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1、发电厂 、 变电站直流电源系统优化设计赵东宇( 阿城继电 器股份有限公司黑龙江 阿城 150302)摘要: 讨论了直流电源的充电系统、 蓄电池系统 、 绝缘监测系统 、 事故照明系统 、 电力 UPS、 通讯用直流电源诸多方面 ,提出了电力系统直流电源设计方案的选择原则 。关键词 : 直流电源 ; 系统 ;优化设计0前言直流电源是电力系统中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不间断直流操作电源, 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。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, 直流系统由过去的分立元件和集成电路控制
2、发展为微机控制, 使直流电源具有智能化、 网络化 , 能够和变电站综合自动化网络连接,具有四遥功能 , 具有直流系统操作简单、维护简单、 高可靠、组 态升级容易、 网络化等特点。近 年来, 高频开关电源、 电池在线监测、 绝缘在线监测在发电厂、变电站中获得了广泛应用。本文从直流电源的充电系统、 蓄电池系统和直流绝缘监测等几个方面讨论电力系统中直流电源设计方案的选择原则。1双充电机双电池直流系统简介双充电机双电池直流系统原理图如图1 所示。图 1双充电机双电池直流系统原理图此直流系统原理是采用双充电机双电池构成的 22 系统 ,因为采用的是双机备份,所以一般用在重要不能长时间停电的变电站中。此系
3、统由两套充电机、两组蓄电池、 两套电池巡检装置、 一套微机绝缘装置、两段母线及开关构成。为防止两组蓄电池并列运行 , 造成两组蓄电池之间环流, 安装了四只隔离二极管(1D1、 1D2、 2D1、 2D2)。这里需要指出的是尽量不采用两套微机绝缘装置分挂两段母252006年 3 月第 1 期赵东宇 :发电厂 、 变电站直流电源系统优化设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 线上, 而采用两段母线共用一套微机绝缘装置,
4、这是因为有些微机绝缘装置工作原理是检查接地时对地注入信号 , 当任何一套充电设备故障时, 合上Q5 母连开关 , 两段母线合为一段 , 当有 接地故障时,两套绝缘装置都对接地点注入信号, 将互相干扰,严重影响接地点的正确查找。1 1充电系统过去 , 应用较多的充电机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充电机。目前, 普遍采用的充电机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、 网络化 , 能够和变电站综合自动化网络连接,具有遥测、遥信、 遥控、 遥调四遥功能。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
5、、浮充电和均衡充电, 做到一机多功能, 两台充电装置互为备用。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。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。1 1 1微机控制的可控硅整流器微机控制的可控硅整流器主回路采用三相全控桥 , 将交流整流形成脉动直流, 再通过电抗器 , 电容滤波器形成纹波小于2% 的直流。采样用传感器,控制回路以TC787为核心 , 采用双环反馈 , 控制移相触发器 , 来实现稳流和稳压。全自动兼容手动功能 , 从开机到主充、 均 充、 浮充 , 全自
6、动化切换。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 , 无需人员干预。带有谣信、遥测、 遥控、遥调接口 , 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。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。1 1 2高频开关电源模块( 充电模块 )与监控装置充电模块具有体积小, 重量轻 , 容量大等特点 ,采用 N+ 1 备份 , 经济性好 , 可靠性高等特点。充电模块工作原理如图2 所示。图 2充电模块原理图三相交流电源经过EMI 滤波器输入到整流电路,将交流整流
7、为脉动的直流输出, 通过无功率因素校正 ( PFC)电路 , 将脉动的直流转换为平直的直流电源 , DC AC 高频逆变器将直流转换为高频交流电源 , 通过高频整流电路将高频的AC 转换为高频脉动的直流 , 此直流通过高频滤波输出。其中DCAC 高频变换电路在脉宽调制(PWM) 电路的控制下通过调整变换电路的脉冲宽度, 以实现电压调整( 包括稳压和电压整定) 。整个充电模块在微机系统的监控下工作, 包括模块的保护、 电压调整等 , 同时微机实现将充电模块的运行数据上报到监控模块和接受监控模块的控制命令。充电模块的主要功能是实 现 AC DC 变 换。充 电模块 可以 在自 动( 监控模块控制)
8、和手动 ( 人为控制 ) 两种工作方式26电站设备自动化2006年 3 月第 1 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 下工作。高频开关电源模块的通用技术指标如表1 3 所示。表 1充电模块输入特性表项目指标输入电压323V 475V(三相三线制 )输入电流110V 20A8A220V 10A8A110V 10A4 A220V 05A4A交流输入频率50Hz! 10%功率因数0. 92效率94%表 2充电模块输出特性
9、表项目指标备注输出电压范围198 286V(220V系列 )99 143V(110V系列 )输出电流220V10A:额定输出10A220V05A : 额定输出5A110V20A:额定输出20A110V10A: 额定输出10A最 大 输 出 为 额 定 值的 105% 110%电压上升时间3 8 秒软启动时间输出恒流范围10% 100%稳流精度! 1%负载电压纹波系数0. 03%0. 05%稳压精度! 0. 5%温度系数 ( 1 ? )0.2 #表 3充电模块保护特性表项目指标备注输出短路回缩回缩电流 ? 40% 额定电流 ,可恢复输出过压保护220V系列 : 291! 4VDC110V 系列
10、:146! 2VDC可由监控模块设置输出欠压告警220V系列 : 194 ! 4VDC110V 系列 :! 2VDC输入过压保护点480 ! 5VAC , 可恢复 , 回差 5 15V输入欠压保护点318 ! 5VAC,可恢复 , 回差 10 20V缺相保护可恢复过温保护过温保护点 : 90? , 降 温后恢复精度 : ! 5?监控装置配有标准RS- 485或 RS- 232 接口 ,微机监控接口能和发电厂、 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 , 具有遥测、遥信、 遥控和遥调功能。具体指标如表 4 所示。272006年 3 月第 1 期赵东宇 :发电厂 、
11、变电站直流电源系统优化设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 表 4监控功 能说明项目指标备注遥信监控模块的保护信号( 交流过、欠压 , 缺相 , 输出过、欠压 , 模块过 温等信 号)和故障信号。遥测测量充电模块的输出电压、电流。遥控遥调根据监控单元的命令, 控制充电模块的开关机 , 均 浮充转换。根据监控单元的命令, 调节模块的输出电压。根据监控单元的命令 ,在 10% 100%范围内调节充电模块的输出电流限流点
12、。同时具 备手 动 控制 ,可 以 屏 蔽 监 控 单 元的控制。2直流电源的配置2 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 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
13、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 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 ( 220V 系统电池多采用108 只 )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(220V ! 5) , 一般在合闸母线
14、与控制母线之间设置硅堆降压装置。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(220V 系统电池多采用 104只), 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 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
15、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DC250V50kA , 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性。3蓄电池系统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
16、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。多年来发电厂、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28电站设备自动化2006年 3 月第 1 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 广泛应用。3 1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
17、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 2蓄电池系统的监控蓄电池是电源系统的重要组成部分, 是重要场合供电的最后一道防线, 因电池问题造成的事故或停机损失远比电池本身价值要高昂得多, 因此直流电源应配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。蓄电池监控装置应具有电池组电压监测、单电池电压监测、电
18、池内阻监测、 环境温度监测、 充电电流和放电电流监测 , 还同时实现浮充电压报警、内阻事件报警、过放电报警、充电、 放电电流过大报警、 电池开路报警、 电池短路报警等。4直流绝缘监测系统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。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( 当直流系统正负极绝缘电阻同等下降时, 电桥未失去平衡,
19、 绝缘监测装置不能发出报警信号; 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。如今, 直 流系统配置微机型直流绝缘监测装置。直流监测系统采用平衡桥及不平衡桥相结合的原理 , 检测母线对地绝缘状态。不向直流系统输入信号 , 不受直流馈线对地电容影响。支路检测使用差值计算 , 准确计算出正、 负母线接地阻抗及各支路正、负端接地阻抗, 当检测到接地阻抗值小于设定报警阻抗值时, 设备给出 报警信号及其阻抗值, 直到报警信号消除为止。该系统具有三种检测方式 : 自动巡检、平衡巡检、不平衡巡检。用户可根据实际需要设定设备的工作状态。平衡检测是利用平衡
20、电桥及各支路的传感器检测母线及支路的接地情况 ; 不平衡检测是利用不平衡电桥检测; 而自动检测主要是利用平衡电桥进行检测,当有接地发生时 , 平衡电桥被破坏, 系统将自动启动不平衡检测 , 以准确检测出接地支路及其接地阻抗值。其基本功能应能完成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及个支路对地的绝缘电阻值上送至系统监控单元。
21、5事故照明系统在发电厂、变电站站内发生事故, 站用交流全部失电时 , 需要一套事故照明系统给变电站照明系统提供直流不间断供电, 以利于站内维修人员及时处理故障。事故照明系统原理图如图3 所示。事故照明系统选用时,一般要根据变电所照明网络供电, 变 电 所 中 正 常 照 明 网 络 电 压 应 为 AC380AC220V, 事故照明电源可由直流电源屏提供, 其电源电压为 DC220V或 DC110V。照明器端电压的偏移,一般不应高于额定电压的105% ; 对视觉要求较高的室内照明为额定电压的97. 5% , 如中控制室、 生产办公楼等; 一般室内、 室外工作场所的照明为额定电压的95% ; 事
22、故照明、道路照明、 安全照明 及 电 压 为 12 36V 的 照 明 为 额 定 电 压 的90%。变电所中正常照明供电由一台或二台所用电提供 , 先 引到交流电源屏再由该屏分配若干回路, 引至照明配电箱。交流电源屏兼顾其他电气二次设备微机、 通讯等供电。事故照明系统应由直流电源屏直流系统供电。事故照明与正常照明可同时运行 , 正常时由所用电源供电, 事故时应能自动切换到直流母线供电。变电所的事故照明根据具体情况也可以采用多盏应急灯照明。变电所照明292006年 3 月第 1 期赵东宇 :发电厂 、 变电站直流电源系统优化设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
23、- - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 线路负荷计算 , 应根据照明线路所带负荷具体情况及分支、干线特性进行计算, 具体公式如下 :照明分支线路负荷计算:Pjs= ) Pz(1+) ( kW)照明主干线路负荷计算:Pjs= ) KxPz(1+) ( kW)照明负荷不均匀分布时负荷计算:Pjs= ) Kx3Pzd(1+) ( kW)式中 :Pjs? 照明计算负荷( kW)Pz? 正 常 照 明 或 事 故 照 明 装 置 容 量( kW)Pzd? 最大一相照明装置容量(kW)Kx-照明装
24、 置需要系数: 中控室、屋内配电装置 , 取 Kx 为 0. 85; 屋外照明 , 取Kx 为 1 0; - 镇流器及其他附件损耗系数。如 : 白炽灯、卤钨灯 , 取为 0; 气体放电灯取为 0 2。图 3事故照明原理图6电力 UPS变电站内应安装一台或两台电力UPS,根据所需 UPS容量大小可以安装在事故照明屏内或单独组屏。电力 UPS 有两种 作用 , 一是 与事故照明系统配合对站内提供不间断交流供电, 二是对站内微机监控系统提供稳定、 可靠的交流不间断供电。电力 UPS可以采用控制和保护用直流电源配备的大容量的蓄电池做为电力UPS 的后 备电源 , 这 样可以不用为 UPS 单配蓄电池,
25、 既节省安装空间又减少电池故障点并节省资金。UPS 应具有先进的脉宽调制技术 , 完全正弦波电压输出、完善的电源保护和监控管理功能、 电磁抗干扰、 输入电压范围宽广、 内部设有静态开关, 以零秒的转换时间切换到旁路供电、提供 RS- 232通讯接口并应有若干报警接点输出。单机UPS接线原理图如图4 所示。在重要的场合一般需要两台 UPS100%冗余 ,正常时一台工作, 另一台热备。当其中任一台故障或退出时 , 另一台自动投入。双机UPS互为 备份原理图如图5 所示。图 4单机 UPS接 线原理图7通讯用直流电源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
26、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。一种方法是 , 通讯远动设备的电源是独立的一套电源系统 , 由-48V 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30电站设备自动化2006年 3 月第 1 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 责管理或通过通讯端口与上位机相连实现无人职守。这种方法需要单配一
27、组蓄电池。图 5双机 UPS互为备份原理图另一种方法是, 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 -48V10A 直流变换器。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
28、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。8结论直流电源是电力系统重要设备, 作为发电厂、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。特别是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。所以在电力系统中正确配置直流系统对电网的稳定运行和设备安全是至关重要的。参考文献 : 1关根志 , 贺景亮 .电气设备的绝缘在线监测与状态维修 2姜丽君 .集成电路物移相触发器%电力电子技术&1988年 3李中川 .%酸蓄电池监测基础知识&2000 年收稿日期 :2006 年 1月作者简介 :赵东宇 , ( 1973 年- ) 男, 工程 师, 主要从事电源产品的开发工作。312006年 3 月第 1 期赵东宇 :发电厂 、 变电站直流电源系统优化设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - -