發(fā)電廠_變電站直流電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1、發(fā)電廠、變電站直流電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)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(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測系統(tǒng)、事故照明系統(tǒng)、電力UPS、通訊用直流電源諸多方面,提出了電力系統(tǒng)直流電源設(shè)計方案的選擇原則。關(guān)鍵詞:直流電源;系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計0 前言直流電源是電力系統(tǒng)中非常重要的一種二次設(shè)備,它的主要任務(wù)就是給繼電保護(hù)、開關(guān)合分及控制提供可靠的不間斷直流操作電源,其性能和質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運行和設(shè)備安全。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,直流電源制造技術(shù)也取得了飛躍發(fā)展,直流系統(tǒng)由過去的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制,使直流電源具有智能化、網(wǎng)絡(luò)化,能夠和

2、變電站綜合自動化網(wǎng)絡(luò)連接,具有 四遙功能,具有直流系統(tǒng)操作簡單、維護(hù)簡單、高可靠、組態(tài)升級容易、網(wǎng)絡(luò)化等特點。近年來,高頻開關(guān)電源、電池在線監(jiān)測、絕緣在線監(jiān)測在發(fā)電廠、變電站中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電源的充電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)和直流絕緣監(jiān)測等幾個方面討論電力系統(tǒng)中直流電源設(shè)計方案的選擇原則。1 雙充電機(jī)雙電池直流系統(tǒng)簡介雙充電機(jī)雙電池直流系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。圖1 雙充電機(jī)雙電池直流系統(tǒng)原理圖此直流系統(tǒng)原理是采用雙充電機(jī)雙電池構(gòu)成的22系統(tǒng),因為采用的是雙機(jī)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(tǒng)由兩套充電機(jī)、兩組蓄電池、兩套電池巡檢裝置、一套微機(jī)絕緣裝置、兩段母線及開關(guān)構(gòu)成

3、。為防止兩組蓄電池并列運行,造成兩組蓄電池之間環(huán)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(jī)絕緣裝置分掛兩段母線上,而采用兩段母線共用一套微機(jī)絕緣裝置,這是因為有些微機(jī)絕緣裝置工作原理是檢查接地時對地注入信號,當(dāng)任何一套充電設(shè)備故障時,合上Q5母連開關(guān),兩段母線合為一段,當(dāng)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(yán)重影響接地點的正確查找。1 1 充電系統(tǒng)過去,應(yīng)用較多的充電機(jī)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(jī)。目前,普遍采用的充電機(jī)為由微機(jī)控制的可控硅型整流器和高頻開關(guān)模塊型整流器,直流電源具有智能化、網(wǎng)

4、絡(luò)化,能夠和變電站綜合自動化網(wǎng)絡(luò)連接,具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)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(jìn)行充電、浮充電和均衡充電,做到一機(jī)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(jī)控制來處理。在任何情況下,當(dāng)電網(wǎng)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(hù)、自動裝置、高壓開關(guān)均有控制和操作電源。1 1 1 微機(jī)控制的可控硅整流器微機(jī)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(huán)反饋,控制移相觸發(fā)器,來實現(xiàn)穩(wěn)流和穩(wěn)壓。全自動兼容手動功能,從開機(jī)到主充、均充、浮充,全自動化切換。整機(jī)按編制好的主充電、均充電、浮充電、正常運行、電網(wǎng)解列、恢復(fù)送電等程序,實行自控制、自診斷、自報警,無需人員干預(yù)。帶有謠信、遙測、遙控、遙調(diào)接口,與調(diào)度中心聯(lián)網(wǎng),受調(diào)度中心控制和操作,全面實現(xiàn)了直流電源的無人值班。按鍵和顯示面板直觀顯示,可設(shè)定電壓、電流值,可隨時修改充電裝置工作參數(shù)。1 12 高頻開關(guān)電源模塊(充電模塊與監(jiān)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(jīng)濟(jì)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(jīng)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(zhuǎn)換為平直的直流電源,DC AC 高頻逆變器將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流電源,通過高頻整流電路將高頻的AC 轉(zhuǎn)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(diào)制(PW M電路的控制下通過調(diào)整變換電路的脈沖寬度,以實現(xiàn)電壓調(diào)整(包括穩(wěn)壓和電壓整定。整個充電模塊在微機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控下工作,包括模塊的保護(hù)、電壓調(diào)整等,同時微機(jī)實現(xiàn)將充電模塊的運行數(shù)據(jù)上報到監(jiān)控模塊和接受監(jiān)控模塊的控制命令。充電模塊的主要功能是實現(xiàn)AC DC 變換。充電模塊可以在自動(監(jiān)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(guān)電源模塊的通用技術(shù)指標(biāo)如表13所示。表1 充電模塊輸入特性表項目指標(biāo)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%功率因數(shù)0.92效率94%表2 充電模塊輸出特性表項目指標(biāo)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%

8、穩(wěn)流精度 !1%負(fù)載電壓紋波系數(shù) 0.03% 0.05%穩(wěn)壓精度 !0.5%溫度系數(shù)(1 0.2#表3 充電模塊保護(hù)特性表項目指標(biāo)備注輸出短路回縮回縮電流40%額定電流,可恢復(fù)輸出過壓保護(hù)220V系列:291!4VDC110V系列:146!2VDC可由監(jiān)控模塊設(shè)置輸出欠壓告警220V系列:194!4VDC110V系列: !2VDC輸入過壓保護(hù)點480!5VAC,可恢復(fù),回差515V輸入欠壓保護(hù)點318!5VAC,可恢復(fù),回差1020V缺相保護(hù)可恢復(fù)過溫保護(hù)過溫保護(hù)點:90,降溫后恢復(fù)精度:!5監(jiān)控裝置配有標(biāo)準(zhǔn)RS-485或RS-232接口,微機(jī)監(jiān)控接口能和發(fā)電廠、變電站綜合自動化連接,使直流電

9、源的運行狀況及時方便的傳輸?shù)郊刂行?具有遙測、遙信、遙控和遙調(diào)功能。具體指標(biāo)如表4所示。表4 監(jiān)控功能說明項目指標(biāo)備注遙信監(jiān)控模塊的保護(hù)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(diào)根據(jù)監(jiān)控單元的命令,控制充電模塊的開 關(guān)機(jī),均 浮充轉(zhuǎn)換。根據(jù)監(jiān)控單元的命令,調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓。根據(jù)監(jiān)控單元的命令,在10%100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)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(jiān)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(shù)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

10、電屏內(nèi)完成,這樣給直流電源屏輸入一回交流進(jìn)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(jìn)線,在直流電源屏內(nèi)實現(xiàn)自動切換。2 2 高頻開關(guān)整流模塊和充電設(shè)備數(shù)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(tǒng),一套工作,一套備用,并能自動切換。對于高頻開關(guān)電源,采用N+1模塊冗余設(shè)置方式,這是因為一個模塊故障不影響整組充電設(shè)備的正常工作,這與單機(jī)工作的相控充電設(shè)備有著質(zhì)的不同。同時,高頻開關(guān)整流模塊可帶電插拔,使得故障更換沒有時間限制。根據(jù)%火力發(fā)電廠、變電站直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范&(DL T5044-95,充電設(shè)備的額定電流應(yīng)為: Is=0 1C10

11、+If式中:Is充電設(shè)備的額定電流If直流系統(tǒng)經(jīng)常負(fù)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(shè)置過去變電站的斷路器多為電磁機(jī)構(gòu),合閘電流較大,另外,蓄電池(220V系統(tǒng)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(shè)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(jī)構(gòu),合閘電流較小,采用閥控式鉛酸免維護(hù)蓄電池(220V系統(tǒng)電池多采用104只,在充放電時電壓變化范圍小,可以不設(shè)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(guān)的選擇過去的直流配電系統(tǒng)一般都采用負(fù)荷開關(guān)加熔斷器的形

12、式,存在著防護(hù)等級低,占用空間大,維護(hù)不便等問題。現(xiàn)在,隨著國內(nèi)外直流專用斷路器的出現(xiàn),直流系統(tǒng)的配電可以集中布置,節(jié)省空間和屏位,而且也容易接線,如采用正面開啟式結(jié)構(gòu),更容易進(jìn)行更換和維護(hù)。目前,國外生產(chǎn)的小型直流斷路器,直流分?jǐn)嗄芰蛇_(dá)DC250V 10kA,完全可以滿足控制負(fù)荷饋電用,大容量的直流斷路器,直流分?jǐn)嗄芰蛇_(dá)DC250V 50kA,可以滿足動力負(fù)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(nèi)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?jǐn)嗄芰_(dá)不到要求,在過負(fù)荷或短路的情況下,造成開關(guān)燒毀或越級跳閘的情況時有發(fā)生,嚴(yán)重影響直流供電的可靠

13、性。3 蓄電池系統(tǒng)變電站的直流系統(tǒng)是一個不間斷的直流電源,要求配置蓄電池系統(tǒng)。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(tǒng)交流失電或發(fā)生故障時,蓄電池繼續(xù)給控制、信號、繼電保護(hù)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(wěn)、容量大,既適合于各種較復(fù)雜的繼電保護(hù)和自動裝置,也適合于對各類型斷路器的傳動。多年來發(fā)電廠、變電站主要應(yīng)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(xiàn)在,閥控式密封鉛酸蓄電池得到了廣泛應(yīng)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(fù)荷法,一般常用電壓控制法,按照滿足事故全停電狀態(tài)下的持續(xù)放電容量和事故全

14、停電狀態(tài)下的沖擊電流值來選擇蓄電池容量。但是應(yīng)注意在有人值班變電站的設(shè)計規(guī)范規(guī)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(shè)計規(guī)范規(guī)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(tǒng)的監(jiān)控蓄電池是電源系統(tǒng)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(jī)損失遠(yuǎn)比電池本身價值要高昂得多,因此直流電源應(yīng)配有蓄電池實時監(jiān)控裝置,且監(jiān)控裝置能實現(xiàn)和變電站的綜合自動化設(shè)備連網(wǎng)。蓄電池監(jiān)控裝置應(yīng)具有電池組電壓監(jiān)測、單電池電壓監(jiān)測、電池內(nèi)阻監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測、充電電流和放電電流監(jiān)測,還同時實現(xiàn)浮充電壓報警、內(nèi)阻事

15、件報警、過放電報警、充電、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(jiān)測系統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)是一個十分龐大的多分支供電系統(tǒng),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(tǒng)的運行。但如不能迅速找到接地故障點并予以修復(fù),又發(fā)生另一點接地故障時,就可能造成繼電器或保護(hù)裝置的誤動作,釀成重大事故。過去,變電站直流系統(tǒng)一般選用電磁型繼電器構(gòu)成的絕緣監(jiān)測裝置,它是利用電橋平衡的原理,主要存在以下問題(當(dāng)直流系統(tǒng)正負(fù)極絕緣電阻同等下降時,電橋未失去平衡,絕緣監(jiān)測裝置不能發(fā)出報警信號;絕緣監(jiān)測裝置發(fā)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

16、。如今,直流系統(tǒng)配置微機(jī)型直流絕緣監(jiān)測裝置。直流監(jiān)測系統(tǒng)采用平衡橋及不平衡橋相結(jié)合的原理,檢測母線對地絕緣狀態(tài)。不向直流系統(tǒng)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(zhǔn)確計算出正、負(fù)母線接地阻抗及各支路正、負(fù)端接地阻抗,當(dāng)檢測到接地阻抗值小于設(shè)定報警阻抗值時,設(shè)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(tǒng)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(jù)實際需要設(shè)定設(shè)備的工作狀態(tài)。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(jìn)行檢測,當(dāng)有接地發(fā)生時,平衡電橋被破壞,系統(tǒng)將自動啟動

17、不平衡檢測,以準(zhǔn)確檢測出接地支路及其接地阻抗值。其基本功能應(yīng)能完成在線監(jiān)測直流系統(tǒng)的母線電壓和對地絕緣電阻,顯示母線電壓值和正負(fù)母線對地絕緣電阻值。當(dāng)母線電壓過高過低或?qū)Φ亟^緣電阻過低時發(fā)出相應(yīng)的告警信號,告警門限參數(shù)可手工設(shè)置。另外,監(jiān)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(jiān)測裝置可以將直流系統(tǒng)正負(fù)母線及個支路對地的絕緣電阻值上送至系統(tǒng)監(jiān)控單元。5 事故照明系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站站內(nèi)發(fā)生事故,站用交流全部失電時,需要一套事故照明系統(tǒng)給變電站照明系統(tǒng)提供直流不間斷供電,以利于站內(nèi)維修人員及時處理故障。事故照明系統(tǒng)原理圖如圖3所示。事故照明系統(tǒng)選

18、用時,一般要根據(jù)變電所照明網(wǎng)絡(luò)供電,變電所中正常照明網(wǎng)絡(luò)電壓應(yīng)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(yīng)高于額定電壓的105%;對視覺要求較高的室內(nèi)照明為額定電壓的97.5%,如中控制室、生產(chǎn)辦公樓等;一般室內(nèi)、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(shè)備微機(jī)、通訊等供電。事故照明系統(tǒng)應(yīng)由直流電源屏直流系統(tǒng)供電。事故照

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

20、W Pzd 最大一相照明裝置容量( kW Kx- 照明裝 置需要系數(shù): 中控室、 屋內(nèi) 配電裝置, 取 Kx 為 0. 85; 屋外照明, 取 Kx 為 1 0; - 鎮(zhèn)流器及其他附件損耗系 數(shù)。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(hù)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(jié)省安裝空間 又減 少電池故障點并節(jié)省資金。UPS 應(yīng)具有先進(jìn)的脈 寬調(diào)制技術(shù), 完全正弦波電壓輸出、 完善的電源保 護(hù)和監(jiān)控管理功能、 電磁抗干擾、 輸入電壓范圍寬 廣、 內(nèi)部設(shè)有靜態(tài)開關(guān),

21、以零秒的轉(zhuǎn)換時間切換到 旁路供電、 提供 RS- 232 通訊接口并應(yīng)有若干報警 接點輸出。單機(jī) 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(dāng)其中任一臺故障 或退出時, 另一臺自動投入。雙機(jī) UPS 互為 備份 原理圖如圖 5 所示。 圖4 單機(jī) 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(yuǎn)動設(shè)備可靠迅速地傳輸?shù)郊卣净?調(diào)度端, 因此通訊遠(yuǎn)動設(shè)備運行的可靠性顯得尤為 重要, 而通訊遠(yuǎn)動設(shè)備供電電源是否能穩(wěn)定運行是 通訊遠(yuǎn)動設(shè)備可靠運行的重要環(huán)節(jié)。 一種方法是, 通訊遠(yuǎn)動設(shè)備的電源是獨立的一 套電源系統(tǒng), 由- 48V 充電機(jī)、 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(fù) 6 電力 UPS 變電站內(nèi)應(yīng)安裝一臺或兩臺電力 UPS, 根據(jù)所 需 UPS 容量大小可以安裝在事故照明屏內(nèi)或單獨 組屏。電力 UPS 有兩種 作用, 一是 與事故照明系 統(tǒng)配合對站內(nèi)提供不間斷交流供電, 二是對站內(nèi)微 機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定、 可靠的交流不間斷供電。電 2006 年 3 月 第1期 趙東宇: 發(fā)電廠、 變電站直流電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計 守。這種方法需要單配一組蓄電池。 31 責(zé)管理或通過通訊端口與上位機(jī)相連實現(xiàn)無人職