500kV無(wú)人值班變電站直流電源容量配置的改造方法

汪太平，陳 雪，文東山

（1.國(guó)家電網(wǎng)安徽省電力公司 檢修公司，安徽 合肥 230061；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

電力系統(tǒng)中的直流電源部分由蓄電池組、充電設(shè)備、直流屏等設(shè)備組成。系統(tǒng)正常時(shí)，為變電站內(nèi)的斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等主設(shè)備提供分合閘直流電源，為保護(hù)自動(dòng)化裝置、通信設(shè)備以及二次回路提供工作電源；系統(tǒng)故障時(shí)，如當(dāng)500kV變電站用電中斷的情況下為繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、斷路器跳閘與合閘、通信設(shè)備等直流負(fù)荷提供工作電源，保障變電站主設(shè)備的正常運(yùn)行［1-2］。它的正常與否直接影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行［3-4］。

現(xiàn)有500kV變電站直流電源容量一般按照有人值守變電站考慮，設(shè)計(jì)時(shí)滿(mǎn)足事故放電時(shí)間1h。隨著“三集五大”體系建設(shè)的推進(jìn)，500kV變電站無(wú)人值守全面實(shí)施，為保障500kV變電站在實(shí)施無(wú)人值守后變電站直流系統(tǒng)能滿(mǎn)足全站設(shè)備正常運(yùn)行2h以上，事故照明正常運(yùn)行1h以上的用電要求，需要對(duì)現(xiàn)有500kV變電站直流系統(tǒng)容量進(jìn)行技術(shù)改造，主要涉及內(nèi)容包括蓄電池的選擇、充電裝置容量選擇和改造方案的確定［5-8］。

1 500kV有人值班變電站直流電源現(xiàn)狀

作為變電站安全可靠運(yùn)行的重要保障，變電站直流系統(tǒng)以蓄電池作為后備電源為重要設(shè)備提供直流電，直流電源蓄電池根據(jù)電解液的不同，可分為酸性蓄和堿性蓄電池2種。在20世紀(jì)70年代以前變電站中應(yīng)用的都是開(kāi)啟式鉛酸蓄電池，70年代以后，半封閉的鉛酸電池逐步得到普遍應(yīng)用，到80年代中期以后，鎘鎳堿性電池開(kāi)始使用。但是，變電站中的鎘鎳蓄電池組在加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)中無(wú)法保證每一個(gè)電池的充電、放電的特征一致，而且在使用當(dāng)中用同一個(gè)充電的電源，又必須向同一個(gè)負(fù)荷放電，導(dǎo)致個(gè)別電池性能差越來(lái)越大，從而對(duì)整個(gè)裝置的性能產(chǎn)生一定程度的消極影響；同時(shí)，鎘鎳電池組在工作中長(zhǎng)時(shí)間地處于浮充的狀態(tài)，浮充電流過(guò)大，使得電解液中的水電解質(zhì)分解成為氫氣與氧氣，氫氣與氧氣混合很容易發(fā)生爆炸，倘若通風(fēng)條件較差將會(huì)發(fā)生大事故。

20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的閥控制式密封鉛酸蓄電池，由于具有安裝方便、維護(hù)工作量小、污染小、可靠性較高等一系列優(yōu)點(diǎn)，得到較廣泛的應(yīng)用。閥控式密封鉛酸蓄電池多采用超細(xì)玻璃纖維隔膜、緊裝配集極板、貧電液結(jié)構(gòu)，也有采用管式正極板和專(zhuān)用隔板膠體電解液的富電液結(jié)構(gòu)的，其基本原理都是使氣體在極板間轉(zhuǎn)移，促進(jìn)再化合反應(yīng)。減壓閥的作用是保持電池內(nèi)部有一定壓力。這類(lèi)蓄電池具有防酸式鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，而且基本上不需要維護(hù)，由于沒(méi)有酸霧和氣體排除，可以和成套直流電源柜一起安裝在主控室，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)變電站中，是無(wú)人值班變電站首選蓄電池。500kV變電站站內(nèi)直流系統(tǒng)一般采用2組600Ah閥控式密封鉛酸蓄電池。使用時(shí)，一般每組52只，額定電壓采用110V，實(shí)現(xiàn)保護(hù)操作電源的雙重化。供斷路器操作、繼電保護(hù)、事故照明、遠(yuǎn)動(dòng)UPS、直流常明燈等用電，采用主、分屏供電方式［9］。

2 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)及容量選擇

2.1 直流負(fù)荷

在選擇合適的蓄電池容量之前要先統(tǒng)計(jì)變電站的直流負(fù)荷，并且參照直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程確定各種直流負(fù)荷的計(jì)算時(shí)間。500kV變電站直流負(fù)荷主要包括保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、事故照明、UPS電源以及各電壓等級(jí)斷路器跳合閘等類(lèi)型設(shè)備用電。

2.2 蓄電池容量選擇

變電站直流系統(tǒng)的重要性決定了直流電源必須有很高的穩(wěn)定性和可靠性，電壓質(zhì)量和電源容量均應(yīng)在最嚴(yán)重的事故情況下保證用電設(shè)備的可靠工作。因此，蓄電池容量計(jì)算在改造設(shè)計(jì)中顯得尤為關(guān)鍵。選擇蓄電池容量的方法有電壓控制法和階梯負(fù)荷法，由于階梯負(fù)荷法具有較高的精度，筆者按負(fù)荷階梯分段計(jì)算，取其中計(jì)算容量最大者，當(dāng)有隨機(jī)負(fù)荷（沖擊負(fù)荷）時(shí)，隨機(jī)負(fù)荷單獨(dú)計(jì)算所需容量，并疊加在第1段以外的計(jì)算容量最大的放電階段［10-12］。

蓄電池10h放電率計(jì)算容量和隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量分別為

式（1）、（2）中 CC為蓄電池放電率計(jì)算容量（Ah）；I1，I2，…In為各階段事故負(fù)荷電流（A）；KC1，KC2，…KCn為各階段負(fù)荷容量換算系數(shù)（1／h）；KCR為隨機(jī)負(fù)荷容量換算系數(shù)（1／h）；KK為可靠系數(shù)，計(jì)算蓄電池容量時(shí)，不論使用哪種算法，都要對(duì)容量?jī)?chǔ)備情況做好分析，選擇可靠系數(shù)KK。

計(jì)算KK時(shí)，需考慮裕度系數(shù)Kr、溫度修正Kt和老化系數(shù)Ka3個(gè)方面。

1）蓄電池在充、放電過(guò)程中，會(huì)受到許多因素的影響。特性曲線與計(jì)算數(shù)據(jù)中，可能存在誤差和難以計(jì)算的負(fù)荷情況，為此，蓄電池容量計(jì)算過(guò)程中，要添加一個(gè)裕度系數(shù)Kr，取為1.2。

2）蓄電池額定容量為環(huán)境溫度放電和終止放電電壓中的容量。當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，蓄電池的電解液會(huì)發(fā)生改變，放電容量也會(huì)和額定值產(chǎn)生偏離，因此，常用溫度修正Kt代表可能的不利環(huán)境因素，一般取為1.08。

3）蓄電池初期使用時(shí)，其容量會(huì)上升，但隨著使用期限的增長(zhǎng)容量又會(huì)逐步下降，一旦下降至80%的額定容量后，蓄電池便不能再使用，于是，常用老化系數(shù)Ka表示蓄電池老化情況，一般取為1.08。

KK=Kr·Kt·Ka，根據(jù)以上Kr，Kt，Ka的取值，KK=1.2×1.08×1.08=1.39，故此可靠系數(shù)KK為1.4。

2.3 充電裝置容量選擇

充電裝置有浮充電和均衡充電2種運(yùn)行方式，浮充電方式運(yùn)行時(shí)帶全站負(fù)荷同時(shí)給蓄電池提供浮充電流；均充電方式運(yùn)行時(shí)帶全站負(fù)荷同時(shí)給蓄電池提供均充電流。除此之外，新安裝的蓄電池或大修中更換的蓄電池組第一次充電時(shí)，需要滿(mǎn)足初充電要求［13-14］。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，直流充電裝置額定電流IC只需考慮蓄電池均充電流和全站經(jīng)常性負(fù)荷電流（I10為蓄電池10h率放電電流，Ijc為直流系統(tǒng)的經(jīng)常性負(fù)荷電流），則

1）滿(mǎn)足浮充電要求：

2）滿(mǎn)足均衡充電要求：

3）滿(mǎn)足初充電要求：

3 實(shí)例分析

3.1 蓄電池容量計(jì)算

以安徽境內(nèi)某500kV變電站為例，經(jīng)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，其直流負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示，沖擊電流（Ich）按母差動(dòng)作斷路器數(shù)統(tǒng)計(jì)，跳閘電流參照西門(mén)子開(kāi)關(guān)。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可進(jìn)行蓄電池容量計(jì)算。

表1 安徽某變電站直流負(fù)荷數(shù)據(jù)Table 1 DC load of a substation in Anhui province

第1階段負(fù)荷容量換算系數(shù)KC1取0.78，第2階段負(fù)荷容量換算系數(shù)KC2取0.3，隨機(jī)負(fù)荷容量換算系數(shù)KCR取0.9，根據(jù)式（1）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，為使變電站直流系統(tǒng)能滿(mǎn)足全站設(shè)備2h、事故照明1h以上的用電要求，需要采用2組1 000Ah閥控鉛酸蓄電池。

3.2 充電裝置容量計(jì)算

充電裝置容量計(jì)算時(shí)，若滿(mǎn)足浮充電要求，根據(jù)式（3），則有IC=0.01×100+（38.78+34.09）=73.87A；若滿(mǎn)足均衡充電要求，系數(shù)取1.12，根據(jù)式（4），則有IC=1.12×100+72.87=184.87A；若滿(mǎn)足初充電要求，系數(shù)取1.12，根據(jù)式（5），則有IC=1.12×100=112A。

取計(jì)算結(jié)果較大者即IC=184.87A作為充電裝置的計(jì)算電流。綜合計(jì)算結(jié)果，選用充電設(shè)備額定電流為200A，充電裝置型式及容量為110／115V，6×40=240A。

3.3 改造方案

先拆除1＃蓄電池組，同時(shí)退出1＃蓄電池原充電機(jī)，將兩面直流饋線屏間的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合上，由另外一組蓄電池同時(shí)帶直流1，2段負(fù)荷，由原直流系統(tǒng)為2＃蓄電池組充電。

安裝新系統(tǒng)的1＃蓄電池組和充電機(jī)，待新系統(tǒng)1＃充電機(jī)柜安裝完成后，由新系統(tǒng)充電機(jī)為1＃蓄電池充電；同樣方法退出2＃蓄電池，將原系統(tǒng)退出的1＃蓄電池組與2＃蓄電池組重新排列并接組成新系統(tǒng)的2＃蓄電池組，安裝新系統(tǒng)的2＃蓄電池組和充電機(jī)，待新系統(tǒng)2＃充電機(jī)柜安裝完成后，由新系統(tǒng)充電機(jī)為2＃蓄電池充電；硬件改造完成后升級(jí)軟件。

4 結(jié)語(yǔ)

直流電源是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備，作為變電站自動(dòng)控制、保護(hù)、開(kāi)關(guān)分合、事故照明等的重要電源，其容量及其他性能的好壞直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和設(shè)備安全。在變電站實(shí)行無(wú)人值班后，要求直流電源具有更高的可靠性。在實(shí)施500kV變電站無(wú)人值班中，應(yīng)充分考慮各直流負(fù)荷的用電情況，計(jì)算出滿(mǎn)足實(shí)際需要的蓄電池容量和充電裝置容量，在改造過(guò)程中按照直流系統(tǒng)不中斷供電的原則實(shí)施，從而使直流系統(tǒng)改造更完善、更穩(wěn)定。基于安徽某500kV變電站直流系統(tǒng)改造的實(shí)際案例，筆者分析了500kV無(wú)人值班變電站直流電源容量配置方案，是相關(guān)理論知識(shí)結(jié)合工程實(shí)踐的一次成功運(yùn)用。

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