變電站直流系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、分類號(hào)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）題目 變電站直流系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)并列英文題目 Substation DC system analysis and design 系部 電力工程系 專業(yè) 姓名 班級(jí) 指導(dǎo)教師 職稱 論文報(bào)告提交日期鄭州電力高等?？茖W(xué)校摘 要：變電站直流電源系統(tǒng)是給信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分、合閘操作提供直流電源的電源設(shè)備。直流系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的電源，它不受發(fā)電機(jī)、廠用電及系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，并在外部交流電中斷的情況下，保證由后備電源蓄電池繼續(xù)提供直流電源的重要設(shè)備。而本文介紹了220KV變電站直流系統(tǒng)接線方式和額定電壓，闡述了蓄電池的分類和影響，蓄電池容量選

2、擇的主要因素以及計(jì)算。介紹了新型充電裝置性能及其選擇，UPS不停電電源的選擇，通信電源的設(shè)計(jì)方案。最后確定了變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。關(guān)鍵詞：直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)；變電站；蓄電池；UPS電源；智能型高頻開關(guān)充電裝置Abstract:Substation DC power supply system is an equipment,it provides DC power to signal equipment, protection, automatic equipment, emergency lighting, emergency power supply and circuit breaker

3、opening and closing operation. DC system is an independent power supply, it can avoid the influence of generators, auxiliary power and system operation mode , and in the external AC power interruption, assurance back-up power - battery provides DC power to vital equipment. The article describes the

4、220KV substation DC system wiring and rated voltage, described the classification and impact of storage battery, the main factor to select storage batter and relevant count. At the same time,it describes the function of new type of rechargeable device and how to select it,and how to select the unint

5、erruptible power supply(UPS),and the project design of communication power supply.DC to finalize the substation design program. Key words: DC Power System Design; substation; battery; UPS power supply; intelligent charging device high frequency switching. 目錄前言1第一章 變電站直流系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析3第一節(jié) 變電站直流電源技術(shù)分析3第二節(jié) 蓄

6、電池技術(shù)分析5第二章 確定直流系統(tǒng)的接線和工作電壓9第一節(jié) 直流系統(tǒng)的接線9第二節(jié) 確定系統(tǒng)工作電壓14第三章 計(jì)算與選擇16第一節(jié) 計(jì)算并選擇蓄電池容量16第二節(jié) 直流充電模塊的選擇22第三節(jié) UPS不停電電源的選擇24第四節(jié) 通信電源的分析與設(shè)計(jì)26第五節(jié) 直流系統(tǒng)中各自動(dòng)開關(guān)額定容量的選擇28第四章 結(jié)論31結(jié)束語32參考文獻(xiàn)33前言隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，為提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，使電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化，從而對(duì)電力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備控制電源的要求也越來越高。變電站內(nèi)的繼電保護(hù)，自動(dòng)裝置，信號(hào)裝置，事故照明和電氣設(shè)備的遠(yuǎn)距離操作，一般采取直流電源，所以直流電源的輸出質(zhì)量

7、及可靠性直接關(guān)系到變電站的安全運(yùn)行和平穩(wěn)供電。在變電站中廣泛采用的直流控制電源是由蓄電池組和充電裝置等設(shè)備構(gòu)成，是一種在正常和事故狀態(tài)下都能保持可靠供電的直流不停電電源系統(tǒng)。交流控制電源通常是采用UPS不間斷電源。通信電源是由模塊化的通信專用DC-DC變換器，它是從站內(nèi)直流控制電源系統(tǒng)的蓄電池組取得直流電，經(jīng)高頻變換輸出滿足通信設(shè)備要求的48V控制電源。從90年代開始的變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)直流系統(tǒng)提出了更高的技術(shù)要求。近年來直流系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備發(fā)展迅速，閥控鉛酸蓄電池、智能型高頻開關(guān)充電裝置等，具有安全可靠、技術(shù)先進(jìn)和性能優(yōu)越等特點(diǎn)，促進(jìn)了直流系統(tǒng)的發(fā)展。然而，在電力系統(tǒng)中，由于

8、直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備選型不當(dāng)或缺乏正確的管理方法而導(dǎo)致電力設(shè)施損壞、系統(tǒng)故障、事故波及范圍擴(kuò)大，甚至造成重大人身傷亡等事故屢有發(fā)生，給電力系統(tǒng)和國家財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，所以要求電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行部門必須對(duì)直流系統(tǒng)予以高度重視。以下對(duì)變電站設(shè)計(jì)中直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)有直接影響的因素和變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇進(jìn)行分析。本文是以220KV變電站為例進(jìn)行的變電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)。220KV變電站數(shù)據(jù)資料為：某城區(qū)220千伏有人值班變電站為集控中心站，主變?yōu)?×240MVA，220千伏電氣主接線為雙母線單分段接線，出線10回；110千伏電氣主接線為雙母線雙分段接線，出線16回；該所直流負(fù)荷

9、統(tǒng)計(jì)如下：經(jīng)常負(fù)荷：8KW;事故照明負(fù)荷：3KW;UPS不間斷電源：10KW;斷路器合閘：220V,2A;斷路器跳閘：220V,2.5A;通信電源（DC-DC）：48V, 40A, 6組； 該變電所繼電器室布置在主控樓二層，設(shè)有專用蓄電池室，布置在主控樓一層，二者距離約30米。第一章 變電站直流系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)分析 變電站中的控制、信號(hào)、繼電保護(hù)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、自動(dòng)裝置和斷路器等的操作都需要可靠穩(wěn)定的工作電源供電，該電源稱為操作電源。操作電源可分為直流操作電源和交流操作電源，在變電所中主要采用的是直流操作電源。變電站的直流系統(tǒng)是由直流操作電源、直流供電網(wǎng)絡(luò)和直流負(fù)荷組成。變電站中的直流負(fù)荷極為重要，

10、對(duì)供電可靠性的需求很高，直流系統(tǒng)的可靠性是保障變電站安全運(yùn)行的決定性條件之一。本章重點(diǎn)介紹變電站直流電源技術(shù)和蓄電池技術(shù)。第一節(jié) 變電站直流電源技術(shù)分析變電站的直流電源系統(tǒng)一般有蓄電池直流系統(tǒng)和硅整流直流系統(tǒng)。直流操作電源可分為獨(dú)立式直流電源和非獨(dú)立式直流電源。獨(dú)立式直流電源有蓄電池直流電源和電源變換式直流電源；非獨(dú)立式直流電源有硅整流電容儲(chǔ)能直流電源和復(fù)式整流直流電源。一、蓄電池直流電源蓄電池是一種可重復(fù)使用的化學(xué)電源。通過充電，可將電能以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，通過放電，將存儲(chǔ)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能供電給直流負(fù)荷，這兩種過程是可逆的。在變電站中一般采用蓄電池作為直流電源。這種直流電源不依賴

11、于交流系統(tǒng)的運(yùn)行，即使交流系統(tǒng)故障，甚至全所停電，該電源也能在一段時(shí)間內(nèi)正常供電，以保證直流負(fù)荷正確動(dòng)作，具有很高的穩(wěn)定性和可靠性。二、電源變換式直流系統(tǒng)電源變換式直流系統(tǒng)也是一種獨(dú)立式直流電源，其框圖如下：圖1-1 電源變換式直流系統(tǒng)圖這種電源是由輸入可控整流裝置U1、48V蓄電池組GB、逆變裝置U2和輸出整流裝置U3組成。正常運(yùn)行時(shí)，由交流220V供電給U1，經(jīng)U1可控整流后，輸出直流48V，并向蓄電池組GB充電或浮充電；同時(shí)，經(jīng)逆變裝置U2變換成直流，在由輸出整流裝置輸出220V的直流電，作為供電直流電源。當(dāng)交流系統(tǒng)故障時(shí)，由蓄電池組GB直接向48V的直流負(fù)荷供電，同時(shí)經(jīng)U2逆變和U3整

12、流后維持向220V的直流負(fù)荷持續(xù)供電。三、整流式直流電源上述兩種直流電源，直接或間接地采用了蓄電池作為直流電源，由于蓄電池直流電源價(jià)格昂貴，壽命有限，維護(hù)量較大等，所以在一些中小型變電站中采用了硅整流直流電源。整流式直流電源實(shí)際上是一臺(tái)整流裝置，其輸入一般取自所用電的交流電壓，經(jīng)整流裝置變換成直流電源。這種直流電源是非獨(dú)立式的直流電源，若交流系統(tǒng)故障，將直接影響到直流電源的輸出，不能滿足直流負(fù)荷的要求；若交流系統(tǒng)停電，直流電源將沒有輸出。為了解決上述問題，對(duì)于整流式直流電源進(jìn)行了改進(jìn)，其中應(yīng)用最多的是硅整流電容儲(chǔ)能直流電源和復(fù)式整流直流電源。由于應(yīng)用不是太廣泛在這里就不在介紹。第二節(jié) 蓄電池技

13、術(shù)分析蓄電池分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。酸性蓄電池有固定型防酸隔爆鉛酸蓄電池和閥控密封免維護(hù)鉛酸蓄電池。堿性蓄電池是鎘鎳蓄電池。一、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池從組成上來講，主要是由正極板、負(fù)極板、硫酸溶液、隔板、蓄電池槽、蓄電池蓋組成。根據(jù)蓄電池的用途不同，還有其它不同的部件，如對(duì)于防酸隔爆式蓄電池在電池蓋上安有防酸隔爆帽，有的電池還裝有密度計(jì)、溫度計(jì)等。正負(fù)極接線柱是由正負(fù)極板引出，用于對(duì)外連接。鉛酸蓄電池正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2）,負(fù)極板上的活性物質(zhì)是金屬鉛(Pb)。蓄電池的儲(chǔ)能和釋放能量是通過正、負(fù)極和硫酸溶液之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。在放電過程中，放電電流從蓄電池的正極流出

14、，經(jīng)負(fù)極、電池負(fù)極、電池內(nèi)部后，到達(dá)正極，實(shí)現(xiàn)了將蓄電池內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，供電給負(fù)荷。這種電化學(xué)反應(yīng)可以用下面的反應(yīng)方程式表示Pb + 2H2SO4 + PbO2PbSO4 + 2H2O + PbSO4 負(fù)極 電解液 正極 負(fù)極 電解液 正極由上式可看出，在放電過程中，正負(fù)極在放電后都生成了硫酸鉛(PbSO4)，并消耗了電解液中的硫酸（H2SO4），生成了水（H2O），結(jié)果硫酸溶液的濃度（密度）下降。因此在實(shí)際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化（高低），來判斷蓄電池的放電程度和作為確定蓄電池放電終了的主要特征。在充電過程中，充電電流由外部電源的正極，經(jīng)蓄電池的正極、電池內(nèi)部、負(fù)極，到達(dá)外部電

15、源的負(fù)極，實(shí)際將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)部。充電過程的電化學(xué)反應(yīng)可用下面的化學(xué)反應(yīng)方程式表示： PbSO4 + 2H2O + PbSO4 Pb + 2H2SO4 + PbO2負(fù)極 電解液 正極 負(fù)極 電解液 正極由此可見，充電時(shí)，正極上的硫酸鉛氧化成二氧化鉛，負(fù)極上的硫酸鉛還原成金屬鉛，并且硫酸根與水形成硫酸，使電解液的濃度逐漸上升，最后達(dá)到一穩(wěn)定值。在充電過程中，外電源強(qiáng)迫蓄電池接受電解，把PbSO4及H2O轉(zhuǎn)換成PbO2、Pb、H2SO4,電能轉(zhuǎn)換成后者的化學(xué)能，這是主反應(yīng)。充電時(shí)還伴隨著一個(gè)很難避免的副反應(yīng)，即電解水生成氧氣和氫氣。特別是充電后期，電壓升高（用恒定電流充電時(shí)），電能

16、主要消耗在電解水方面，而且對(duì)活性物質(zhì)很不利。電解水的反應(yīng)是： 正極: 2H2O O2 + 4H+ + 4e-負(fù)極： 4H+ + 4e- 2H2 總反應(yīng)：2H2O 2H2 + O2在充電后期，從正極板析出氧氣，負(fù)極板析出氫氣。充好電之后的蓄電池會(huì)自發(fā)地進(jìn)行自放電反應(yīng)。負(fù)極上的自放電反應(yīng)將使負(fù)極板硫化并析出氫氣；正極板上的自放電反應(yīng)將析出氧氣。鉛酸蓄電池充電、自放電都會(huì)產(chǎn)生氧氣和氫氣的析出以及酸霧的自然揮發(fā)。這樣一來，一方面使得電池的電解液消耗很大，需要經(jīng)常加酸補(bǔ)水進(jìn)行維護(hù)；另一方面酸霧對(duì)人體，設(shè)備和環(huán)境帶來污染和危害。氫氣易引起火災(zāi)。由于上述原因，以前在變電所中，蓄電池是安裝在蓄電池室內(nèi)，蓄電池

17、室的建筑應(yīng)符合國家相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)置必要的附屬設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備等，投資大，運(yùn)行維護(hù)量大。我國電力系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)和采用閥控密封免維護(hù)鉛酸蓄電池（VRLA，簡稱閥控電池），90年代后開始廣泛應(yīng)用。一些新建的變電所，甚至一些改造的變電所基本都是采用這種新型蓄電池，取代了固定型防酸隔爆鉛酸蓄電池。閥控電池采用了全封閉結(jié)構(gòu)，設(shè)有安全閥，正極板為鉛錫合金，負(fù)極板為鈣鋁合金，電池內(nèi)部電解液被吸附在極板和隔離物中，充電產(chǎn)生的氣體不向外逸出，全部在電液內(nèi)合成H2O，該電池在在理論上不消耗水，不需添加蒸餾水，可以長期運(yùn)行。由于上述特點(diǎn)，閥控電池體積小，具有防震抗壓的特點(diǎn)，便于運(yùn)輸，可以放倒后疊加放置

18、，酸液無滲漏，可與其它設(shè)備同置一室，無酸霧逸出，無需設(shè)專門的電池室。鉛酸蓄電池的型號(hào)一般按以下方式表示：圖1-2 蓄電池型號(hào)表示二、鎘鎳電池鎘鎳電池屬于堿性電池，在結(jié)構(gòu)上，其正極板是氧化鎳，負(fù)極板是鎘-鐵；電解液為氫化鉀或氫化鈉中加入適量的氫化鋰組成；外殼為封閉型。其化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)換也是通過其內(nèi)部復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)完成的。鎘鎳電池按放電電流與蓄電池的額定容量的關(guān)系可分成四類，即：I<0.5C5(A),為低倍率型；I=(0.53.5)C5(A)，為中倍率型；I=(3.57)C5(A)，為高倍率型；I>7C5(A),為超高倍率型。在變電所中，主要采用中倍率型和高倍率型。一般用在容量不太大

19、的場合。鎘鎳電池具有對(duì)環(huán)境污染小、無腐蝕性、維護(hù)工作量小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少、布置方便、使用壽命長（可長達(dá)20年）等優(yōu)點(diǎn)。可直接放在主控制室內(nèi)或配電裝置內(nèi)，不用專設(shè)蓄電池室。第二章 確定直流系統(tǒng)的接線和工作電壓第一節(jié) 直流系統(tǒng)的接線一、母線接線方式1.直流系統(tǒng)接線方式的主要原則直流系統(tǒng)采用單母線或單母線分段接線，不用雙母線接線，使系統(tǒng)接線更加簡單，運(yùn)行也更加可靠。1組蓄電池可為單母線分段或單母線；2組蓄電池設(shè)兩段母線，正常獨(dú)立運(yùn)行，母線之間裝有聯(lián)絡(luò)電器，一般為刀開關(guān)，必要時(shí)也可裝設(shè)保護(hù)電器。每組蓄電池設(shè)有專用的試驗(yàn)放電回路，蓄電池的試驗(yàn)放電設(shè)備經(jīng)隔離和保護(hù)電器直接與蓄電池組出口回路并接主要為

20、了試驗(yàn)時(shí)蓄電池組可以方便的退出，簡化操作步驟，簡化接線，避免誤操作。同時(shí)不影響直流母線的運(yùn)行，提高可靠性。由于蓄電池試驗(yàn)放電的次數(shù)不多，為提高試驗(yàn)設(shè)備的利用率，所以，不宜固定連接，便于多組蓄電池公用。蓄電池直流系統(tǒng)的接線與蓄電池類型、運(yùn)行方式和蓄電池組數(shù)等有關(guān)。根據(jù)運(yùn)行方式，可分為充放電運(yùn)行的蓄電池直流系統(tǒng)和浮充電運(yùn)行的蓄電池直流系統(tǒng)。2.不同的接線方式按充電放電方式工作的蓄電池直流系統(tǒng)直流母線電壓為110V或220V。正常情況下，充電用的硅整流裝置斷開，由蓄電池組向負(fù)荷供電，蓄電池放電。為了保證在事故情況下蓄電池組能可靠工作，必須在任何時(shí)候都留有一定的容量，絕不能使蓄電池完全放電，通常放電約

21、達(dá)容量的60%-70%時(shí)，便應(yīng)停止放電，進(jìn)行充電。在給蓄電池組充電和放電時(shí)，充電整流裝置除向蓄電池組充電外，同時(shí)還供經(jīng)常性的直流負(fù)荷用電。 蓄電池組按充電放電方式工作的主要缺點(diǎn)是必須頻繁的進(jìn)行充電，通常每隔12晝夜充電一次，蓄電池老化較快，使用壽命短，進(jìn)行維護(hù)也較復(fù)雜。按浮充電方式工作的蓄電池直流系統(tǒng)由一組鉛酸蓄電池構(gòu)成的直流系統(tǒng)接線如下 圖2-1 一組蓄電池的直流系統(tǒng)圖直流系統(tǒng)采用了單母線分段接線，為母線段、。系統(tǒng)中只裝設(shè)了一組蓄電池，通過刀開關(guān)QK1、QK2可隨意接到任一母線上，也可同時(shí)接到兩段母線上（此時(shí)兩母線并聯(lián)運(yùn)行）。浮充設(shè)備U1和充電設(shè)備U2分別接在兩段母線上，當(dāng)交流所用電有雙電源

22、時(shí)，充電和浮充設(shè)備接在不同的交流電源上。直流系統(tǒng)中還接有絕緣監(jiān)察裝置和各種測量表計(jì)等。正常運(yùn)行時(shí)，浮充設(shè)備和充電設(shè)備負(fù)責(zé)向直流系統(tǒng)供電，并兼向蓄電池浮充電。利用蓄電池內(nèi)阻小，伏安特性平坦的特點(diǎn)，使其主要擔(dān)負(fù)短時(shí)沖擊負(fù)荷供電。在蓄電池回路中，電流表PA1為雙向電流表，以監(jiān)視充電和放電電流。電流表PA2用來測量浮充電電流，正常時(shí)被短接，測量時(shí)，可利用按鈕SB使接觸器KM的常閉觸點(diǎn)斷開后測試。電壓表PV1用來監(jiān)視蓄電池的端電壓。蓄電池在放電過程中端電壓會(huì)下降，從而影響直流母線電壓的穩(wěn)定，為了保證直流母線電壓的穩(wěn)定，可采用端電池和端電池調(diào)節(jié)器。由兩組蓄電池構(gòu)成的直流系統(tǒng)的接線方式如下圖2-2 兩組蓄電

23、池直流系統(tǒng)圖該接線中裝設(shè)了兩組蓄電池，分別接在不同的分段母線上。在正常運(yùn)行情況下，兩段母線間的聯(lián)絡(luò)刀開關(guān)打開，整個(gè)直流系統(tǒng)分成兩個(gè)沒有電氣聯(lián)系的部分，在每段母線上接一臺(tái)浮充設(shè)備，兩組蓄電池共用一臺(tái)充電設(shè)備，充電設(shè)備經(jīng)兩個(gè)刀開關(guān)分別接到兩組蓄電池的出口，可分別對(duì)其進(jìn)行充放電。每段母線設(shè)有單獨(dú)的電壓監(jiān)視和絕緣監(jiān)察裝置。調(diào)壓設(shè)備接在蓄電池和直流母線之間。當(dāng)其中一組蓄電池因檢修或充放電需要從母線上斷開時(shí)，分段開關(guān)合上，兩段母線的直流負(fù)荷由一組蓄電池供電。 按浮充電方式工作時(shí)，充電整流裝置經(jīng)常與蓄電池組同時(shí)接與母線上并聯(lián)工作。整流裝置除給直流母線上的經(jīng)常負(fù)荷供電外，同時(shí)以很小的電流向蓄電池組浮充電，用以

24、補(bǔ)償蓄電池組自放電，使蓄電池經(jīng)常處于滿充電狀態(tài)，蓄電池組主要負(fù)擔(dān)短時(shí)間沖擊負(fù)荷，如斷路器的合閘電流。此外，在交流系統(tǒng)發(fā)生故障，充電整流器斷開情況下，蓄電池組轉(zhuǎn)入放電狀態(tài)，承擔(dān)全部直流系統(tǒng)負(fù)荷。交流電恢復(fù)后，充電整流器給蓄電池組充好電在轉(zhuǎn)入浮充電狀態(tài)。這種連續(xù)浮充電方式，又稱為全浮充電方式。 為了避免由于控制浮充電流不準(zhǔn)確，造成硫酸鉛沉淀在極板，影響蓄電池的輸出容量和降低使用壽命，規(guī)定每三個(gè)月進(jìn)行一次核對(duì)性放電，放出蓄電池容量的50%60%，終止電壓為1.9V為止；或進(jìn)行全容量放電，放電終止電壓為1.751.8V為止，放電后應(yīng)立即進(jìn)行一次均衡充電（亦稱過充電）。使各個(gè)蓄電池電解液的密度、容量、電

25、壓等都達(dá)到均衡一致的良好狀態(tài)。 采用浮充電方式運(yùn)行，不僅可以減少維護(hù)工作量，而且可以提高直流系統(tǒng)的工作可靠性，蓄電池的使用壽命較充電放電工作方式延長12倍。所以，全浮充電方式在發(fā)電廠和變電所中得到廣泛應(yīng)用。 為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流系統(tǒng)的接地故障，母線上裝設(shè)有絕緣監(jiān)察裝置（其表計(jì)部分為兩段母線共用；信號(hào)部分各自一套）。為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線電壓高于或低于規(guī)定值，每段母線上各裝設(shè)一套電壓監(jiān)察裝置；為了反映斷路器的位置信號(hào)，每段母線上各裝設(shè)一套閃光裝置。 采用端電池后，不但使直流系統(tǒng)的接線復(fù)雜，而且使蓄電池組的運(yùn)行維護(hù)工作量增加。在全浮充電運(yùn)行中，正常工作時(shí)根本不需要調(diào)整蓄電池組的端電壓。因此在大型發(fā)電廠和

26、變電所中，單直流系統(tǒng)有兩組及兩組以上蓄電池時(shí)，蓄電池組可以不設(shè)端電池，并采用全浮充電運(yùn)行方式。這樣的直流系統(tǒng)典型接線一般采用單母線兩分段，每段接一組蓄電池和一臺(tái)充電整流器，另有一臺(tái)備用整流器，可接于兩段母線。當(dāng)一組蓄電池進(jìn)行核對(duì)性放電時(shí)，該段母線的直流負(fù)荷由另一組蓄電池供給。 二、其它直流系統(tǒng) 1.鎘鎳蓄電池的直流系統(tǒng) 國內(nèi)制造廠生產(chǎn)和提供成套鎘鎳蓄電池直流屏，是一種高性能直流不停電電源。它具有可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長、電壓穩(wěn)定、放電倍率高、維護(hù)簡單、占地面積小、無污染等特點(diǎn)。適用于110KV及以下電壓等級(jí)的變電所，容量在100A·H以下的場所。 2.硅整流電容儲(chǔ)能直流系統(tǒng) 硅

27、整流電容儲(chǔ)能直流系統(tǒng)與蓄電池系統(tǒng)相比，具有壽命長、投資省、維護(hù)簡便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在中小型變電所中得到廣泛應(yīng)用。尤其是35KV及以下變電所應(yīng)用更廣。但硅整流電源是一種非獨(dú)立式電源，與一次交流系統(tǒng)的運(yùn)行工況有關(guān)。 三、直流供電網(wǎng)絡(luò) 變電所的直流供電網(wǎng)絡(luò)是由直流母線引出，供電給直流負(fù)荷的中間環(huán)節(jié)，它是一個(gè)龐大的多分支閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)。直流網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)負(fù)荷類型和供電路徑，分為若干相互獨(dú)立的分支供電網(wǎng)絡(luò)，例如，控制、保護(hù)、信號(hào)、供電網(wǎng)絡(luò)、斷路器合閘線圈供電網(wǎng)絡(luò)及事故照明供電網(wǎng)絡(luò)。為了防止某一網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)影響一大片負(fù)荷供電，也便于檢修和故障排除，不同用途負(fù)荷由單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)供電。 為簡化設(shè)備，220KV變電站直流

28、系統(tǒng)一般采用環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，在變電站內(nèi)將動(dòng)力母線和控制母線合一，在各直流負(fù)荷之間形成環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)環(huán)的電源回路接到母線上。第二節(jié) 確定系統(tǒng)工作電壓 在確定變電站直流系統(tǒng)額定電壓時(shí)，應(yīng)根據(jù)變電站的具體情況，找出影響直流系統(tǒng)額定電壓選擇的主要因素。以往設(shè)計(jì)的220KV及以下電壓等級(jí)的變電站，大多為帶電磁操作機(jī)構(gòu)的斷路器，需要直流動(dòng)力合閘電源，在這種情況下，滿足直流動(dòng)力回路電壓的要求，降低直流動(dòng)力電纜的投資成為影響直流系統(tǒng)額定電壓選擇的主要因素。因此，以往設(shè)計(jì)的變電站中多數(shù)采用了220V的直流系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代以來，在220500KV變電站中，110KV及以上電壓等級(jí)的斷路器多數(shù)采用氣動(dòng)或液壓

29、操作機(jī)構(gòu)，10KV斷路器采用彈簧操作機(jī)構(gòu)，這樣就不需要直流系統(tǒng)提供動(dòng)力合閘電源了。因此，滿足直流動(dòng)力回路電源的要求就不再是確定直流系統(tǒng)額定電壓的主要因素。 一般來說，當(dāng)直流電壓為220V時(shí)，若控制電纜長度在500m以內(nèi)，電纜截面積不大于4mm2就不會(huì)給電纜的接線帶來困難。當(dāng)直流電壓為110V時(shí)，若電纜長度超過250m，就要選用截面積為6mm2或10mm2的電纜，一般端子排只能連接截面積不超過6mm2的電纜芯，要連接截面積大的電纜芯必須采用特殊的連接方式，這給施工和維護(hù)都帶來困難；另外，220KV變電站的控制對(duì)象多，距離遠(yuǎn)，直流電壓采用110V，加大了控制電纜的截面積，必然大幅增加有色金屬的消耗

30、，增加在控制電纜方面的投資?；谏鲜黾夹g(shù)和經(jīng)濟(jì)上的考慮，在220500KV變電站采用集中控制的情況下直流系統(tǒng)額定電壓宜選220V。 所以，此次設(shè)計(jì)的220KV有人值班的變電站站，直流系統(tǒng)電壓宜選220V。 第三章 計(jì)算與選擇 在變電站直流系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)中，有許多數(shù)據(jù)需要計(jì)算，比如蓄電池的容量。也有許多模塊需要進(jìn)行選擇，如蓄電池的充電模塊。本章重點(diǎn)介紹蓄電池容量的計(jì)算與選擇、直流充電模塊的選擇、UPS不停電電源的選擇、通信電源的設(shè)計(jì)與選擇和直流系統(tǒng)中各自動(dòng)開關(guān)額定容量的選擇。第一節(jié) 計(jì)算并選擇蓄電池容量 一、蓄電池的電氣特性 1.容量 電池的容量是表示蓄電池的蓄電能力，充足電的蓄電池放電到規(guī)定

31、終止電壓時(shí)，其所放出的總?cè)萘?，稱為電池的容量。若蓄電池以恒定放電電流If放電，到達(dá)規(guī)定終止電壓的時(shí)間為tf，則對(duì)應(yīng)容量為 C=If·tf（A·H） 容量的單位為安時(shí)，蓄電池的實(shí)際容量并不是一個(gè)固定不變的常數(shù)，它受許多因素的影響。主要有放電率、電解液比重和電解液溫度。 放電率：放電率是反映蓄電池放電到終止電壓時(shí)間的快慢，簡稱為放電率，常用時(shí)率和倍率表示。 時(shí)率是以放電時(shí)間表示放電速率，即以某電流放電至規(guī)定終止電壓所經(jīng)歷的時(shí)間，如放電率為10、8、5、3、1h。對(duì)于鉛酸蓄電池是以10h放電率為正常放電率。 倍率是指電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。如放電電流表示為0.1C

32、20（C20表示放電時(shí)間為20h的電池容量），對(duì)于一個(gè)60A·H的電池，即以0.1×60電流放電；3C20意指180A的電流放電。 蓄電池的額定容量是指在規(guī)定條件下所能輸出的電量。對(duì)于鉛酸蓄電池，額定容量是指電解液溫度為25時(shí)，以10h放電率對(duì)應(yīng)的容量。 2.蓄電池運(yùn)行方式及有關(guān)術(shù)語 蓄電池組一般有兩種運(yùn)行方式，即充放電運(yùn)行方式和浮充電運(yùn)行方式。 充放電運(yùn)行方式 蓄電池組通過放電，向直流負(fù)荷進(jìn)行供電。放電結(jié)束后，將蓄電池接到充電裝置上，進(jìn)行充電。 浮充電運(yùn)行方式 正常時(shí)，蓄電池組和整流設(shè)備并接在直流母線上，整流設(shè)備一方面向直流負(fù)荷供電，一方面以較小的充電電流向蓄電池浮充電，

33、以補(bǔ)充蓄電池的自放電。當(dāng)交流系統(tǒng)或整流設(shè)備故障時(shí)，甚至全所停電，由蓄電池維持向直流負(fù)荷連續(xù)供電，保證供電不中斷。 均衡充電對(duì)于一組浮充運(yùn)行的蓄電池，雖然蓄電池的全組電池都處同樣的條件下，但由于某種原因，有可能造成全組電池不均衡。在這種情況下，應(yīng)采用均衡充電的方法來消除電池之間的差別，以達(dá)到全組電池的均衡。均衡充電是用小電流進(jìn)行13h的過充電過程，均衡充電不能頻繁進(jìn)行。二、蓄電池個(gè)數(shù)的確定此次設(shè)計(jì)的220KV變電站采用控制母線與合閘母線合一的形式。在此模式下，每組蓄電池閥控密封鉛酸蓄電池個(gè)數(shù)需綜合考慮正常浮充電時(shí)直流系統(tǒng)母線電壓值、直流負(fù)荷允許最高電壓值、直流負(fù)荷允許最低電壓值。1.按浮充電運(yùn)行

34、時(shí)，直流母線電壓為1.05Un選擇蓄電池個(gè)數(shù) n=1.05UnUf Un為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓； Uf為單體電池浮充電壓，取Uf=2.25V則：n=1.05UnUf=1.05×2202.25=103蓄電池取103塊。2.蓄電池均衡充電電壓選擇根據(jù)蓄電池個(gè)數(shù)及直流母線電壓允許的最高值選擇單體蓄電池均衡充電電壓值。對(duì)于控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電:Uc1.10Unn=1.10×220103=2.35均充電壓取UC=2.30V 3.蓄電池放電終止電壓選擇根據(jù)蓄電池個(gè)數(shù)及直流母線電壓允許的最低電壓值選擇單體蓄電池事故放電末期終止電壓。 對(duì)于控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供 UM0.875UNn=0.

35、875×220103=1.87 則取放電終止電壓UM=1.87V三、蓄電池容量選擇 1.直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)序號(hào)負(fù)荷名稱裝置容量KW計(jì)算電流A經(jīng)常電流A事故放電時(shí)間電流A隨機(jī)初期1min1-60minIchoC1經(jīng)常負(fù)荷836.3636.3636.3636.362事故照明313.6413.6413.643UPS電源1045.4545.4545.454通信電源26.1826.1826.1826.185斷路器合閘226斷路器跳閘2.52.57電流統(tǒng)計(jì)AI0=62.54I1=124.13I2=121.63Ichx=2 2.容量選擇計(jì)算 滿足事故全停電狀態(tài)下的持續(xù)放電容量： 式中：可靠系數(shù)，取1.4

36、； 事故全停狀態(tài)下持續(xù)放電時(shí)間x（h）的放電容 量，為121.63A； 容量系數(shù)，查直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程表B.10得其為0.45； 故： 所以，選擇蓄電池的額定容量= 400Ah。 3.電壓校驗(yàn) 事故放電初期（1min）承受沖擊放電電流時(shí)，蓄電池所能保持的電壓 事故放電初期（1min）沖擊放電電流值，A； 事故放電初期（1min）沖擊放電系數(shù)； 蓄電池10h放電率標(biāo)稱電流，A; I10=400/10=40A 根據(jù)Kcho的值，查直流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程圖B.6中0曲線，查處單體電池電壓值Ud=2.08V 則：UD=nUd=214.24V 滿足86%-111%蓄電池端電壓的要求。 事故放電末期承受沖擊放

37、電電流時(shí)蓄電池所能保持電壓。 任意事故放電階段，10h放電率電流倍數(shù)，即放電系數(shù)； x事故放電容量； x任意事故放電階段時(shí)間，h； t事故放電時(shí)間，h； x事故放電末期沖擊放電系數(shù)； x事故放電末期沖擊放電電流值，A；計(jì)算得： 查直流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程圖B.6得Ud=1.96V UD=nUd=201.88V滿足86%-111%蓄電池端電壓的要求。 任意事故放電階段末期，蓄電池所能保持的電壓。 查直流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程圖B.6,對(duì)應(yīng)Kchm.x=0，得Ud=1.956V 則：UD=103×1.956=201.468V 滿足86%-111%蓄電池端電壓的要求。 所以，此變電站中每組蓄電池采用103塊

38、單體2V閥控式密封鉛酸蓄電池(膠體)，單體容量為400AH。第二節(jié) 直流充電模塊的選擇 一、近年來越來越多的變電站的蓄電池的充電設(shè)備采用智能型高頻開關(guān)充電裝置，充電浮充裝置采用多個(gè)高頻開關(guān)電源模塊（N+1）并聯(lián)組合供電，即在N個(gè)模塊滿足電池充電電流加上經(jīng)常性負(fù)荷電流的基礎(chǔ)上在增加1個(gè)備用模塊，且各模塊可脫離監(jiān)控單元獨(dú)立進(jìn)行工作，充電機(jī)的可靠性大大提高。 高頻開關(guān)整流器通常由工頻濾波電路、工頻整流電路、功率因數(shù)校正電路、直流直流交換器和輸出濾波器等部分組成。輸出回路的作用是將交流輸入電壓整流濾波為平滑的高壓直流電壓；功率變換器的作用是將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率大于20KHZ的高頻脈沖電壓；整流濾波

39、器的作用是將高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流輸出電壓；開關(guān)電源控制器的作用是將輸出電流電壓取樣來控制功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度，從而調(diào)整開通時(shí)間以使輸出電壓可調(diào)穩(wěn)定。由于高頻變壓器取代了笨重的工頻變壓器從而使穩(wěn)壓電源的體積和重量大大減少。高頻開關(guān)整流器和可控硅整流器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：重量輕、體積小功率因數(shù)高可聞噪音低效率高沖擊電流小模塊式結(jié)構(gòu)。 由此可見，高頻開關(guān)電源是現(xiàn)階段變電站直流電源的必然選擇。 二、充電裝置選擇計(jì)算 1.充電裝置額定電流選擇 滿足浮充要求 Ir=0.01I10+Ijc=0.01×40+62.54=62.94A 滿足初充要求 Ir=1.0I10 1.25I10 則

40、：40AIr50A 滿足均衡充電要求： Ir=（1.0I101.25I10）+Ijc 得：102.54AIr112.54A2.輸電壓選擇 Ur=nUcm=103×2.4=247.2V Ur充電裝置額定電壓，V； n蓄電池組單體個(gè)數(shù)； Ucm充電末期單體蓄電池電壓，V，閥控式鉛酸蓄電池為2.40V；3.選擇充電裝置的額定電流為10A。4.此次設(shè)計(jì)為兩組蓄電池配三組高頻開關(guān)充電模塊，模塊數(shù)量為： N=I10Ime=4010=4 Ime單個(gè)模塊額定電流 N高頻開關(guān)電源模塊選擇數(shù)量 采用N+1形式 所以，選用3套高頻開關(guān)電源模塊，單套高頻開關(guān)模塊的容量為5×10A。第三節(jié) UPS不

41、停電電源的選擇UPS是Uninterruptable Power System（不間斷電源）3個(gè)英文單詞的縮寫，是指當(dāng)交流市電斷電或其變化超出規(guī)定限額時(shí)仍能繼續(xù)向用電設(shè)備提供電能的設(shè)備。一、UPS的幾種工作方式介紹1.后備式UPS：在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電超出其工作范圍時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換為電池逆變供電。2.在線互動(dòng)式UPS：在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電偏高或偏低時(shí)，通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當(dāng)市電異常或停電時(shí)，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)變成電池逆變供電。3.在線式UPS在市電正常時(shí)，由市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作，由逆變器向負(fù)載提供交流電，在市電異常時(shí)，逆變器

42、由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。二、隨著變電站綜合自動(dòng)化水平的提高，大量采用了交流控制的微機(jī)監(jiān)控等智能化設(shè)備。為保證交流控制電源系統(tǒng)的可靠供電，通常是采用由蓄電池組、充電裝置，構(gòu)成的交流不停電電源系統(tǒng)，即UPS。到90年代末，隨著高頻開關(guān)變換技術(shù)的成熟，模塊化的電力專用UPS電源和逆變電源在變電所中得到推廣應(yīng)用。它取消了內(nèi)置蓄電池組，逆變器直流輸入取自站內(nèi)直流控制電源系統(tǒng)的蓄電池組，并且實(shí)現(xiàn)了直流與交流輸入和輸出的電氣隔離，以及高精度的穩(wěn)壓穩(wěn)頻逆變輸出。三、介紹幾種電力專用UPS電源典型系統(tǒng)圖 1.電力專用UPS電源典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3-1 典型UPS系統(tǒng)圖 電力專用U

43、PS電源內(nèi)部包含整流器、逆變器、旁路靜態(tài)開關(guān)、直流逆止二極管、輸入輸出隔離變壓器及濾波器等等單元。 此系統(tǒng)平時(shí)由交流供電，當(dāng)交流出現(xiàn)故障時(shí)由直流提供能量。但是當(dāng)機(jī)器過載、過溫或逆變器故障時(shí)都將工作于旁路狀態(tài)，機(jī)器此時(shí)的輸出只是經(jīng)過濾波后無穩(wěn)壓、穩(wěn)頻處理的普通市電。只要電力專用UPS電源的交流輸入和直流輸入有一路供電正常，電力專用UPS就可輸出高品質(zhì)交流電源為負(fù)載提供可靠供電。 2電力專用UPS多機(jī)N+1并聯(lián)熱備份系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3-2 UPS多機(jī)N+1系統(tǒng)圖多個(gè)UPS模塊按N+1配置，輸出并聯(lián)后接至旁路切換模塊，正常時(shí)由并聯(lián)的UPS模塊向負(fù)載供電，并平均分擔(dān)電流，當(dāng)其中1臺(tái)UPS模塊故障時(shí)會(huì)自動(dòng)退

44、出運(yùn)行不影響其它模塊正常輸出；當(dāng)2臺(tái)以上UPS模塊故障退出，且其余工作模塊出現(xiàn)過載時(shí)自動(dòng)切換到旁路供電。當(dāng)旁路切換模塊故障時(shí)，可通過維護(hù)旁路向負(fù)載供電，且維護(hù)旁路回路同樣具有防誤操作閉鎖功能。四、出于更高的可靠性考慮，此次設(shè)計(jì)的變電站采用電力專用UPS多機(jī)N+1并聯(lián)熱備份系統(tǒng)，單個(gè)模塊采用由合肥陽光電源有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為SL22015K3的產(chǎn)品。第四節(jié) 通信電源的分析與設(shè)計(jì)通信電源是通信系統(tǒng)的重要組成部分，作為通信設(shè)備正常工作必備的基礎(chǔ)設(shè)施，通信電源的優(yōu)劣將影響到通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量和通信可靠性。電力通信網(wǎng)作為電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，在保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高電網(wǎng)信息化水平等方面發(fā)揮著越

45、來越重要的作用。通信電源是向通信設(shè)備不間斷的提供直流電或交流電的電能源，任何通信系統(tǒng)都離不開通信電源。通信的迅猛發(fā)展，使得通信設(shè)備對(duì)通信電源的要求越來越高，傳統(tǒng)的相控穩(wěn)壓電源已不能滿足現(xiàn)代通信對(duì)通信質(zhì)量的要求，而逐漸被性能更為優(yōu)良高頻開關(guān)電源取代。開關(guān)電源分為ACDC、DCDC兩大類。ACDC交換是具有將交流變換為直流，輸入為50HZ60HZ的交流電，輸出為直流電；DCDC變換是將固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，也稱直流斬波。DCDC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，可靠性高，并已得到用戶的認(rèn)可。DCDC變換器現(xiàn)已成功應(yīng)用于電力行業(yè)。DCDC模塊可以轉(zhuǎn)換成各

46、種不同的電壓，同電壓等級(jí)的DCDC變換器可以并聯(lián)運(yùn)行，之間可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。分析變電所直流操作電源和通信電源的接線特點(diǎn)，正常均由充電設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換成所需的直流電，提供設(shè)備所需的電源，當(dāng)交流停電時(shí)，由蓄電池保障供電；根據(jù)變電所規(guī)模和重要性不同，系統(tǒng)接線采用單母線或單母線分段接線方式，一組或兩組蓄電池。不同點(diǎn)是直流操作電源和通信電源的供電電壓，前者一般為220V(110V)，后者一般為48V。當(dāng)前DCDC模塊的成熟發(fā)展和大量應(yīng)用，給以我們一些啟示，DCDC模塊的性能指標(biāo)能完全滿足通信設(shè)備對(duì)電源的要求，同時(shí)微機(jī)監(jiān)控裝置可以對(duì)DCDC模塊進(jìn)行監(jiān)控，安全可靠性滿足要求。由此，我們提出了將變電站直流操作電源與通信電源集成的方案，將通信電源作為直流操作系統(tǒng)的重要負(fù)荷，根據(jù)通信負(fù)荷情況，選取適當(dāng)參數(shù)和數(shù)量的的DCDC模塊將220V轉(zhuǎn)換成48V,供給通信負(fù)荷用電。這樣，變電所直流操作電源系統(tǒng)接線方式?jīng)]有改變。蓄電池容量根據(jù)變電所直流負(fù)荷和通信負(fù)荷的要求設(shè)計(jì)。直流充電設(shè)備（高頻開關(guān)電源ACDC模塊）采用N+1熱備用