2006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25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26电站设备自动化 2006年3月第1期装置、高压开关均有控制和操作电源。

111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。

112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。

线上,而采用两段母线共用一套微机绝缘装置,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。

11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、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DC AC(M)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()()2006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下工作。

高频开关电源模块的通用技术指标如表项目输入电压输入电流交流输入频率功率因数效率323V~475V(三相三线制)110V20A8A220V10A8A50Hz!10% 0.92 94%110V10A4A220V05A4A271~3所示。

指标表1充电模块输入特性表表2充电模块输出特性表项目输出电压范围输出电流电压上升时间输出恒流范围稳流精度负载电压纹波系数稳压精度温度系数(1∀)0.03%!0.5%0.2#198~286V(220V系列)220V10A:额定输出10A220V05A:额定输出5A指标99~143V(110V系列)110V20A:额定输出20A110V10A:额定输出10A3~8秒10%~100%!1%0.05%最大输出为额定值的105%~110%软启动时间备注表3充电模块保护特性表项目输出短路回缩输出过压保护输出欠压告警输入过压保护点输入欠压保护点缺相保护过温保护指标回缩电流∃40%额定电流,可恢复220V系列:291!4VDC220V系列:194!4VDC480!5VAC,可恢复,回差5~15V318!5VAC,可恢复,回差10~20V可恢复过温保护点:90∀,降温后恢复精度:!5∀110V系列:146!2VDC110V系列:!2VDC可由监控模块设置备注监控装置配有标准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。

28电站设备自动化 2006年3月第1期表4监控功能说明项目遥信遥测遥控遥调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。

指标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。

测量充电模块的输出电压、电流。

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。

同时具备手动控制,可以屏蔽监控单元的控制。

备注2直流电源的配置21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。

22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=01C10+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23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),一般在合闸母线与控制母线之间设置硅堆降压装置。

目前,变电站的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。

24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DC250V10kA,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,2006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广泛应用。

31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。

32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。

29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。