1、發電廠、變電站直流電源系統優化設計趙東宇(阿城繼電器股份有限公司黑龍江阿城150302摘 要:討論了直流電源的充電系統、蓄電池系統、絕緣監測系統、事故照明系統、電力UPS、通訊用直流電源諸多方面,提出了電力系統直流電源設計方案的選擇原則。關鍵詞:直流電源;系統;優化設計0 前言直流電源是電力系統中非常重要的一種二次設備,它的主要任務就是給繼電保護、開關合分及控制提供可靠的不間斷直流操作電源,其性能和質量的好壞直接關系到電網的穩定運行和設備安全。隨著電力電子技術的迅速發展,直流電源制造技術也取得了飛躍發展,直流系統由過去的分立元件和集成電路控制發展為微機控制,使直流電源具有智能化、網絡化,能夠和

2、變電站綜合自動化網絡連接,具有 四遙功能,具有直流系統操作簡單、維護簡單、高可靠、組態升級容易、網絡化等特點。近年來,高頻開關電源、電池在線監測、絕緣在線監測在發電廠、變電站中獲得了廣泛應用。本文從直流電源的充電系統、蓄電池系統和直流絕緣監測等幾個方面討論電力系統中直流電源設計方案的選擇原則。1 雙充電機雙電池直流系統簡介雙充電機雙電池直流系統原理圖如圖1 所示。圖1 雙充電機雙電池直流系統原理圖此直流系統原理是采用雙充電機雙電池構成的22系統,因為采用的是雙機備份,所以一般用在重要不能長時間停電的變電站中。此系統由兩套充電機、兩組蓄電池、兩套電池巡檢裝置、一套微機絕緣裝置、兩段母線及開關構成

3、。為防止兩組蓄電池并列運行,造成兩組蓄電池之間環流,安裝了四只隔離二極管(1D1、1D2、2D1、2D2。這里需要指出的是盡量不采用兩套微機絕緣裝置分掛兩段母線上,而采用兩段母線共用一套微機絕緣裝置,這是因為有些微機絕緣裝置工作原理是檢查接地時對地注入信號,當任何一套充電設備故障時,合上Q5母連開關,兩段母線合為一段,當有接地故障時,兩套絕緣裝置都對接地點注入信號,將互相干擾,嚴重影響接地點的正確查找。1 1 充電系統過去,應用較多的充電機為磁放大型整流器和由分立元件或集成電路控制的可控硅型充電機。目前,普遍采用的充電機為由微機控制的可控硅型整流器和高頻開關模塊型整流器,直流電源具有智能化、網

4、絡化,能夠和變電站綜合自動化網絡連接,具有遙測、遙信、遙控、遙調四遙功能。充電裝置一般采用兩臺相同的充電、浮充電裝置,一臺工作,另一臺備用,每臺均能進行充電、浮充電和均衡充電,做到一機多功能,兩臺充電裝置互為備用。充電過程既恒流充電-均衡充電-浮充電,全由自動裝置或微機控制來處理。在任何情況下,當電網解列或交流電源失電時,蓄電池組都能無間斷地向控制母線供電,確保繼電保護、自動裝置、高壓開關均有控制和操作電源。1 1 1 微機控制的可控硅整流器微機控制的可控硅整流器主回路采用三相全控橋,將交流整流形成脈動直流,再通過電抗器,電容濾波器形成紋波小于2%的直流。采樣用傳感器,控制回路以TC787為核

5、心,采用雙環反饋,控制移相觸發器,來實現穩流和穩壓。全自動兼容手動功能,從開機到主充、均充、浮充,全自動化切換。整機按編制好的主充電、均充電、浮充電、正常運行、電網解列、恢復送電等程序,實行自控制、自診斷、自報警,無需人員干預。帶有謠信、遙測、遙控、遙調接口,與調度中心聯網,受調度中心控制和操作,全面實現了直流電源的無人值班。按鍵和顯示面板直觀顯示,可設定電壓、電流值,可隨時修改充電裝置工作參數。1 12 高頻開關電源模塊(充電模塊與監控裝置充電模塊具有體積小,重量輕,容量大等特點,采用N+1備份,經濟性好,可靠性高等特點。充電模塊工作原理如圖2 所示。圖2 充電模塊原理圖三相交流電源經過E

6、MI 濾波器輸入到整流電路,將交流整流為脈動的直流輸出,通過無功率因素校正(PFC電路,將脈動的直流轉換為平直的直流電源,DC AC 高頻逆變器將直流轉換為高頻交流電源,通過高頻整流電路將高頻的AC 轉換為高頻脈動的直流,此直流通過高頻濾波輸出。其中DC AC 高頻變換電路在脈寬調制(PW M電路的控制下通過調整變換電路的脈沖寬度,以實現電壓調整(包括穩壓和電壓整定。整個充電模塊在微機系統的監控下工作,包括模塊的保護、電壓調整等,同時微機實現將充電模塊的運行數據上報到監控模塊和接受監控模塊的控制命令。充電模塊的主要功能是實現AC DC 變換。充電模塊可以在自動(監控模塊控制和手動(人為控制兩種

7、工作方式下工作。高頻開關電源模塊的通用技術指標如表13所示。表1 充電模塊輸入特性表項目指標輸入電壓323V475V(三相三線制輸入電流110V20A 8A 220V10A 8A 110V10A 4A 220V05A 4A交流輸入頻率50Hz!10%效率94%表2 充電模塊輸出特性表項目指標備注輸出電壓范圍198286V(220V系列99143V(110V系列輸出電流220V10A:額定輸出 10A220V05A:額定輸出 5A110V20A:額定輸出 20A110V10A:額定輸出 10A最大輸出為額定值的105%110%電壓上升時間38秒軟啟動時間輸出恒流范圍10%100%穩流精度 !1%

8、負載電壓紋波系數 0.03% 0.05%穩壓精度 !0.5%溫度系數(1 0.2#表3 充電模塊保護特性表項目指標備注輸出短路回縮回縮電流40%額定電流,可恢復輸出過壓保護220V系列:291!4VDC110V系列:146!2VDC可由監控模塊設置輸出欠壓告警220V系列:194!4VDC110V系列: !2VDC輸入過壓保護點480!5VAC,可恢復,回差515V輸入欠壓保護點318!5VAC,可恢復,回差1020V缺相保護可恢復過溫保護過溫保護點:90,降溫后恢復精度:!5監控裝置配有標準RS-485或RS-232接口,微機監控接口能和發電廠、變電站綜合自動化連接,使直流電源的運行狀況及時

9、方便的傳輸到集控中心,具有遙測、遙信、遙控和遙調功能。具體指標如表4所示。表4 監控功能說明項目指標備注遙信監控模塊的保護信號(交流過、欠壓,缺相,輸出過、欠壓,模塊過溫等信號和故障信號。遙測測量充電模塊的輸出電壓、電流。遙控遙調根據監控單元的命令,控制充電模塊的開 關機,均 浮充轉換。根據監控單元的命令,調節模塊的輸出電壓。根據監控單元的命令,在10%100%范圍內調節充電模塊的輸出電流限流點。同時具備手動控制,可以屏蔽監控單元的控制。2 直流電源的配置2 1 整流器交流輸入回路的數量直流電源的交流電源一般由交流站用電屏提供,如果有兩臺站用變,兩路交流電源的切換一般在交流站用電屏內完成,這樣

10、給直流電源屏輸入一回交流進線即可。如果交流站用電屏不具備自動投切功能,這樣直流電源屏就需輸入兩回交流進線,在直流電源屏內實現自動切換。2 2 高頻開關整流模塊和充電設備數量的選擇原則對于相控整流電源,一般要求有兩套獨立的整流系統,一套工作,一套備用,并能自動切換。對于高頻開關電源,采用N+1模塊冗余設置方式,這是因為一個模塊故障不影響整組充電設備的正常工作,這與單機工作的相控充電設備有著質的不同。同時,高頻開關整流模塊可帶電插拔,使得故障更換沒有時間限制。根據%火力發電廠、變電站直流系統設計技術規范&(DL T5044-95,充電設備的額定電流應為: Is=0 1C10+If式中:Is充電設備

11、的額定電流If直流系統經常負荷電流C10蓄電池10小時放電電流2 3 直流母線硅堆降壓回路的設置過去變電站的斷路器多為電磁機構,合閘電流較大,另外,蓄電池(220V系統電池多采用108只在充放電過程中的電壓變化較大,為滿足對直流母線電壓水平的要求(220V!5,一般在合閘母線與控制母線之間設置硅堆降壓裝置。目前,變電站的斷路器多采用彈簧和液壓機構,合閘電流較小,采用閥控式鉛酸免維護蓄電池(220V系統電池多采用104只,在充放電時電壓變化范圍小,可以不設硅堆降壓裝置,把合閘母線與控制母線合二為一。2 4 直流配電開關的選擇過去的直流配電系統一般都采用負荷開關加熔斷器的形式,存在著防護等級低,占

12、用空間大,維護不便等問題。現在,隨著國內外直流專用斷路器的出現,直流系統的配電可以集中布置,節省空間和屏位,而且也容易接線,如采用正面開啟式結構,更容易進行更換和維護。目前,國外生產的小型直流斷路器,直流分斷能力可達DC250V 10kA,完全可以滿足控制負荷饋電用,大容量的直流斷路器,直流分斷能力可達DC250V 50kA,可以滿足動力負荷饋電用。另外,這些直流斷路器可以方便地加裝輔助觸點和故障報警觸點。國內個別廠家,將小型交流斷路器用在直流220V的線路中,由于其分斷能力達不到要求,在過負荷或短路的情況下,造成開關燒毀或越級跳閘的情況時有發生,嚴重影響直流供電的可靠性。3 蓄電池系統變電站

13、的直流系統是一個不間斷的直流電源,要求配置蓄電池系統。蓄電池組是一種獨立的電源,不受交流電源的影響,因而整流系統交流失電或發生故障時,蓄電池繼續給控制、信號、繼電保護和自動裝置供電,同時還可以保證事故照明用電。由于蓄電池電壓平穩、容量大,既適合于各種較復雜的繼電保護和自動裝置,也適合于對各類型斷路器的傳動。多年來發電廠、變電站主要應用固定式防爆鉛酸蓄電池,自八十年代以來推廣使用了鎘鎳堿性蓄電池,現在,閥控式密封鉛酸蓄電池得到了廣泛應用。3 1 蓄電池容量的選擇選擇蓄電池容量的方法有電壓控制法和階梯負荷法,一般常用電壓控制法,按照滿足事故全停電狀態下的持續放電容量和事故全停電狀態下的沖擊電流值來

14、選擇蓄電池容量。但是應注意在有人值班變電站的設計規范規定全站事故所用電停電時間按1h計算,而無人值班變電站的設計規范規定全站事故所用電停電時間按2h計算,這是考慮事故停電后增加維修人員前往變電站的路途時間1小時。3 2 蓄電池系統的監控蓄電池是電源系統的重要組成部分,是重要場合供電的 最后一道防線,因電池問題造成的事故或停機損失遠比電池本身價值要高昂得多,因此直流電源應配有蓄電池實時監控裝置,且監控裝置能實現和變電站的綜合自動化設備連網。蓄電池監控裝置應具有電池組電壓監測、單電池電壓監測、電池內阻監測、環境溫度監測、充電電流和放電電流監測,還同時實現浮充電壓報警、內阻事件報警、過放電報警、充電

15、、放電電流過大報警、電池開路報警、電池短路報警等。4 直流絕緣監測系統變電站直流系統是一個十分龐大的多分支供電系統,其常見的故障是一點接地故障。在一般情況下,一點接地并不影響直流系統的運行。但如不能迅速找到接地故障點并予以修復,又發生另一點接地故障時,就可能造成繼電器或保護裝置的誤動作,釀成重大事故。過去,變電站直流系統一般選用電磁型繼電器構成的絕緣監測裝置,它是利用電橋平衡的原理,主要存在以下問題(當直流系統正負極絕緣電阻同等下降時,電橋未失去平衡,絕緣監測裝置不能發出報警信號;絕緣監測裝置發出報警信號后,運行人員需要通過拉路的方法確定接地支路,費時費力且存在安全隱患。如今,直流系統配置微機

16、型直流絕緣監測裝置。直流監測系統采用平衡橋及不平衡橋相結合的原理,檢測母線對地絕緣狀態。不向直流系統輸入信號,不受直流饋線對地電容影響。支路檢測使用差值計算,準確計算出正、負母線接地阻抗及各支路正、負端接地阻抗,當檢測到接地阻抗值小于設定報警阻抗值時,設備給出報警信號及其阻抗值,直到報警信號消除為止。該系統具有三種檢測方式:自動巡檢、平衡巡檢、不平衡巡檢。用戶可根據實際需要設定設備的工作狀態。平衡檢測是利用平衡電橋及各支路的傳感器檢測母線及支路的接地情況;不平衡檢測是利用不平衡電橋檢測;而自動檢測主要是利用平衡電橋進行檢測,當有接地發生時,平衡電橋被破壞,系統將自動啟動不平衡檢測,以準確檢測出

17、接地支路及其接地阻抗值。其基本功能應能完成在線監測直流系統的母線電壓和對地絕緣電阻,顯示母線電壓值和正負母線對地絕緣電阻值。當母線電壓過高過低或對地絕緣電阻過低時發出相應的告警信號,告警門限參數可手工設置。另外,監測裝置具有支路巡檢功能,可以在線檢測各饋線支路的絕緣電阻,通過RS485或RS422串口,監測裝置可以將直流系統正負母線及個支路對地的絕緣電阻值上送至系統監控單元。5 事故照明系統在發電廠、變電站站內發生事故,站用交流全部失電時,需要一套事故照明系統給變電站照明系統提供直流不間斷供電,以利于站內維修人員及時處理故障。事故照明系統原理圖如圖3所示。事故照明系統選用時,一般要根據變電所照

18、明網絡供電,變電所中正常照明網絡電壓應為AC380 AC220V,事故照明電源可由直流電源屏提供,其電源電壓為DC220V或DC110V。照明器端電壓的偏移,一般不應高于額定電壓的105%;對視覺要求較高的室內照明為額定電壓的97.5%,如中控制室、生產辦公樓等;一般室內、室外工作場所的照明為額定電壓的95%;事故照明、道路照明、安全照明及電壓為1236V的照明為額定電壓的90%。變電所中正常照明供電由一臺或二臺所用電提供,先引到交流電源屏再由該屏分配若干回路,引至照明配電箱。交流電源屏兼顧其他電氣二次設備微機、通訊等供電。事故照明系統應由直流電源屏直流系統供電。事故照明與正常照明可同時運行,

19、正常時由所用電源供電,事故時應能自動切換到直流母線供電。變電所的事故照明根據具體情況也可以采用多盞應急燈照明。變電所照明30 電 站 設 備 自 動 化 2006 年 3 月 第 1期 線路負荷計算, 應根據照明線路所帶負荷具體情 況及分支、 干線特性進行計算, 具體公式如下: 照明分支線路負荷計算: Pjs= Pz( 1+ ( kW 照明主干線路負荷計算: Pjs= KxPz( 1+ ( kW 照明負荷不均勻分布時負荷計算: Pjs= Kx3Pzd( 1+ ( kW 式中: Pjs 照明計算負荷( kW Pz 正 常 照 明 或 事 故 照 明 裝 置 容 量 ( kW Pzd 最大一相照明

20、裝置容量( kW Kx- 照明裝 置需要系數: 中控室、 屋內 配電裝置, 取 Kx 為 0. 85; 屋外照明, 取 Kx 為 1 0; - 鎮流器及其他附件損耗系 數。如: 白熾燈、 鹵鎢燈, 取 放電燈取 為 0 2。 為 0; 氣體 力 UPS 可以采用控制和保護用直流電源配備的大 容量的蓄電池做為電力 UPS 的后 備電源, 這 樣可 以不用為 UPS 單配蓄電池, 既節省安裝空間 又減 少電池故障點并節省資金。UPS 應具有先進的脈 寬調制技術, 完全正弦波電壓輸出、 完善的電源保 護和監控管理功能、 電磁抗干擾、 輸入電壓范圍寬 廣、 內部設有靜態開關, 以零秒的轉換時間切換到

21、旁路供電、 提供 RS- 232 通訊接口并應有若干報警 接點輸出。單機 UPS 接線原理圖如圖 4 所示。 在重要的場 合一般需要兩 臺 UPS100% 冗余, 正常時一臺工作, 另一臺熱備。當其中任一臺故障 或退出時, 另一臺自動投入。雙機 UPS 互為 備份 原理圖如圖 5 所示。 圖4 單機 UPS 接 線原理圖 7 通訊用直流電源 圖3 事故照明原理圖 變電站實行無人值班后, 變電站的所有信息需 要通過通訊遠動設備可靠迅速地傳輸到集控站或 調度端, 因此通訊遠動設備運行的可靠性顯得尤為 重要, 而通訊遠動設備供電電源是否能穩定運行是 通訊遠動設備可靠運行的重要環節。 一種方法是, 通訊遠動設備的電源是獨立的一 套電源系統, 由- 48V 充電機、 蓄電池組和配電屏 組成, 有專用的通訊電源室, 由變電站運行人員負 6 電力 UPS 變電站內應安裝一臺或兩臺電力 UPS, 根據所 需 UPS 容量大小可以安裝在事故照明屏內或單獨 組屏。電力 UPS 有兩種 作用, 一是 與事故照明系 統配合對站內提供不間斷交流供電, 二是對站內微 機監控系統提供穩定、 可靠的交流不間斷供電。電 2006 年 3 月 第1期 趙東宇: 發電廠、 變電站直流電源系統優化設計 守。這種方法需要單配一組蓄電池。 31 責管理或通過通訊端口與上位機相