.1 控制母线电压 2.7.1.2 合闸母线电压 2.7.1.3 蓄电池充电、浮充电电流 2.7.1.4 直流母线绝缘电阻 2.7.2 遥信 2.7.2.1 整流装置交流失电 2.7.2.2 直流电压异常 2.7.2.3 直流系统接地 2.7.2.4 操作设备关合位置 2.7.2.5 整流系统故障 2.7.3 遥调 2.7.3.1 浮充电压 2.7.3.2 充电电压 2.7.3.3 充电电流 2.8 直流电源的配置 2.8.1 整流器交流输入回路的数量 直流电源的交流电源一般由交流站用电屏提供，如果有两台站用变，两路交流电源的切换一般在交流站用电屏内完成，这样给直流电源屏输入一回交流进线即可。如果交流站用电屏不具备自动投切功能，这样直流电源屏就需输入两回交流进线，在直流电源屏内实现自动切换。 2.8.2 高频开关整流模块和充电设备数量的选择原则 对于相控整流电源，一般要求有两套独立的整流系统，一套工作，一套备用，并能自动切换。对于高频开关电源，采用N＋1模块冗余设置方式，这是因为一个模块故障不影响整组充电设备的正常工作，这与单机工作的相控充电设备有着质的不同。同时，高频开关整流模块可带电插拔，使得故障更换没有时间限制。 根据<<火力发电厂、变电站直流系统设计技术规范>>(DL/T5044-95)，充电设备的额定电流应为: Is=0.1C10+If 式中 Is—充电设备的额定电流 If—直流系统经常负荷电流 C10—蓄电池10小时放电电流 2.8.3 直流母线硅堆降压回路的设置 过去变电站的断路器多为电磁机构，合闸电流较大，另外，蓄电池在充放电过程中的电压变化较大，为满足对直流母线电压水平的要求，一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。降压硅堆采用多个二极管串联而成，分组控制投切，使接线和布置复杂化，而且，硅元件容易发生击穿和开路，严重影响直流系统供电的可靠型。目前，变电站的断路器多采用弹簧和液压机构，合闸电流较小，采用阀控式铅酸免维护蓄电池，在充放电时电压变化范围小，可以不设硅堆降压装置，把合闸母线与控制母线合二为一。 2.8.4 直流配电开关的选择 过去的直流配电系统一般都采用负荷开关加熔断器的形式，存在着防护等级低，占用空间大，维护不便等问题。现在，随着国内外直流专用断路器的出现，直流系统的配电可以集中布置，节省空间和屏位，而且也容易接线，如采用正面开启式结构，更容易进行更换和维护。目前，国外生产的小型直流断路器，直流分断能力可达DC250V/10kA ，完全可以满足控制负荷馈电用，大容量的直流断路器，直流分断能力可达DC250V/50kA ， 可以满足动力负荷馈电用。另外，这些直流断路器可以方便地加装辅助触点和故障报警触点。国内个别厂家，将小型交流断路器用在直流220V的线路中，由于其分断能力达不到要求，在过负荷或短路的情况下，造成开关烧毁或越级跳闸的情况时有发生，严重影响直流供电的可靠型。 2 蓄电池系统: 3.1变电站的直流系统是一个不间断的直流电源，要求配置蓄电池系统。蓄电池组是一种独立的电源，不受交流电源的影响，因而整流系统交流失电或发生故障时，蓄电池继续给控制、信号、继电保护和自动装置供电，同时还可以保证事故照明用电。由于蓄电池电压平稳、容量大，既适合于各种较复杂的继电保护和自动装置，也适合于对各类型断路器的传动。多年来变电站主要应用固定式防爆铅酸蓄电池，自八十年代以来推广使用了镉镍碱性蓄电池，现在，阀控式密封铅酸蓄电池得到了广泛应用。 3.2 固定式铅酸蓄电池 固定式铅酸蓄电池历史悠久，具有容量大、寿命长、易浮充电等特点，既适合长时间小电流放电使用，又适合大电流瞬时放电使用，性能可靠、维护方便。但它由于有酸雾排出和少量析氢，需要有专用的具有通风条件的蓄电池室，不可与成套直流电源柜一起安装，现在一般都不选用这种蓄电池。 3.3 镉镍碱性蓄电池 镉镍碱性蓄电池有开口板盒式和开口烧结式两大类，其主要特点是电池内阻低、可靠牢固、温度特性好、运行维护方便、寿命长、放电倍率高，但该类蓄电池有爬碱和漏液现象，且维护比较麻烦，目前也很少使用。 3.4 阀控式密封铅酸蓄电池 阀控式密封铅酸蓄电池是近年来发展起来的新型蓄电池。该类蓄电池多采用紧装配密集极板，超细玻璃纤维作隔膜，贫电液结构。也有采用管式正极板，专用隔板胶体电解液的富电液结构的，其基本原理都使气体在极板间转移，促进了再化合反应，同时利用减压阀保持电池内部有一定压力。这类蓄电池具有防酸式铅酸蓄电池的优点，而且基本上属于免维护，同时由于没有酸雾和氢体排出，可以与成套直流电源柜一起安装在主控室，现在已广泛应用于各类变电站中,为无人值班变电站首选蓄电池。 3.5 蓄电池容量的选择 选择蓄电池容量的方法有电压控制法和阶梯负荷法，一般常用电压控制法，按照满足事故全停电状态下的持续放电容量和事故全停电状态下的冲击电流值来选择蓄电池容量。但是应注意在过去有人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按1h计算，而无人值班变电站的设计规范规定全站事故所用电停电时间按2h计算，这是考虑事故停电后增加维修人员前往变电站的路途时间1小时。 3.6. 蓄电池系统的监控 直流电源应具有蓄电池实时监控装置，且监控装置能实现和变电站的综合自动化设备连网。实时监测单个电池及整组电池运行状态〔电压,电流等〕，电池异常时〔短路、开路等〕发送告警信息。应注意监控装置与蓄电池连线用导线绝缘强度要高〔≥1000V〕，且安装规范要合理。 4 直流绝缘监测系统 4.1 变电站直流系统是一个十分庞大的多分支供电系统，其常见的故障是一点接地故障。在一般情况下，一点接地并不影响直流系统的运行。但如不能迅速找到接地故障点并予以修复，又发生另一点接地故障时，就可能造成继电器或保护装置的误动作，酿成重大事故。 4.2 过去，变电站直流系统一般选用电磁型继电器构成的绝缘监测装置，它是利用电桥平衡的原理，主要存在以下问题∶1、当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时，电桥未失去平衡， 绝缘监测装置不能发出报警信号；2、 绝缘监测装置发出报警信号后，运行人员需要通过拉路的方法确定接地支路，费时费力且存在安全隐患。 4.3 在无人值班条件下，要求直流系统配置微机型直流系统故障监视装置。其基本功能是在线监测直流系统的母线电压和对地绝缘电阻，显示母线电压值和正负母线对地绝缘电阻值。当母线电压过高过低或对地绝缘电阻过低时发出相应的告警信号，告警门限参数可手工设置。另外，监测装置具有支路巡检功能，可以在线检测各馈线支路的绝缘电阻，通过RS485或RS422串口，监测装置可以将直流系统正负母线对地的绝缘电阻值上送至系统监控单元。 目前,微机型接地选线装置的原理分以下几种∶ 1、利用直流传感器来检测各直流支路的对地漏电流来判断支路是否发生接地。 它是将直流供电系统的某一支路的正负极同时穿入高灵敏的直流传感器中，当支路对地绝缘正常时，穿过直流传感器的电流大小相等，方向相反，既总的电流为零，直流传感器的输出也为零。当支路的某一极对地绝缘电阻下降到一定程度时〔也称为接地时〕，那么这两极的电流会出现一个差值，也就是出现对地漏电流，直流传感器就会产生输出，以此来判明该支路是否发生接地故障。 存在问题：该方法比较理想化，不需要向直流系统注入信号，且不受线路对地电容影响，直接采样对地漏电流，利用欧姆定律直接计算接地线路的接地电阻。 若直流传感器采用磁平衡原理，做成有源传感器，当一次侧有电流变化或有冲击电流时，易发生剩磁变化。若直流传感器做成无源传感器，受电流冲击后剩磁变化更大。这种剩磁变化会严重造成电流电压放大器及数模转换器的直流偏移，只有及时调节装置的零点及传感器特性，才能保障选线装置的精度及稳定性。这种做法给现场带来极大的不便和麻烦，且造成选线装置的不准。 2. 在直流母线上注入低频交流信号 它是将直流供电系统的某一支路的正负极同时穿入高灵敏度的交流传感器中，当直流系统接地时，装置自动产生低压低频交流信号〔一般电压为10V左右，频率为10Hz左右〕，经电容注入母线，接地支路的交流传感器二次侧就会检测到低频交流信号，以此来判明该支路是否发生接地故障。 存在问题：影响该方法选线正确性的主要问题是线路对地电容的影响，为了去掉电容电流的影响，一般采用以下三种方法：1、用功率方向原理去掉电容无功电流； 2、用硬件锁相方法去掉电容电流；3、用软件锁相方法去掉电容电流。对于方法1和2，由于注入的低频信号电压较低，当接地电阻较大时，交流传感器一次电流很小，要将传感器二次侧电流转换为计算机可分析的信号，放大器放大倍数很大，输入电路任何元件参数的微小变化都会影响计算的准确性，用硬件锁相方法，不仅调试工作量大，而且装置的适应能力极差。用软件锁相的基本思想是用软件自动跟踪设备参数及回路对地电容的变化，从而较好地弥补了用硬件锁相方法的缺陷。 5 变电站通讯用直流电源 5.1变电站实行无人值班后，变电站的所有信息需要通过通讯远动设备可靠迅速地传输到集控站或调度端，因此通讯远动设备运行的可靠性显得尤为重要，而通讯远动设备供电电源是否能稳定运行是通讯远动设备可靠运行的重要环节。 5.2过去，通讯远动设备的电源是独立的一套电源系统，由充电机、蓄电池组和配电屏组成，有专用的通讯电源室，由变电站运行人员负责管理。变电站实行无人值班后，通讯远动设备的电源处于无人管、理无人监护、无人维护的状态，一旦出现问题，也不能及时反映给维修人员，这对变电站的安全运行会造成很大的隐患。 5.3为解决变电站无人值班后通讯远动设备的电源问题，利用变电站现有的220V直流系统，在直流电源装置上安装两台 -220V/-48V 10A直流变换器，其接线如图四∶ 这样处理通讯远动设备的电源问题，具有以下优点： 1、减少了一套通讯远动专用的直流电源系统，同时也省去了相应的厂房等设施，节省了投资和维护费用。 2、两台 -220V/-48V 直流变换器并联运行，互为备用， 直流变换器含有微机接口，和变电站综合自动化通讯网相连，具有实时监测功能，这也为通讯用直流电源提供了可靠保证。 3、控制和保护用直流电源与通讯远动用直流电源合二为一，控制和保护用直流电源配备的大容量的蓄电池也为通讯用直流电源提供了大容量的后备电源。 4、控制和保护用直流电源是变电站非常重要的设备，操作队人员巡视时重视，安全运行可靠性高，这也为通讯远动用直流电源提供了可靠保证。 6、结论∶ 6.1. 直流电源是电力系统重要设备，作为变电站自动控制、保护、开关分合、事故照明等的重要电源，其性能和质量的好坏直接关系到电网的稳定运行和设备安全。在变电站实行无人值班后，要求直流电源的可靠性及自动化程度更高、功能更完善。 6.2 在110kV无人值班变电站中，普遍采用的整流器为由微机控制的可控硅型整流器和高频开关模块型整流器，直流系统具有智能化，能够和变电站综合自动化网络连接，具有三遥功能。 6.3 阀控式密封铅酸蓄电池是近年来发展起来的新型蓄电池,具有免维护特性，可以与成套直流电源柜一起安装在主控室, 非常适合应用于110kV无人值班变电站中。 6.4 在无人值班条件下，要求直流系统配置微机型直流系统故障监控装置，且监控装置能实现和变电站的综合自动化设备连网。 6.5 在直流电源装置上安装两台－220V/－48V 10A直流变换器，解决了变电站无人值班后通讯设备的电源问题，具有很强的经济性和实用性. ----------------------------------------------